污水泵站排放系统的预测控制
|
摘要
本文针对当前污水泵站排放系统存在的耗能多及污水溢出污染的问题，提出了采用预测控制，结合变频调速的控制手段。
当前污水泵站排放系统主要采用人工值守方式排水，低水位高扬程耗能严重，且缺乏预测能力，流量洪峰来临时易产生污水溢出污染。通过分析污水泵站排放系统运行情况，结合当前国内外研究成果，提出了基于预测控制的污水排放控制系统。
在预测控制算法研究的基础上，分析了用不同的数学模型逼近污水泵站排放系统，比较了采用常规水位控制、PID控制和预测控制对污水泵站排放系统的控制效果，在仿真结果对比的基础上，得到了采用预测控制可以更好的解决节能无污控制目标的结论。
在仿真研究基础上，搭建了模拟试验系统，在实验室条件下，对污水泵站排放系统进行了结合变频调速的预测控制模拟试验，试验结果表明，采用预测控制，可以使系统运行在高水位低扬程的工况下，使流入泵站管网的污水等量排出，实现了节能无污的控制目标。
针对污水泵站内机组优化启停的问题，提出了采用遗传算法进行优化组合，给出了泵站机组启停的控制方案，并进行仿真研究，仿真结果显示，采用遗传算法优化泵站机组启停控制，可使泵站机组运行在最佳节能状态，且能够将输入污水泵站的污水等量排出，实现了节能和减少污染的控制目标。
The question of power waste and sewage overflow in sewage pumping station system is proposed. In order to solve this question, predictive control and VVVF are applied.
Currently sewage in sewage pumping station system is pumped manually. So the station is working in low water level and energy is consumed. This mode can't predict the inflow's changing. So sewage in the station may be overflowed when large flux flow in the station. By researching the sewage pumping station's working situation and studying the advanced theory in sewage pumping control, the sewage pumping control system based on predictive control is proposed.
On the base of studying in arithmetic of predictive control, different math models are used to approach the control system. General water level control, PID control and predictive control using in sewage pumping station are compared. By simulating the different models using in control system, the conclusion that the aim of saving power and preventing pollution in sewage pumping station can be achieved by using predictive control is got.
Experimentation system is set up based on simulation. Experimentation of sewage pumping station based on predictive control with VVVF is carried out. The experimentation result shows that the sewage pumping station predictive control system can be running under the condition of high water level. By using this control mode, inflow sewage is pumped out entirely. The aim of saving power and preventing pollution is achieved.
The question of power waste caused by pumping station sets' illogical running project is proposed. Genetic Algorithm can quickly find the optimized result in global. Using this characteristic to control the pumping station sets' running and stopping can attain the object of saving power. It is also tested in the experiment.
当前污水泵站排放系统主要采用人工值守方式排水，低水位高扬程耗能严重，且缺乏预测能力，流量洪峰来临时易产生污水溢出污染。通过分析污水泵站排放系统运行情况，结合当前国内外研究成果，提出了基于预测控制的污水排放控制系统。
在预测控制算法研究的基础上，分析了用不同的数学模型逼近污水泵站排放系统，比较了采用常规水位控制、PID控制和预测控制对污水泵站排放系统的控制效果，在仿真结果对比的基础上，得到了采用预测控制可以更好的解决节能无污控制目标的结论。
在仿真研究基础上，搭建了模拟试验系统，在实验室条件下，对污水泵站排放系统进行了结合变频调速的预测控制模拟试验，试验结果表明，采用预测控制，可以使系统运行在高水位低扬程的工况下，使流入泵站管网的污水等量排出，实现了节能无污的控制目标。
针对污水泵站内机组优化启停的问题，提出了采用遗传算法进行优化组合，给出了泵站机组启停的控制方案，并进行仿真研究，仿真结果显示，采用遗传算法优化泵站机组启停控制，可使泵站机组运行在最佳节能状态，且能够将输入污水泵站的污水等量排出，实现了节能和减少污染的控制目标。
The question of power waste and sewage overflow in sewage pumping station system is proposed. In order to solve this question, predictive control and VVVF are applied.
Currently sewage in sewage pumping station system is pumped manually. So the station is working in low water level and energy is consumed. This mode can't predict the inflow's changing. So sewage in the station may be overflowed when large flux flow in the station. By researching the sewage pumping station's working situation and studying the advanced theory in sewage pumping control, the sewage pumping control system based on predictive control is proposed.
On the base of studying in arithmetic of predictive control, different math models are used to approach the control system. General water level control, PID control and predictive control using in sewage pumping station are compared. By simulating the different models using in control system, the conclusion that the aim of saving power and preventing pollution in sewage pumping station can be achieved by using predictive control is got.
