第23卷第2期哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Vol. 23 No.22007年4月Journal of Harbin University of Commerce ( Natural Sciences Edition )Apr.2007城市污水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制技術(shù)趙晨紅彭永臻魏齊(北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100022 )摘要回顧了城市污水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制技術(shù)在世界各國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展;闡述了城市污水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的概念并對(duì)相關(guān)專業(yè)術(shù)語(yǔ)做出精確定義介紹了城市污水系統(tǒng)中常用的傳感器、執(zhí)行器、控制器;總結(jié)了決定控制策略的控制設(shè)備、控制目標(biāo)和控制方法對(duì)控制類型進(jìn)行了分類介紹了對(duì)一個(gè)給定系統(tǒng)如何建立控制程序的方法論對(duì)城市污水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制技術(shù)未來(lái)的發(fā)展作了展望.關(guān)鍵詞城市污水系統(tǒng);實(shí)時(shí)控制;傳感器;執(zhí)行器;控制器;控制程序中圖分類號(hào):X701文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào):1672 - 0946( 2007 )02 -0158 -04Study on real time control of urban wastewater systemsZHAO Chen-hong , PENG Yong-zhen , WEI Qi .( Key Laboratory of Beijing W ater Quality Science and W ater EnvironmentRecovery , Bejjing University of Technology , Beijing 100022 , China )Abstract : This paper presents a review of the application and development of real time con-trol ( RTC ) of urban wastewater systems in the world. The concept of RTC of urbanwastewater systems and some concise definitions of terms are outlined. Main sensors , actua-tors , controllers used in urban wastewater systems are introduced. Some of the measures andobjectives of control as well as methods that can be applied to determine control strategies aresummarized. Control types are classified. Methodologies of how to derive a control procedurefor a given system are put forward.Key words lrban wastewater system ; real time control ;sensor ; actuator ; controller ; controlprocedure在過(guò)去的30年中,國(guó)外的學(xué)者針對(duì)如何實(shí)RTC系統(tǒng)”現(xiàn)在正在籌備完成集成控制系統(tǒng)”.現(xiàn)城市污水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制( Real Time Control ,以在歐洲,RTC項(xiàng)目的建設(shè)要稍落后于北美但也在下簡(jiǎn)稱RTC)和根據(jù)污水系統(tǒng)改善了的特性和效1980年之后在法國(guó)的巴黎等8個(gè)主要城市、德國(guó)率評(píng)價(jià)RTC潛在的益處”,已進(jìn)行過(guò)多次研的漢堡等7個(gè)城市陸續(xù)將RTC技術(shù)應(yīng)用于當(dāng)?shù)鼐?-6]并對(duì)北美和歐洲各國(guó)的多個(gè)城市污水系的城市污水系統(tǒng)中.此外瑞典、瑞士、丹麥、奧地利統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用了實(shí)時(shí)控制技術(shù).自20世紀(jì)70年代等國(guó)家的主要城市目前也紛紛將RTC系統(tǒng)的建設(shè)起美國(guó)的芝加哥等9個(gè)城市就開始積極籌建城市列入市政建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)劃之中.通過(guò)RTC系統(tǒng)在污水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制項(xiàng)目而在加拿大蒙特利爾市,品實(shí)踐中的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)對(duì)城市污水系統(tǒng)也于20世紀(jì)80年代早期建成了污水系統(tǒng)的局部進(jìn)MH中國(guó)煤化工的可以改善整個(gè)城控制站從1999年開始又運(yùn)行了”全局最優(yōu)預(yù)測(cè)市CNM H G廠的出水乃至受納水收稿日期2006 -04 - 10.