专利名称：水厂智能混凝投药控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种供水行业自动加药领域，尤其涉及一种水厂智能混凝投药控制系统及其控制方法。
背景技术：
自来水厂混凝投药工艺过程中，如何根据原水条件(水质、水量)的变化和沉后水浊度的要求合理地确定混凝剂的投加量，实现最优控制，即在保证沉后水水质的前提下使混凝剂的消耗最小，降低制水成本，一直是混凝工艺控制的关键性问题。为此，已有多种方法用于混凝投药自动控制，如烧杯试验法、流量比例投加法、数学模型法、模型滤池法、单因子控制方法等。其中，烧杯试验法具有方便、灵活简单、设备投入少的特点，因而目前在我国的一些水厂(尤其是一些小型水厂)中被广泛采用。这种方法的试验结果只对取样瞬间水质有代表性，确定的混凝剂量存在不连续性和滞后性问题。因此，适宜作为评价混凝剂投量的辅助手段，而不适宜用于混凝投药的在线实时控制。流量比例投加法操作人员根据经验设定单位水体混凝剂的投放量，在原水流量发生变化时，同比例调节投药量，保持单位水体内投药量的恒定。考虑到原水流量发生变化时，混凝剂的混凝效果将发生改变，这使得水处理的混凝过程呈现于水流量密切相关的非线性特征。由于该方法没有考虑混凝过程与原水流量相关的非线性因素，因此在流量发生变化时，出水浊度会出现较大的波动，影响出水水质。数学模型法是以若干原水水质参数(如浊度、PH、水温、碱度等)及水量参数为变量，建立其与投药量之间的相关函数，即数学模型。这种在生产或试验数据基础上以统计分析方法建立起来的模型在实际运行过程中缺乏自学习性、自适应性、对水质的变化适应性差。我国幅员辽阔，各地水质变化大，水源污染日益严重，使这一方法目前只在国内很少几家水厂成功应用。模型滤池法可对混凝剂投加量进行在线连续控制。原理是将水处理系统中加药混合后的原水，引出一部分进入小模型滤池，根据该滤池出水浊度的情况来评价混凝剂投加量是否适宜，由控制系统对投药量自动调节。该方法的模拟性能也是取决于原型(生产系统)与模型(模拟滤池)的相似性。模拟滤池法关于相似性的解释忽略了实际生产系统中反应池、沉淀池的作用，仅考虑滤池同药耗的关系。另外，原水加药后直至经过模拟滤池而得到结果，一般需要10 15min，在原水水质变化较快的情况下该滞后时间对控制的可靠性有一定的影响。单因子控制方法具有简单、可靠、灵活的特点，是目前国内外广泛采用的先进混凝控制方法。这种方法是基于流动电流或透光率脉动检测技术的，其设定值的大小决定了混凝效果。应用实践表明，在整个工艺过程中，如何在各种变化的水质条件下，确定出混凝剂投加量，一直是很难圆满解决的问题。虽然引入串级控制方式可在一定范围内自动调整设定值，但当水质变化超过一定范围时，仍然需要有经验的操作人员依据经验人工修正设定值。此外，还有一些采用各种技术的尝试。如长沙市水厂在1978年试用了按电导率差值控制投药的技术。在80年代后期，由于混凝控制技术没能取得突破，一些引进技术设备、 具有较高自动化程度的水厂，在混凝环节仍采用了按流量比例控制等简易的控制技术，不能随水质变化对投药量进行自动调节，成为水厂控制技术的“瓶颈”。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水厂智能混凝投药控制系统及其控制方法，该控制方法融合了图像分析技术、智能模型分析方法及先进控制技术，以实现混凝投药的智能优化控制。为实现上述目的，所述水厂智能混凝投药控制系统，包括反馈控制器，原水的水质参数为原始信号，沉后水浊度为第一输入信号，所述反馈控制器的输入和输出分别为第一输入信号与水浊度设定值的差值、以及第二输出信号；其特点是所述投药控制系统还包括，前馈单元，所述前馈单元包括彼此顺次连接的水质评价器和前馈控制器，所述水质评价器的输入和输出分别为原始信号和第三输出信号，所述前馈控制器的输入包括原始信号和第三输出信号，前馈控制器的输出为第一输出信号；图像采集处理单元，所述图像采集处理单元包括彼此顺次连接的絮凝体图像采集器和图像处理单元，所述絮凝体图像采集器的输入和输出分别为加药后混合的水和采集到的絮凝体图像，所述图像处理单元的输出为絮凝体的平均等效直径；以及，决策执行单元，所述决策执行单元包括顺次相连的加药量修正器和加药泵电机，所述加药量修正器的输入包括第一输出信号、第二输出信号和絮凝体的平均等效直径，加药量修正器的输出为加药泵电机的旋转频率。