Experimentation system is set up based on simulation. Experimentation of sewage pumping station based on predictive control with VVVF is carried out. The experimentation result shows that the sewage pumping station predictive control system can be running under the condition of high water level. By using this control mode, inflow sewage is pumped out entirely. The aim of saving power and preventing pollution is achieved.
The question of power waste caused by pumping station sets' illogical running project is proposed. Genetic Algorithm can quickly find the optimized result in global. Using this characteristic to control the pumping station sets' running and stopping can attain the object of saving power. It is also tested in the experiment.
引文
[1] Gasamemlp.-V.-A'Lpz;ol.-G.-A;Ostapenko,-V,-V;Protasov,-I.-V "Planning the operational modes of a pumping station in irrigation systems using an automatic control system" Automation of The control of industrial plants (Russian),pp.35-48,102
[2] Sabbagh,E.;Sinai,G "Model for optimal real-time computer control of pumping stations in irrigation systems" Computers and Electronics in Agriculture v3 n 2 Nov 1988 p 119-133
[3] Shaheen-HQ "Municipal Waste-Water Characeristics at Irtah pumping Station in the Tulkarem City" Water Science And Technology 2000 Vol42,Iss1-2,p337-340
[4] uri A.Ermolin " Mathematical modeling for optimized control of Moscow's sewer network"Applied Mathematical Modeling 23 (1999)543-556
[5] Kwon,T.M and Zervakis,M.E (1994),A Self-Onganizing KNN Fuzzy Controller and Its Neural Networks Structure Int.J.Adaptive Control And Singal Processing. Vol.8,pp.407～431
[6] Leung F.H.F, et al;"On Fuzzy Model Reference Adaptive Control System Full State Feedback and Output Feedback",IEEE International Symposium On Circuits and Systems ,Vol, 1,1997,pp.665-668
[7] Yagi-s shiba-s "Application of Genetic Algorithms and Fuzzy Control to a Combined Sewer Station "Water Science And Technology 1999,Vol39,Iss9,pp217-224
[8] wang L X Fuzzy systems are universal approximators In: Proc IEEE Conf on Fuzzy Systems. San Diego 1992,1163-1170.
[9] Wang L X,, Mendel J M.Back-propagation fuzzy system as nonlinear dynamic system identifiers. In: Proc IEEE Int Conf on Fuzzy Systems. San Diego, 1992 1409-1418
[10] Wang L X, Mendel J M.Fuzzy basis functions,universal approximation and orthogonal least squares learning.IEEE Trans on Neural Networks, 1992,3(5);807-814;
[11] Hsu-MH Chen-SH Chang-TJ "Inundation Simulation for Urban Drainage-Basin with Storm-Sewr System"Journal Of Hydrology 2000,Vol 234,Iss1-2 pp21-37
[12] N. Sigrimis, K. G. Arvanitis "Hydroponics water management using adaptive scheduling with an on-line optimizer." Computer and electronics in agriculture 2001 (31), 31-46
[13] P. C.TAN.K.P.DABKE "Modelling and Control of Sewer Flow for Reduced Cost Operation of a Sewage Pumping Station" IEEE TRANSACTION ON SYSTENS,MAN,AND CYBERNATICS, 1988, 18:807-813.
