给水处理厂混凝投药中无模型自适应控制系统的应用

史 靓，颜一青

(上海市自来水市北有限公司闸北水厂，上海 200438)

城镇供水是现代化城市建设的基础。常规给水处理工艺包括混凝、沉淀、过滤、消毒，其中，混凝、沉淀的效果直接影响后续工艺和出厂水质。影响混凝效果的因素较多，如进水流量、原水浊度、水温、pH等。目前，给水处理中加药大部分仍采用人工控制的方式。由于受到原水水质、进水流量和气候等多种因素的影响，故会对加药的合理性、准确性和稳定性带来一定的困难，严重时可能会影响水质，同时造成药剂的浪费。

随着水处理技术的发展，自动投药系统的形式多种多样，包括数学模型法、模拟沉淀池法、流动电流法、絮凝控制法以及基于模型的模糊控制法等。数学模型法理论上能够准确控制加矾沉淀过程，但是，建模过程、建成后的模型质量以及维护，必须投入大量的人力、物力。模拟沉淀池法要根据一个微缩沉淀池的出水浊度来控制加矾量。由于混凝沉淀过程较为复杂，用微缩沉淀池出水浊度来决定加矾量不够全面，所以实际处理效果不太理想。流动电流法是检测原水在投药后的流动电流与ξ电位相关的混凝本质参数，并以此为依据确定加矾量。絮凝控制法可分为脉动法、图像法。矾剂加入原水后，流动扩散形成矾花，矾花的大小可以直接反映混凝沉淀的效果，通过水下摄像记录矾花的形状大小，再经图像分析装置得到矾花粒径、密度等参数，并通过控制器去控制加矾量［1-5］。虽然这些方法具有一定成效，但是仍然存在建模难、投资大、适应性差、不宜于维护和操作等问题，因而无法广泛应用。此外，自动投药系统的推广受以下原因制约，包括我国原水水源保护不严格、原水水质变化大且易突变等。因此，采用新技术研发适应实际工况的自动加药系统，对推广净水工艺自动化、提高水质、节约药耗具有重要的现实意义［6］。

为了确保“安全生产、优质供水”的目标，节省劳动资源，国内给水处理厂积极探索混凝沉淀过程自动投药的方法，希望直接以沉淀池出口浊度实测值为控制目标，进行闭环自动加矾控制。上海市自来水市北有限公司闸北水厂在混凝沉淀中采用无模型自适应(Model-Free Adaptive，MFA)控制器进行自动加矾，MFA控制器在水厂生产运行中取得了良好的控制效果，本文将针对MFA控制器的应用情况进行分析说明。

1 给水处理工艺

常规给水处理工艺如图1所示，其中，混凝投药是保证混凝效果、净化水质及节省药剂的重要工序。将配制好的混凝剂加入进水管道，与原水混合后流入沉淀池，矾剂在水中流动扩散形成矾花，将水中的胶体颗粒和杂质等悬浮物凝聚沉淀，降低浊度，提高出水水质，矾花在水中混凝的反应时间约20～30 min。在一定的工况条件下，混凝效果由混凝剂的投加量决定。若投加量过小，则达不到除浊目的;若投加量过大，则会影响除浊效果和人体健康，同时增加制水成本。如前文所述，影响混凝投药的因素很多，故控制加药量便成为实际生产中的一大难题。

图1 常规给水处理工艺Fig．1 Regular Water Treatment Process

闸北水厂设计日供水量为28万t，主要采用长江原水(原水浊度10～40 NTU)，出厂水浊度控制在0．10 NTU以下。制水系统分为20万t制水系统和8万t制水系统，均采用静态混合器和折板反应池，但沉淀方式各不相同，其中20万t制水系采用斜管沉淀(1#、2#沉淀池)，8万t制水系统采用平流式沉淀(3#沉淀池)。不同的沉淀设备，原水处理时间有较大不同。原水从进入沉淀池开始，经过混凝沉淀过程，直到沉淀池出口，采用斜管沉淀池整个流程约需1．5 h，采用平流式沉淀池整个流程约需2 h。

2 无模型自适应控制系统的应用

2．1 MFA 技术

众所周知，PID控制技术被广泛应用于常规控制过程。然而，由于混凝沉淀过程存在大滞后、时变性等特点，PID控制很难保证系统的长期稳定性。相比之下，MFA具有较强的稳定性，在过程参数变化较大的情况下，仍能保持控制系统的稳定性与较好的控制性能［7］。因此，闸北水厂在先后采用了SCM及FCD等控制系统，但效果均不理想的情况下，通过对无模型自适应过程控制技术MFA调研，结合生产实际，决定采用MFA技术作为我厂自动加矾系统的控制器。

图2 MFA控制技术核心结构Fig．2 Core Structure of MFA Control Technique

MFA控制技术的核心结构如图2所示［6］，关键部件是一个多层感知神经元网络，含有一个有“记忆”能力的输入层、N个神经元的隐含层和一个神经元的输出层。在这个神经网络中有一组可以根据需要而改变的权重因子(Wij和hi)，从而对控制器的行为进行调整。更新权重因子的算法是以缩小设定值与过程变量之间的偏差为目标。由于其效果与控制目标是一致的，因此，采用权重因子能帮助控制器在过程动态特性发生变化的时候减小偏差。此外，基于人工神经网络的MFA控制器保存了一部分历史数据，为了解过程动态特性提供有价值的信息。也就是说MFA控制器是根据被控过程的动态特性数据来对过程施加控制的，而过程特性的变化又无须调整MFA控制器参数，所以控制器具有强大的自适应控制能力。