优选的是，所述反馈控制器为PID反馈控制器。优选的是，所述前馈控制器包括BP神经网络模块和修正模块，所述修正模块包括人工修正模块和系统修正模块；所述水质评价器分别连接BP神经网络模块、人工修正模块和系统修正模块；所述BP神经网络模块的输入和输出分别为原始信号和第一输出信号。优选的是，所述絮凝体图像采集器包括箱体，以及彼此平行设置于箱体内的LED 组件、漫射板和取样窗，所述漫射板和取样窗之间形成出水通道，一减速水泵将加药后混合的水输送至所述箱体内，所述加药后混合的水经过出水通道排出箱体；并且，所述絮凝体图像采集器还包括一设置于箱体外的反射镜和镜头，所述反射镜和镜头的设置位置需满足 LED组件产生的光线顺次透过漫射板、出水通道的水和取样窗，再经过所述反射镜的反射， 被所述镜头捕捉。优选的是，所述絮凝体图像采集器还包括用于清洁所述漫射板和水样取样窗的清洁刷，所述清洁刷的设置位置需满足该清洁刷在上下移动的过程中，其左右两侧同时接触漫射板和水样取样窗。所述水厂智能混凝投药控制系统的控制方法，包括，反馈控制，在所述反馈控制中，所述第一输入信号与水浊度设定值的差值输入至所述反馈控制器中，反馈控制器采用 PID反馈控制消除所述差值，该反馈控制器的输出为第二输出信号；前馈控制，在所述前馈控制中，原始信号经水质评价器的处理形成水质综合评价指标；若该水质综合评价指标为正常时，所述BP神经网络模块开始学习训练，所述BP神经网络模块的输入和输出分别为原始信号和第一输出信号；若该水质综合评价指标为异常时，根据所述人工修正模块和系统修正模块进行修正；以及，絮凝体图像采集分析方法，所述絮凝体图像采集分析方法为，图像处理单元对絮凝体图像采集器采集到的絮凝体图像进行图像处理、分析和计算，得到絮凝体的平均等效直径；将所述第一输出信号、第二输出信号和絮凝体的平均等效直径分别输入至加药量修正器，加药量修正器的输出为加药泵电机的旋转频率，以对所述加药泵电机进行控制；加药量修正器的修正模型满足
权利要求
1.一种水厂智能混凝投药控制系统，包括反馈控制器，原水的水质参数为原始信号，沉后水浊度为第一输入信号，所述反馈控制器的输入和输出分别为第一输入信号与水浊度设定值的差值、以及第二输出信号；其特征在于所述投药控制系统还包括，前馈单元，所述前馈单元包括彼此顺次连接的水质评价器和前馈控制器，所述水质评价器的输入和输出分别为原始信号和第三输出信号，所述前馈控制器的输入包括原始信号和第三输出信号，前馈控制器的输出为第一输出信号；图像采集处理单元，所述图像采集处理单元包括彼此顺次连接的絮凝体图像采集器和图像处理单元，所述絮凝体图像采集器的输入和输出分别为加药后混合的水和采集到的絮凝体图像，所述图像处理单元的输出为絮凝体的平均等效直径；以及，决策执行单元，所述决策执行单元包括顺次相连的加药量修正器和加药泵电机，所述加药量修正器的输入包括第一输出信号、第二输出信号和絮凝体的平均等效直径，加药量修正器的输出为加药泵电机的旋转频率。
2.根据权利要求1所述的水厂智能混凝投药控制系统，其特征在于所述反馈控制器为PID反馈控制器。
3.根据权利要求1所述的水厂智能混凝投药控制系统，其特征在于所述前馈控制器包括BP神经网络模块和修正模块，所述修正模块包括人工修正模块和系统修正模块；所述水质评价器分别连接BP神经网络模块、人工修正模块和系统修正模块；所述BP神经网络模块的输入和输出分别为原始信号和第一输出信号。
4.根据权利要求1所述的水厂智能混凝投药控制系统，其特征在于所述絮凝体图像采集器包括箱体，以及彼此平行设置于箱体内的LED组件、漫射板和取样窗，所述漫射板和取样窗之间形成出水通道，一减速水泵将加药后混合的水输送至所述箱体内，所述加药后混合的水经过出水通道排出箱体；并且，所述絮凝体图像采集器还包括一设置于箱体外的反射镜和镜头，所述反射镜和镜头的设置位置需满足LED组件产生的光线顺次透过漫射板、出水通道的水和取样窗，再经过所述反射镜的反射，被所述镜头捕捉。