[14] M. Elbelkacemi, A. Lachhab "Adaptive control of a water supply system" Control engineering practice, 2001,(9), 343-349
[15] Andre Pomerleau, Daniel Hodouin "A survey of grinding circuit control method: form decentralized PID controllers to multivariable predictive controllers", Power Technology. 2000,
(108),103-115
[16] R. M Jaluta, W. M. Elkhatib "Performance characteristic of a cyclically operated seawater desalination plant in Tajoura Libya" Desalination 1998,(119), 23-24
[17] M. H. Hsu, S. H. Chen "Inundation simulation for urban drainage basin with storm sewer system" Journal of Hydrology. 2000,(234),21-37
[18] Stanley R. Shilling "Electrical transient stability and underfrequency load shedding analysis for a large pump station" IEEE Transactions on Industry Application 1997, 33, No. 1
[19] R. Pickhardt "Nonlinear modeling and adaptive predictive control of a solar power plant" Control engineering Practice 2000,(8), 937-947
[20] G. El-Saddy, M. Z. El-Sadek "Fuzzy adaptive model reference approach-based power system static VAR stabilizer" Electric Power System Research 1998,(45), 1-11
[21] 王兴成 郑紫薇 贾欣乐 模糊遗传算法及其应用研究计算机技术与自动化2000 19(2)5—9
[22] 王宏伦、吕庆凤 基于遗传算法的自学习模糊逻辑系统 控制与决策 vol 15，6 2000 658—661
[23] 汪雄海、张龙等 污水泵站变频调速排水节电控制 电气自动化 2000(6)53—55
[24] 徐国忠、诸静 单片机模糊控制恒压供水系统的研究 微电子学与计算机 1998 4 8—12
[25] 刘镇、李程远 用遗传算法优化模糊控制规则 贵州工业大学学报 1999 28(5)7—11
[26] 卢红光、李平 基于遗传算法的模糊控制器设计 自动化与仪器仪表2000 4 8-9
[27] 徐辉等 大型污水泵站调速机组优化运行分析 河海火学学报 vol 26，1 1998 15-18
[28] 孙椿年 采用模糊控制的合流污水泵站的自动化运行 下水道协会志(译自日文)1992 29(347)55—62
[29] 汪雄海、张龙 污水泵站系统的最优控制策略 浙江大学学报 (工学板)2002(36) 718-721
[30] 汪雄海 PLC在远程泵站水位控制系统中的应用 电气自动化，1991(6)
[31] 刘革辉等 Matlab软件Fuzzy Logic工具箱在模糊控制系统仿真的应用 计算机仿真 2000 9 17 69—72
[32] 汪雄海、张龙 污水泵站模糊自学习控制系统 电工技术学报 2002 (17) 101-104
[33] 杨杰、郭英凯、杨勇 基于计算智能的模糊规则自动生成 上海交通大学学报 1999 33(11) 1409—1411
[34] 高山、单达渊 遗传算法搜索优化及其在机组启停中的应用 中国电机工程学报 2001
40—48
[35] 黄晓峰、潘立登、陈标华等，实数编码遗传算法中交叉的效率分析。控制与决策，1998，13：496—499
[36] 张晓绩，戴冠中，徐乃平。遗传算法种群多样性的分析研究．控制理论与应用，1998，15(1)：17—22
[37] 刘广萍、关汉杰 遗传算法在模糊控制器参数寻优的应用 哈尔滨建筑大学学报 2000 33(3) 78—81
[38] 李孝安、张晓贵等。基于遗传算法的PID控制参数寻优方法及应用[C]，中国自动化学会十届青年学术年会论文集．1994，304—307
[39] 张晓贵、戴冠中、徐乃平。遗传算法在抽取和过滤模糊控制规则的应用研究[J]。控制理论与应用 1998，15(3)：379—384
[40] 羊寿生 徐建初 上海合流污水出口泵站运行的自动控制 给水排水 1997 (23) 5—8
[41] 窦春霞 基于混沌神经网络模型的模糊控制预测及应用 系统仿真学报 2002 14(10) 1372-1375
[42] 顾鲍超 李堂发 污水泵站控制策略 西南给排水 2001 23(3) 23-25
[43] 陈毓陵 徐辉 大型污水泵站节能途径研究 水泵技术 2000，(4)．17-21
[44] 王家松 污水提升泵变频调速的非线性控制系统 中国给水排水 2000 16 7—8
[45] 李永伟 韩金舫 工业过程预测—模糊控制 河北省科学院学报 2001，18(3)．167-170
[46] 曾振华 通用型模糊控制器的仿真 计算机仿真 1997 14(3) 10—15
[47] 李士勇 Fuzzy-PID复合控制的数字仿真 计算机仿真 1998 NO．2
[48] 涂健 控制系统的数字仿真与计算机辅助设计 华中工学院出版社 1985
[49] 朱予东等 基于专家规则的模糊控制器仿真研究 华北电力大学学报 2000 27(4) 29—34
[50] 陆桂明等 Fuzzy控制器的设计与仿真计算 华北水利水电学院学报 1996 17(4) 66—75
[51] 刘广萍 步进电机控制系统及其模糊控制算法研究[D] 哈尔滨：哈尔滨建筑大学 1999
[52] 王攀等 一种适用于复杂系统的智能控制新算法及其仿真研究 信息与控制 2001 30(3) 244—248
