大型膜法反渗透海水淡化系统的模型预测控制研究

论文摘要

随着世界人口数量快速增加和工业化的快速发展,淡水资源短缺日益严重,成为制约社会发展的一大关键因素。为了获得干净的淡水资源,全世界将眼光瞄向海洋,发展海水淡化技术是解决全球水资源短缺的重要途径,已在全球科技界形成共识。随着低成本、高脱盐率膜工业技术的发展,以及高效能量回收装置的进步,膜法反渗透(Seawater Reverse Osmosis,SWRO)海水淡化技术依靠其经济性和方便性成为最受欢迎和关注的海水淡化技术。采用合适的控制策略是保证SWRO系统可靠性、提高产水品质、降低运行成本的关键。在国内反渗透海水淡化系统大多使用传统控制方法,然而SWRO系统具有耦合、时滞、非线性等特点,采用传统控制方案,如PID等难以达到理想的控制效果。因此,本文根据反渗透海水淡化的特点,分别提出了 PID控制、解耦控制和模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)三种控制策略,通过横向对比,可以发现采用先进控制策略可以明显提高系统的控制效果。为了在实际过程中应用先进控制策略,本文设计了专门的控制软件,可以同DCS或PLC通过OPC连接。本文主要工作有以下几点:(1)基于质量方程、动量方程和能量方程,建立了 SWRO系统的非线性机理模型。由于SWRO机理模型比较复杂,难于直接用于控制系统设计。因此,本文利用系统辨识技术将非线性模型在典型工况下线性化,得到线性模型,便于后续的控制系统设计。(2)在得到线性模型的基础上,给出了常规控制方案的设计方法,包括PID控制系统和解耦控制系统的设计。首先给出了传统PID控制方案,通过跟踪和抗扰试验分析了传统PID控制的不足。然后,为有效应对系统的耦合特征,设计了前馈补偿解耦控制器,通过跟踪和抗扰仿真试验,表明解耦控制可以提高系统的控制性能。(3)引入模型预测控制算法进行SWRO控制系统设计。这样可以处理耦合、约束等实际问题,能够进一步提升控制系统性能。为了实现无偏跟踪,在模型中引入不可测扰动,对线性模型进行了必要的扩展。通过实时状态估计可以有效应对模型失配、不可测扰动、工况变化等因素的影响。(4)为了将先进控制算法应用于实际系统,设计了专门的预测控制软件。在VS2010平台下,对MPC算法进行了封装,形成了一套具有在线控制、离线仿真、OPC通信等功能为一体的先进控制软件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 海水淡化技术概况
•     1.2.1 反渗透技术发展现状
•     1.2.2 反渗透膜技术的发展
•   1.3 SWRO系统优化控制研究现状
•   1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 SWRO系统与建模
•   2.1 反渗透海水淡化原理
•   2.2 SWRO建模
•     2.2.1 反渗透膜模型
•     2.2.2 浓盐水侧模型
•     2.2.3 渗透水侧模型
•   2.3 系统辨识
•     2.3.1 辨识步骤
•     2.3.2 辨识结果
•   2.4 小结
• 第3章 常规控制方案的设计
•   3.1 系统特性
•   3.2 设计策略
•     3.2.1 PID控制
•     3.2.2 解耦控制
•   3.3 小结
• 第4章 模型预测控制方案设计
•   4.1 模型预测控制发展现状
•   4.2 模型预测控制
•     4.2.1 预测模型
•     4.2.2 滚动优化
•     4.2.3 反馈校正
•   4.3 控制方案设计
•     4.3.1 约束MPC控制器实现流程
•     4.3.2 控制器参数选取
•   4.4 系统仿真
•   4.5 小结
• 第5章 SWRO系统的模型预测控制软件实现
•   5.1 设计原则分析
•   5.2 整体架构分析及设计
•     5.2.1 需求分析及设计
•   5.3 核心技术
•   5.4 软件实现以及测试
•     5.4.1 测试方法
•     5.4.2 系统软件测试
•   5.5 小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1
• 附录 2

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘俊虎

导师: 江爱朋

关键词: 海水淡化,控制,解耦控制,模型预测控制,系统辨识,先进控制软件

来源: 杭州电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 杭州电子科技大学

分类号: P747.5

总页数: 73

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