混凝控制中的数学模型及其应用.docx

混凝控制中的数学模型及其应用摘要水处理中混凝剂加注量的自动控制是一个既重要又难于解决的问题。本文系统介绍了三种典型的数学模型，探讨了它们对于混凝控制技术的促进作用，分析了基于不同数学模型的控制技术间的差异。关键词数学模型混凝模糊控制MathematicalModelsinCogulationControlandTheirApplicationAbstract:Theautomaticcontrolofcoagulantdosingisimportantandyetdifficulttoresolve．Threetypicalmath-ematicalmodelsaresystematicallyintroducedinthispaper，withtheirimpulsestothedevelopmentofcoagulationcontroltechniologuesprobedabdthedifferencesamongthecontrollingtechnologiesbasedondifferentmathematicalmodelsanalyzed．Keywords:watertreatment；mathematicalmodel；coagulation；fuzzycontrol混凝工艺是传统水质净化工艺中较为重要的环节，准确控制加药量是取得良好混凝效果的首要前提。混凝剂加注量的自动控制是一个难于解决的问题，因它不仅与水质参数和水量参数有关，还与净水构筑物的性能和混凝剂自身效能等因素有关[1]。尽管如此，建立于经典控制、现代控制和智能控制理论上的各种控制策略应用于混凝过程的控制个案十分丰富。本文结合一些较成功的应用范例探讨数学建模技术在混凝控制中的作用。1基于多变量参数模型的混凝控制技术与实例[1-2]多变量参数模型是以若干原水水质、水量参数为变量，建立变量与加药量之间的函数表达式。首先，进行模型结构和参数的选取。模型结构有线性、非线性等形式，参数的选取往往依赖大量验前知识，运用数学统计检验出具有可测性的主要影响因素。其次，确定模型中各项系数，由多年的运行资料进行统计分析予以确定。以应用于上海石化总厂水厂的模型为例，以原水浊度、温度，pH、流量作为自变量：K=++++×10-4e(X2-21)-×式中：K－前馈药量，kg/km3；X1－原水浊度，mg/L；X2－原水温度，℃；X3－原水pH值；X4－原水流量，m3/h。计算机系统自动采集参数数据，并根据模型自动控制加注量。此模型属于前馈模型，只能用于开环控制。为提高控制精度，稳定出水水质，须进一步建立一个以沉淀水浊度作为反馈修正模型：式中：△K－反馈微调药量，kg/km3X－沉淀水浊度，mg/L多变量参数模型基础上的前馈－反馈复合混凝控制系统，能迅速响应原水水质及水量参数变化，但系统的运行依赖于每一块仪表准确可靠的工作，其控制系统框图如图1：其中：一次仪表包括用于原水水质分析的浊度计、酸度计、温度计和原水流量计，二次仪表包括用于加药系统的液位汁、密度计、药管压力表和流量计，Tu为沉淀水浊度计。2基于特性参数模型的混凝控制技术[2-5]基于特性参数模型的混凝控制系统见图2。随着人们对混凝机理研究的深入，寻求表征混凝效果的特性参数及其数学物理模型，从而建立简单实用的单因子混凝控制系统成为可能。这类模型皆以混凝过程中某种微观特性的变化作为加注量确定的依据。比较典型的有以流动电流作为特性参数的SCD法，以透光脉动值作为特性参数的透光脉动法等。这里介绍一种以絮体等效直径作为特性参数的模型。絮体的沉降规律比较复杂，常简化用颗粒沉降的Stockes公式描述：式中：υ－絮体沉降速度，cm/s；ρs－絮体体积质量，g/cm3；ρ－水的体积质量，g/cm3；ds－絮体直径，cm；μ－水的粘滞系数，g/(cm·s)。随着絮体粒径的变化，絮体体积质量遵循下式的规律变化：ρs-ρ=ds-Kp式中：Kρ－系数；～，决定于混凝剂加注率与原水水质综合、式得出絮体粒径与沉淀速度的关系式：上述分析均假设絮体为球状颗粒，而实际絮体是不规则的，其大小、形状通过一个传感器采集的絮体图像反映出来。二维的絮体图像可以用四个参数刻画其特性：表示絮体大小的絮体面积S；与形状有关的絮体周长l；与松散程度有关的絮体中间空出面积S0；絮体的长宽比m0利用下面的公式换算成一个参量“等效直径”φ：式中：k1、k2、k3－周长、长宽比、中空面积的折扣系数，为0－1的小数由、式可知，等效直径越大，沉降速度越快，即絮体形成得越好，沉淀越充分，沉淀水的浊度也就越小。但是，参量φ中仍无法表征混凝的整体效果。实际使用的传感器取景窗水域面积为26mm×20mm，取景厚度约，该截面一般包含近百个絮体。设定系数每5s采集一幅图像，按式计算每个絮体