[53] 王攀等 定性定量相结合的自适应模糊控制新算法研究 系统工程与电子技术 1998 20(11) 55-57
[54] 孙东卫 周立峰 预测模糊控制在渠道系统中的应用 现代电子技术 2002，87(4)．82-84
[55] 李江 神经—模糊预测控制算法及研究 浙江大学学报(工学板) 2002，36(2)．123-126
[56] 沈国珍 基于简化模糊模型的广义预测控制器 机电工程 2002，19(4)．43-45
[57] 许敏 李少远 广义预测控制的算法及其应用 系统工程与电子技术 2002，24(7)．82-86
[58] 杜晓宁 席裕庚 预测控制优化变量的集结策略 控制与决策 2002，17(5)．563-566
[59] 方千山 王永初 基于神经网络的模糊预测控制及其应用 自动化仪表 2002，23(8)．11-13
[60] 王军平 敬忠良 Fuzzy-Gray预测控制算法及应用 系统工程理论与实践 2002，22(8)．132-135
[2] Sabbagh,E.;Sinai,G "Model for optimal real-time computer control of pumping stations in irrigation systems" Computers and Electronics in Agriculture v3 n 2 Nov 1988 p 119-133
[3] Shaheen-HQ "Municipal Waste-Water Characeristics at Irtah pumping Station in the Tulkarem City" Water Science And Technology 2000 Vol42,Iss1-2,p337-340
[4] uri A.Ermolin " Mathematical modeling for optimized control of Moscow's sewer network"Applied Mathematical Modeling 23 (1999)543-556
[5] Kwon,T.M and Zervakis,M.E (1994),A Self-Onganizing KNN Fuzzy Controller and Its Neural Networks Structure Int.J.Adaptive Control And Singal Processing. Vol.8,pp.407～431
[6] Leung F.H.F, et al;"On Fuzzy Model Reference Adaptive Control System Full State Feedback and Output Feedback",IEEE International Symposium On Circuits and Systems ,Vol, 1,1997,pp.665-668
[7] Yagi-s shiba-s "Application of Genetic Algorithms and Fuzzy Control to a Combined Sewer Station "Water Science And Technology 1999,Vol39,Iss9,pp217-224
[8] wang L X Fuzzy systems are universal approximators In: Proc IEEE Conf on Fuzzy Systems. San Diego 1992,1163-1170.
[9] Wang L X,, Mendel J M.Back-propagation fuzzy system as nonlinear dynamic system identifiers. In: Proc IEEE Int Conf on Fuzzy Systems. San Diego, 1992 1409-1418
[10] Wang L X, Mendel J M.Fuzzy basis functions,universal approximation and orthogonal least squares learning.IEEE Trans on Neural Networks, 1992,3(5);807-814;
[11] Hsu-MH Chen-SH Chang-TJ "Inundation Simulation for Urban Drainage-Basin with Storm-Sewr System"Journal Of Hydrology 2000,Vol 234,Iss1-2 pp21-37
[12] N. Sigrimis, K. G. Arvanitis "Hydroponics water management using adaptive scheduling with an on-line optimizer." Computer and electronics in agriculture 2001 (31), 31-46
[13] P. C.TAN.K.P.DABKE "Modelling and Control of Sewer Flow for Reduced Cost Operation of a Sewage Pumping Station" IEEE TRANSACTION ON SYSTENS,MAN,AND CYBERNATICS, 1988, 18:807-813.
[14] M. Elbelkacemi, A. Lachhab "Adaptive control of a water supply system" Control engineering practice, 2001,(9), 343-349
[15] Andre Pomerleau, Daniel Hodouin "A survey of grinding circuit control method: form decentralized PID controllers to multivariable predictive controllers", Power Technology. 2000,
(108),103-115
[16] R. M Jaluta, W. M. Elkhatib "Performance characteristic of a cyclically operated seawater desalination plant in Tajoura Libya" Desalination 1998,(119), 23-24