資助項(xiàng)目”: 863計(jì)劃”國(guó)家重:大科技專項(xiàng)項(xiàng)目C 2004AA601020 )作者簡(jiǎn)介趙晨紅( 1974- )博士教師研究方向污水的生物處理及其智能控制.第2期趙晨紅等城市污水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制技術(shù)159.體的水質(zhì)大大節(jié)省了污水管道系統(tǒng)基建投資和污量槽、 超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)等.水廠運(yùn)行、維護(hù)管理費(fèi)用.因此對(duì)其開展廣泛而深水質(zhì)測(cè)量?jī)x如測(cè)有機(jī)污染物TOC、易生物降人的研究有著十分深遠(yuǎn)的意義.解COD )的傳感器、測(cè)營(yíng)養(yǎng)物(總氮、氨氮NO3 -、P )的傳感器、測(cè)生物量(濁度或呼吸量)的傳感器、1城市污水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制技術(shù)測(cè)毒性(借助呼吸儀)的傳感器等1.1城市污水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的概念和控制回路這些傳感器能提供高價(jià)值信息但同時(shí)對(duì)它們Manfred Schitze等人7首次明確提出城市污的運(yùn)行和維護(hù)能力也提出較高的要求.實(shí)際工程中水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制概念并對(duì)有關(guān)專業(yè)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了經(jīng)常使用更簡(jiǎn)單卻更堅(jiān)固耐用的設(shè)備去代替真實(shí)定義,便于在RTC系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中與其相變量的測(cè)量包括測(cè)定pH值電導(dǎo)率、ORP、UV和關(guān)的不同學(xué)科領(lǐng)域的專家和學(xué)者能夠更好地合作.IR吸光度的傳感器.這樣就需要?jiǎng)?chuàng)造翻譯單元”對(duì)一個(gè)城市污水系統(tǒng),假如在污水流動(dòng)過(guò)程將原傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成所需求的信息.中,過(guò)程變量(如水位流量、污染物濃度等)被監(jiān)1.3城市污水系統(tǒng)中的執(zhí)行器測(cè),同時(shí)執(zhí)行器在運(yùn)行就認(rèn)為該系統(tǒng)在受實(shí)時(shí)控城市污水系統(tǒng)中經(jīng)常使用的執(zhí)行器主要包括:制.其過(guò)程控制可通過(guò)圖1所示的控制回路原理圖泵(軸流泵或螺旋泵)恒速或變速的;表示.該控制回路通過(guò)硬件部分實(shí)現(xiàn)各硬件及其閥門I(閘閥輻向或滑動(dòng)的);所起作用是:①傳感器一監(jiān)測(cè)過(guò)程發(fā)展;②執(zhí)行溢流堰(溢水孔或排水孔) ,如對(duì)合流制污水器一-影響過(guò)程發(fā)展③控制器一調(diào)整執(zhí)行器,使被管道要采取溢流措施 ;控制的過(guò)程變量取得離設(shè)定點(diǎn)的最小偏差值④數(shù)曝氣設(shè)備是大部分污水處理廠最基本和決定據(jù)傳輸系統(tǒng)一在不同的設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù).運(yùn)行費(fèi)用的設(shè)備氧氣對(duì)C0D、氨氮等污染物質(zhì)的生物去除過(guò)程是必須的;化學(xué)投加設(shè)備如向池子中投加碳源以提高反也一十過(guò)程心一→硝化作用、投堿以促進(jìn)硝化過(guò)程的進(jìn)行、投加聚合物以提高生物絮凝體的沉降作用等等.過(guò)1.4城市污水系統(tǒng)中的控制器執(zhí)行器前面所定義的控制回路是任何實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的基本要素.在反饋回路控制中根據(jù)控制過(guò)程離設(shè)定點(diǎn)的測(cè)量偏差執(zhí)行命令.如果沒(méi)有偏差,反饋控制器控制器不執(zhí)行命令.前饋控制器使用過(guò)程模型預(yù)測(cè)這些偏差的立即未來(lái)值,它提前激活控制避免偏差.反饋-前饋控制器是這2種類型控制器的結(jié)合.設(shè)定值用于連續(xù)變量執(zhí)行器設(shè)定值的標(biāo)準(zhǔn)控制器是”比例積分微商PID -控制器”(它的簡(jiǎn)化是P、PI圖1前饋( 干擾測(cè)量)和反饋(過(guò)程測(cè)量)或PD ).它給執(zhí)行器的信號(hào)是測(cè)量變量和設(shè)定點(diǎn)之控制回路間的差別函數(shù).假如控制器沒(méi)有配備自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)1.2城市污水系統(tǒng)中的傳感器備則此函數(shù)中的參數(shù)必須被校準(zhǔn).一般經(jīng)微分方城市污水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制對(duì)傳感器提出很嚴(yán)程分析、實(shí)際或模擬實(shí)驗(yàn)完成校準(zhǔn).