5.根据权利要求4所述的水厂智能混凝投药控制系统，其特征在于所述絮凝体图像采集器还包括用于清洁所述漫射板和水样取样窗的清洁刷，所述清洁刷的设置位置需满足该清洁刷在上下移动的过程中，其左右两侧同时接触漫射板和水样取样窗。
6.根据权利要求1所述的水厂智能混凝投药控制系统的控制方法，其特征在于所述前馈控制器包括BP神经网络模块和修正模块，所述修正模块包括人工修正模块和系统修正模块；所述水质评价器分别连接BP神经网络模块、人工修正模块和系统修正模块；所述控制方法包括，反馈控制，在所述反馈控制中，所述第一输入信号与水浊度设定值的差值输入至所述反馈控制器中，反馈控制器采用PID反馈控制消除所述差值，该反馈控制器的输出为第二输出信号；前馈控制，在所述前馈控制中，原始信号经水质评价器的处理形成水质综合评价指标； 若该水质综合评价指标为正常时，所述BP神经网络模块开始学习训练，所述BP神经网络模块的输入和输出分别为原始信号和第一输出信号；若该水质综合评价指标为异常时，根据所述人工修正模块和系统修正模块进行修正；以及，絮凝体图像采集分析方法，所述絮凝体图像采集分析方法为，图像处理单元对絮凝体图像采集器采集到的絮凝体图像进行图像处理、分析和计算，得到絮凝体的平均等效直径；将所述第一输出信号、第二输出信号和絮凝体的平均等效直径分别输入至加药量修正器，加药量修正器的输出为加药泵电机的旋转频率，以对所述加药泵电机进行控制；加药量修正器的修正模型满足= 143.6 + 23.154^ + 0.322f/2 + 14.682Φ - 2.8735 * 10"3 U；35 -1.642*10—2f/22 -1.687φ2 其中，fm代表加药泵电机的旋转频率^代表第一输出信号；U2代表第二输出信号；石代表絮凝体的平均等效直径。
7.根据权利要求6所述的水厂智能混凝投药控制系统的控制方法，其特征在于所述图像处理单元对絮凝体图像采集器采集到的絮凝体图像进行图像处理、分析和计算的方法包括，步骤一对采集到的絮凝体图像进行反相处理； 步骤二 对反相之后的图像进行Top-hat变换，使图像的亮度均勻化； 步骤三采用二维Otsu分割方法对变换后的图像执行阈值分割； 步骤四对阈值分割后的图像进行二值闭运算，将图像中的小孔洞填补完全，对填补后的结果进行联通域的判别，统计图像背景的直方图，去除图像边界的絮凝体；以及，步骤五计算絮凝体参数，所述絮凝体参数包括面积、周长、中空面积和絮凝体长宽比； 根据否=巧计算出絮凝体的平均等效直径，其中Φ代表平均等效直径；①代表第i个絮凝体的等效直径叫代表等效直径为Oi的絮凝体个数；所述第i个絮凝体的等效直径Φ满足Μ^1 + ^^] + + -^、] + - 其中，S代表絮凝体的面积；Stl代表絮凝体的中空面积；m代表絮凝体的长宽比；ki、k2、 k3分别代表周长、长宽比、中空面积的折扣系数，所述ki、k2、k3为O 1的小数，ki、k2、k3为 O时不打折扣，ki、k2、k3为1时折扣最大。
全文摘要
本发明公开了一种水厂智能混凝投药控制系统，其中，原水的水质参数为原始信号，沉后水浊度为第一输入信号。前馈单元包括顺次连接的水质评价器和前馈控制器，水质评价器的输入和输出为原始信号和第三输出信号，前馈控制器的输入为原始信号和第三输出信号，输出为第一输出信号。反馈控制器的输入为第一输入信号与水浊度设定值的差值，输出信号为第二输出信号。图像采集处理单元包括顺次连接的絮凝体图像采集器和图像处理单元，图像处理单元的输出为絮凝体的平均等效直径。决策执行单元包括顺次相连的加药量修正器和加药泵电机，加药量修正器的输入包括第一输出信号、第二输出信号和絮凝体的平均等效直径，输出为加药泵电机的旋转频率。
文档编号G05B13/04GK102385315SQ201110257139
公开日2012年3月21日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者叶德斌, 吴江, 宛如意, 尚昭琪, 幸敏力, 李晓如, 罗家宏, 陈永洒 申请人:深圳市开天源自动化工程有限公司