MFA是一种无需建立过程模型的自适应控制技术，具有如下特征:(1)无需精确的过程定量知识;(2)不含过程辨识机制;(3)不需要针对某一过程进行控制器设计;(4)不需要繁复的控制器参数整定;(5)具有闭环系统稳定性分析和判据，确保系统的稳定性［8］。

2．2 MFA自动投药控制方案

闸北水厂采用的是带前馈抗滞后的MFA自动加矾控制系统:以沉淀池出口浊度为被控对象，矾剂投加量为调节手段，进水流量和原水浊度为前馈，构成以出口浊度值为负反馈的闭环控制系统。影响混凝效果的因素很多，较为主要的是原水浊度和进水流量。为了及时克服这种扰动，MFA控制系统将原水浊度和进水流量作为控制器前馈并结合比例控制方法对过程进行控制。至于水温、pH等因素，由于其在长时间内变化较小，故其变化造成的水质波动由控制系统自行修正。

如图3所示，MFA控制系统以沉淀池出口浊度控制回路为主回路，加药流量控制回路为子回路组成串级闭环控制系统，原水浊度和进水流量作为控制器前馈参与控制。

图3 带前馈抗滞后MFA控制系统图Fig．3 MFA Control System Diagram

2．3 MFA控制系统应用效果

自2003年起，闸北水厂便开始探索MFA控制系统在混凝沉淀过程中的应用。探索初期，为检验该系统运行效果，由于1#、2#沉淀池均为斜管沉淀池，设计参数、投加设备相同，故将1#、2#沉淀池作为试验组，分别采用自动和人工控制方式，出口浊度控制范围为(3．0±0．2)NTU，运行情况对比如表1所示(2003年数据)。可以发现，1#沉淀池出口浊度中心范围出现频次较2#沉淀池高，即水质比2#沉淀池稳定;且矾剂投加量小于2#沉淀池。

表1 1#、2#沉淀池运行情况对比Tab．1 Operation Comparision with 1#and 2#Sediment Tanks

自2011年4月起，我厂开始采用每年夏季(5月～10月)、冬季(11月～次年4月)不同水源进行给水处理。其中，夏季采用100%陈行原水，冬季采用70%青草沙原水、30%陈行原水的混合原水。如表2所示，夏季自动控制的加药量低于人工控制;冬季由于低温低浊、沉淀池出口浊度目标值的降低，故自动控制的加药量有所上升。另外，虽然冬季原水类型发生了改变，但是 MFA控制系统能够适用于不同原水水质，达到良好的控制效果。

表2 MFA控制系统试运行情况分析Tab．2 Operation Anylsis with MFA Control System

如下表3、表4所示，通过对比2013年、2014年冬季同期数据，可以发现MFA控制系统能够较好地适应混合原水水质，在低温低浊情况下，控制沉淀池矾剂投加量在6．5～7．9 ppm，确保沉淀池出口浊度为(目标值±0．2)NTU，达到良好的控制效果。

本品种与原种单竹Lingnania cerosissima的关键区别是：新品种全秆和部分竹枝具黄绿相间条纹，全秆被厚白粉，原种全秆和枝叶为绿色，被白粉相对较少。在秆的分枝习性、秆箨等特征上无区别。

表3 2013年冬季(混合原水)MFA控制系统试运行情况Tab．3 Operation Status of MFA Control System in Winter，2013

表4 2014年冬季(混合原水)MFA控制系统试运行情况Tab．4 Operation Status of MFA Control System in Winter，2014

另外，该系统试运行期间，分别对原水浊度、进水流量以及沉淀池出口浊度变化进行了试验，同时对控制参数做出了相应调整，使系统工作状态达到最佳。通过采集、整理、分析数据，可将该系统应用效果归纳为以下几点:

(1)原水浊度扰动控制情况:如图4所示，当原水浊度发生较大波动时，加矾流量根据当前沉淀池出口浊度反馈值并参照原水浊度变化自动进行调整，使出口浊度始终保持在设定值附近。

图4 原水浊度扰动实时曲线Fig．4 Turbidity Interuption Curve

(2)进水流量扰动控制情况:如图5所示当进水流量发生较大波动时，加矾流量根据当前沉淀池出口浊度反馈值并参照进水流量变化自动进行调整，使出口浊度始终保持在设定值附近。

图5 进水流量扰动实时曲线Fig．5 Inflnent Interuption Curve

(3)控制目标值扰动控制情况:如图6所示，当沉淀池出口浊度(目标值)发生一定波动时，加矾流量根据当前出口浊度反馈值变化自动进行调整，使出口浊度始终保持在设定值附近。

图6 控制目标值扰动实时曲线Fig．6 Controlling Index Interuption Curve

3 结论

(1)MFA控制系统基本实现了以沉淀池出口浊度为控制目标变量的闭环控制，长期运行观察没有出现振荡、失控等不稳定现象，出口浊度能稳定地控制在设定值附近，控制精度达到要求，进一步完善和提高了水厂生产自动化水平，确保安全生产、优质供水。

(2)当原水浊度和进水流量发生较大波动时，MFA控制系统能及时调节加矾量，有效地控制沉淀池出口浊度，使其保持在控制目标范围内，控制系统运行稳定。

(3)MFA控制系统可以控制不同净水工艺的出口浊度，适应性强，且混凝剂投加量较为节省。针对2套不同的制水工艺，只需对部分参数进行相应设置，MFA控制系统即能投入运行，且运行状态稳定，说明MFA浊度闭环控制系统的适应能力强。

(4)MFA控制系统与厂内原有PLC设备兼容，实现了现场数据采集及历史数据记录功能。人机操作界面直观，手/自动无扰动切换，操作简便，降低了劳动强度，提高了工作效率。

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