格的要求如測(cè)量的準(zhǔn)確性、可靠性、適合連續(xù)記錄兩點(diǎn)控制或開/關(guān)控制是離散控制方式中最簡(jiǎn)和遠(yuǎn)程傳輸?shù)?城市污水系統(tǒng)中經(jīng)常使用的傳感器單和應(yīng)用最多的一-種.它只有2個(gè)位置打開/關(guān)如下.閉.以水泵兩點(diǎn)控制池子的進(jìn)水為例泵在低液位雨量器(表) ,如稱量表、傾卸桶、雨點(diǎn)計(jì)數(shù)器下中國(guó)煤化工液位之間的地帶是不等雨量的測(cè)量也可通過(guò)氣象雷達(dá)進(jìn)行短期下雨預(yù)工仆| YHCNMH在堰等執(zhí)行器的控制經(jīng)測(cè)得到.常用到三點(diǎn)控制器.在控制器的中間位置輸出信水準(zhǔn)儀(用于液位測(cè)量)如浮子式比重計(jì)、擴(kuò)號(hào)保持它以前的狀態(tài),在其他2個(gè)位置分別假定散器、壓力傳感器、聲音傳感器等.是最大或最小. .流量計(jì)如轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪式流量計(jì)、靶式計(jì)近年來(lái)數(shù)字可編程邏輯控制器( PLC )已代替160哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第23卷了模擬控制器PLC對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào)功能時(shí)可采用集成控制.集成控制是污水管道系統(tǒng)和包括采集測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)處理檢查狀態(tài)功能和極污水處理廠(也可能有受納水體)的同時(shí)和協(xié)調(diào)控限,暫時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制行為計(jì)算從中心臺(tái)接收或制.這種控制便于定量和定性分析廢水控制受納報(bào)告數(shù)據(jù)等.在控制房間中監(jiān)控控制和數(shù)據(jù)采集水體的環(huán)境條件.集成控制包括兩方面:目標(biāo)集成系統(tǒng)處理所有輸人和輸出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸可通過(guò)和信息集成.目標(biāo)集成是指- -個(gè)子系統(tǒng)的控制目標(biāo)專用電話線、無(wú)線通訊系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或衛(wèi)星通訊是建立在其他子系統(tǒng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上比如,在設(shè)備實(shí)現(xiàn).污水管道系統(tǒng)中泵的運(yùn)行要考慮使得受納水體中氧的消耗取得最小值.信息集成是指一-個(gè)子系統(tǒng)采2城市污水系統(tǒng)的控制要素用的控制決定可能是建立在其它子系統(tǒng)狀態(tài)信息城市污水系統(tǒng)作為一個(gè)城市的市政基礎(chǔ)設(shè)施，的基礎(chǔ)上比如,在污水管道系統(tǒng)中泵的運(yùn)行要考是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng),由污水管道、污水處理廠和慮建立在污水處理廠的進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上.受納水體三個(gè)子系統(tǒng)組成.對(duì)城市污水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)4建立控制程序的方法論控制不僅要考慮污水管道系統(tǒng)而且要考慮污水處理廠和受納水體.表1對(duì)決定城市污水系統(tǒng)控制策當(dāng)開發(fā)一個(gè)城市污水實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)時(shí)核心任略的控制設(shè)備、控制目標(biāo)和控制方法作了總結(jié)8].務(wù)就是要建立正確的控制程序.控制程序也稱控表1城市污水系統(tǒng)的控制要素制算法”或控制策略”,這里是指在RTC系統(tǒng)中所有執(zhí)行器設(shè)定點(diǎn)的時(shí)間順序.控制程序可由判子系統(tǒng)設(shè)備目標(biāo)方法泵預(yù)防洪水直觀推斷決矩陣”表示矩陣中的每一一個(gè)元素代表對(duì)給定的污水管溢流口減少溢流頻率體積負(fù)荷)自學(xué)習(xí)專家系統(tǒng)狀態(tài)變量和輸入變量而必須執(zhí)行的控制行為判決道系統(tǒng)閥門矩陣使控制程序能夠快速地在線執(zhí)行.判決矩陣也污水處溢流堰 閥門維持出水標(biāo)準(zhǔn)在線最優(yōu)化可以簡(jiǎn)化成判決樹”是- -套ifthen-else" 語(yǔ)句.里廠回流污泥泵過(guò)程維持基于模型控制開發(fā)控制程序的最常用的方法是人工試錯(cuò)方剩余污泥泵污泥容積取得最小控制理論的應(yīng)用法是在系統(tǒng)模擬模型基礎(chǔ).上建立-一個(gè)迭代程序,曝氣設(shè)備取得最低的費(fèi)用內(nèi)回流泵然后通過(guò)評(píng)價(jià)一些模擬運(yùn)行的結(jié)果、測(cè)試一些策略不斷地進(jìn)行試算來(lái)改善得到的程序,直到建立受納水溢水口改善水質(zhì)體洪水防護(hù)最優(yōu)程序?yàn)橹?應(yīng)用此方法對(duì)污水管道系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,溢流體積減少的上界很容易靠模擬得到4].3城市污水系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的類型此外數(shù)學(xué)最優(yōu)化方法也已被成功地應(yīng)用于控RTC的控制類型根據(jù)自動(dòng)化程度可分為手動(dòng)制程序的開發(fā).