[17] M. H. Hsu, S. H. Chen "Inundation simulation for urban drainage basin with storm sewer system" Journal of Hydrology. 2000,(234),21-37
[18] Stanley R. Shilling "Electrical transient stability and underfrequency load shedding analysis for a large pump station" IEEE Transactions on Industry Application 1997, 33, No. 1
[19] R. Pickhardt "Nonlinear modeling and adaptive predictive control of a solar power plant" Control engineering Practice 2000,(8), 937-947
[20] G. El-Saddy, M. Z. El-Sadek "Fuzzy adaptive model reference approach-based power system static VAR stabilizer" Electric Power System Research 1998,(45), 1-11
[21] 王兴成 郑紫薇 贾欣乐 模糊遗传算法及其应用研究计算机技术与自动化2000 19(2)5—9
[22] 王宏伦、吕庆凤 基于遗传算法的自学习模糊逻辑系统 控制与决策 vol 15，6 2000 658—661
[23] 汪雄海、张龙等 污水泵站变频调速排水节电控制 电气自动化 2000(6)53—55
[24] 徐国忠、诸静 单片机模糊控制恒压供水系统的研究 微电子学与计算机 1998 4 8—12
[25] 刘镇、李程远 用遗传算法优化模糊控制规则 贵州工业大学学报 1999 28(5)7—11
[26] 卢红光、李平 基于遗传算法的模糊控制器设计 自动化与仪器仪表2000 4 8-9
[27] 徐辉等 大型污水泵站调速机组优化运行分析 河海火学学报 vol 26，1 1998 15-18
[28] 孙椿年 采用模糊控制的合流污水泵站的自动化运行 下水道协会志(译自日文)1992 29(347)55—62
[29] 汪雄海、张龙 污水泵站系统的最优控制策略 浙江大学学报 (工学板)2002(36) 718-721
[30] 汪雄海 PLC在远程泵站水位控制系统中的应用 电气自动化，1991(6)
[31] 刘革辉等 Matlab软件Fuzzy Logic工具箱在模糊控制系统仿真的应用 计算机仿真 2000 9 17 69—72
[32] 汪雄海、张龙 污水泵站模糊自学习控制系统 电工技术学报 2002 (17) 101-104
[33] 杨杰、郭英凯、杨勇 基于计算智能的模糊规则自动生成 上海交通大学学报 1999 33(11) 1409—1411
[34] 高山、单达渊 遗传算法搜索优化及其在机组启停中的应用 中国电机工程学报 2001
40—48
[35] 黄晓峰、潘立登、陈标华等，实数编码遗传算法中交叉的效率分析。控制与决策，1998，13：496—499
[36] 张晓绩，戴冠中，徐乃平。遗传算法种群多样性的分析研究．控制理论与应用，1998，15(1)：17—22
[37] 刘广萍、关汉杰 遗传算法在模糊控制器参数寻优的应用 哈尔滨建筑大学学报 2000 33(3) 78—81
[38] 李孝安、张晓贵等。基于遗传算法的PID控制参数寻优方法及应用[C]，中国自动化学会十届青年学术年会论文集．1994，304—307
[39] 张晓贵、戴冠中、徐乃平。遗传算法在抽取和过滤模糊控制规则的应用研究[J]。控制理论与应用 1998，15(3)：379—384
[40] 羊寿生 徐建初 上海合流污水出口泵站运行的自动控制 给水排水 1997 (23) 5—8
[41] 窦春霞 基于混沌神经网络模型的模糊控制预测及应用 系统仿真学报 2002 14(10) 1372-1375
[42] 顾鲍超 李堂发 污水泵站控制策略 西南给排水 2001 23(3) 23-25
[43] 陈毓陵 徐辉 大型污水泵站节能途径研究 水泵技术 2000，(4)．17-21
[44] 王家松 污水提升泵变频调速的非线性控制系统 中国给水排水 2000 16 7—8
[45] 李永伟 韩金舫 工业过程预测—模糊控制 河北省科学院学报 2001，18(3)．167-170
[46] 曾振华 通用型模糊控制器的仿真 计算机仿真 1997 14(3) 10—15
[47] 李士勇 Fuzzy-PID复合控制的数字仿真 计算机仿真 1998 NO．2
[48] 涂健 控制系统的数字仿真与计算机辅助设计 华中工学院出版社 1985
[49] 朱予东等 基于专家规则的模糊控制器仿真研究 华北电力大学学报 2000 27(4) 29—34
[50] 陆桂明等 Fuzzy控制器的设计与仿真计算 华北水利水电学院学报 1996 17(4) 66—75
[51] 刘广萍 步进电机控制系统及其模糊控制算法研究[D] 哈尔滨：哈尔滨建筑大学 1999
[52] 王攀等 一种适用于复杂系统的智能控制新算法及其仿真研究 信息与控制 2001 30(3) 244—248
[53] 王攀等 定性定量相结合的自适应模糊控制新算法研究 系统工程与电子技术 1998 20(11) 55-57
[54] 孙东卫 周立峰 预测模糊控制在渠道系统中的应用 现代电子技术 2002，87(4)．82-84
[55] 李江 神经—模糊预测控制算法及研究 浙江大学学报(工学板) 2002，36(2)．123-126
[56] 沈国珍 基于简化模糊模型的广义预测控制器 机电工程 2002，19(4)．43-45
[57] 许敏 李少远 广义预测控制的算法及其应用 系统工程与电子技术 2002，24(7)．82-86
[58] 杜晓宁 席裕庚 预测控制优化变量的集结策略 控制与决策 2002，17(5)．563-566
[59] 方千山 王永初 基于神经网络的模糊预测控制及其应用 自动化仪表 2002，23(8)．11-13
[60] 王军平 敬忠良 Fuzzy-Gray预测控制算法及应用 系统工程理论与实践 2002，22(8)．132-135