最優(yōu)化方法又可分為在線最優(yōu)化和的、監(jiān)控的和自動(dòng)的三類.手動(dòng)的指系統(tǒng)的執(zhí)行器脫機(jī)最優(yōu)化兩種.在線最優(yōu)化方法是建立-一個(gè)在線由操作員調(diào)節(jié);監(jiān)控的指執(zhí)行器由自動(dòng)控制器操模擬模型對(duì)其執(zhí)行在線校正被校正的模型能夠作其中的設(shè)定值由操作員或監(jiān)控系統(tǒng)指定自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)并對(duì)系統(tǒng)的未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)是指由控制器以完全自動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)控制.測(cè).計(jì)算時(shí)間在此方法中是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題取決于RTC的控制類型根據(jù)控制范圍可分為3類局所使用模型的復(fù)雜性.大量潛在的不同控制行為和部控制、全局控制和集成控制.假如過(guò)程測(cè)量是在它們對(duì)污水系統(tǒng)的影響要求在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)被執(zhí)行器所在地點(diǎn)直接進(jìn)行而不是在- -個(gè)控制房間評(píng)價(jià)所以在線方法要求對(duì)城市污水系統(tǒng)及其相關(guān)中遠(yuǎn)程操作則認(rèn)為該系統(tǒng)是在局部控制水平下運(yùn)過(guò)程的描述充分詳細(xì)卻足以簡(jiǎn)單為了最大限度的行.通常系統(tǒng)在只有一個(gè)執(zhí)行器的情況下采用局部降低計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間,有必要對(duì)系統(tǒng)描述進(jìn)行簡(jiǎn)控制.如果系統(tǒng)比較復(fù)雜要求2個(gè)或2個(gè)以上的化MH中國(guó)煤化工化方法中可以克服以執(zhí)行器必須聯(lián)合運(yùn)行這時(shí)采用全局控制即傳感上門CNMHG進(jìn)行很詳盡的系統(tǒng)描器與位于系統(tǒng)其它地點(diǎn)的執(zhí)行器相互傳遞數(shù)據(jù)由.述可以評(píng)價(jià)在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)的控制行為和它們中央控制房間接收所有局部傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)以對(duì)污水 系統(tǒng)的影響.模型可以相當(dāng)復(fù)雜不必考慮-種協(xié)調(diào)的方式在中心控制執(zhí)行器的運(yùn)行.當(dāng)局部計(jì)算時(shí)間問(wèn)題.控制和全局控制都不能改善城市污水系統(tǒng)的特性線性化是對(duì)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)特性的嚴(yán)格簡(jiǎn)化當(dāng)?shù)?期趙晨紅等城市污水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制技術(shù)161.系統(tǒng)在污水處理廠和受納水體中包括復(fù)雜的過(guò)程.量系統(tǒng)、執(zhí)行器)軟件應(yīng)用(開發(fā)新的控制策略和時(shí)線性化提供的控制策略在理論.上是最優(yōu)的,但.程序)建模方法、最優(yōu)化技術(shù)方面仍有待進(jìn)- - 步在實(shí)際中卻是次最優(yōu)的.為此,Wolfgang Rauch 9提高和改進(jìn)以不斷增強(qiáng)其安全性、可靠性、適應(yīng)性等人開發(fā)出將遺傳算法作為城市污水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和靈活性使其逐步走向成熟和完善.控制的最優(yōu)程序此方法可直接根據(jù)水質(zhì)參數(shù)而使國(guó)內(nèi)關(guān)于城市污水系統(tǒng)RTC技術(shù)的應(yīng)用雖尚系統(tǒng)最優(yōu)是一種非線性模型預(yù)測(cè)控制的脫機(jī)應(yīng)未見(jiàn)報(bào)道但隨著我們國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)用.系統(tǒng)的流動(dòng)規(guī)則的最優(yōu)時(shí)間順序由有各種約束展掌握水處理、計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)控制等綜合學(xué)條件的目標(biāo)函數(shù)的最大值或最小值確定.例如受科知識(shí)的復(fù)合型人才不斷地壯大相信RTC系統(tǒng)納水體缺氧對(duì)水生生物和生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)的有害影在我國(guó)污水處理界未來(lái)的應(yīng)用具有光明的前景和響取決于溶解氧濃度和在該濃度下持續(xù)的時(shí)間.生無(wú)限的潛力.物處于恒定的、對(duì)其有害的較低溶解氧濃度的環(huán)境參考文獻(xiàn):中的時(shí)間越短其死亡率越低.此問(wèn)題轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)最優(yōu)問(wèn)題就成為:限定持續(xù)時(shí)間為約束條件,目標(biāo)[ 1 ] SCHILING W. Real - Time Control of Urban Drainage Systems是確定溶解氧的最小值.對(duì)特定河流斷面i在時(shí)刻[ C]/ The State -of - the - ar. IAWPRC Task Group on RealTime Control of Urban Drainage System , London , 1989.t時(shí)的氧氣平均濃度為DO,;這里DO,;=[ DO( t)[2] SCHILLING W. Smart sewer systems improved performance by+D0(1-1 )+...D0,(1-h+1 )]/h其中i(i=1 ,real time contro[J] Eur. Water Pollut Control. 1994 ,4( 5):... NS )表示河流斷面的空間離散化,NS表示河流24 -31.斷面的數(shù)量k表示在離散時(shí)間階躍中相應(yīng)的持續(xù)[3] CAMPISANO A ,MODICAC. Moderm technologies for real time時(shí)間長(zhǎng)度1處于[ to +k-1 1o0 + T, ]時(shí)間間隔中.control of wastewater system[ C ]// Proceedings of 16th Europe-an Junior Scientist w orkshop Real Time Control and Measure-因而最優(yōu)問(wèn)題就成為:求目標(biāo)函數(shù)Z=minimumment in Urban Drainage Systems ，Valle dei Margi ，Gram-. [ DO,; ]YS ]oth- 1的最小值.michele , Catania , Italy ,7 - 10 Novermber 2002.[4] EINFALT T , STOLTING B. Real - time control for two commu-5結(jié)語(yǔ)nities - technical and administrational aspectC[ C ]// Ninth Inter-對(duì)城市污水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制可以減小該系national Conference on Urban Drainage , Portland/Oregon ,USA ,September 2002.統(tǒng)對(duì)環(huán)境的不利影響降低基建和運(yùn)行維護(hù)管理費(fèi)[5] MEIRLAEN J, VAN ASSEL J , VANROLLEGHEM P A. Real用是改善其性能的有益方式.由于RTC系統(tǒng)中設(shè)ime control of the integrated urban wastewater system using sim-備、方法論和工具的巨大改善即使在過(guò)去表現(xiàn)出ultaneously simulating surrogale models[ J ] Water Sci. Tech-不能從RTC獲益的城市污水系統(tǒng)也有了實(shí)時(shí)控制nology. 2002 A5(3) :109-116.的潛力.但仍應(yīng)該看到RTC尚處于發(fā)展中階段許[6] SCHEER M , NUSCH s. Optimum performance of a sewer andtreatment system by application of real time contro[ C ]// Inter-多知識(shí)空白仍然存在比如在城市污水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)national Conference on Sewer Processes and Networks , Paris ,15和運(yùn)行的水質(zhì)評(píng)價(jià)中水質(zhì)變量和水量變量之間的-17 April 2002.關(guān)系如何等另外由于操作員的水平有限、部門之[7] MANFRED s. Real time control of urban wastewater system -間存在競(jìng)爭(zhēng)和缺乏協(xié)調(diào)、工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的矛where do we stand [ J ] Jourmal of Hydrology , 2004 ,299( 3-盾、污水管道系統(tǒng)和污水處理廠的矛盾等這些因4) 335 - 348.8] DAVID B. Integraing simulation models with a view to optimal素也影響了RTC的發(fā)展.control of urban wastewater system[J] 2005 ,20( 4 ):415 -由于近30年來(lái)計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)在處理容量、人機(jī)對(duì)話界面、可訪問(wèn)性、堅(jiān)固性、可靠性等方[9] WOLFGANG R , POUL H. Geneic algorithms in real time con-面有了飛躍發(fā)展,同時(shí)也促進(jìn)了城市污水系統(tǒng)ol applied to minimize transient pollution from urban wastewaterRTC技術(shù)的發(fā)展但未來(lái)RTC在新硬件技術(shù)(如測(cè)systems.[J]199933(5)1265-1277.中國(guó)煤化工YHCNMHG