Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania Struktury i Algorytmy Sterowania Sterowanie adaptacyj...
7 downloads
10 Views
588KB Size
Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Inżynierii Systemów Sterowania
Struktury i Algorytmy Sterowania
Sterowanie adaptacyjne stężeniem tlenu w biologicznej oczyszczalni ścieków
Laboratorium 1
Opracowanie: Krzysztof Armiński, mgr inż. Tomasz Zubowicz, mgr inż. Grzegorz Ewald, mgr inż. Mieczysław A. Brdyś, prof. dr hab. inż.
Gdańsk, listopad 2012
Wprowadzenie Wraz z rozwojem technicznym oraz wzrostem ogólnej liczby mieszkańców miast i wsi, powstało wiele nowych zagrożeń i problemów związanych z zatruwaniem środowiska naturalnego. Początkowo, zagadnienie to wydawało się mało istotne. Względy ekonomiczne oraz brak światłej wiedzy, doprowadziły do degradacji otaczającej nas przestrzeni. Na szczęście wraz ze wzrostem świadomości ludzi, rosła również ich troska o środowisko. Jednym z istotnych problemów, w „walce o lepsze jutro”, było zagospodarowanie wciąż rosnącej liczby ścieków komunalno-przemysłowych. Ich pozbywanie się polegało na rozcieńczaniu, zrzucie do naturalnych zbiorników wodnych. Rozwiązaniem problemu, wciąż pogarszającego się stanu rzek i jezior, była budowa oczyszczalni ścieków. Początkowo mało skomplikowane instalacje, przeistoczyły się w rozwinięte technicznie konstrukcje. W chwili obecnej najczęściej spotykanymi są oczyszczalne mechaniczno-chemiczno-biologiczne. Wykorzystują one najnowsze zdobycze nauki. Oprócz najprostszych urządzeń, wykorzystujących zjawiska fizyczne, w nowoczesnej oczyszczalni ścieków, olbrzymie znaczenie odgrywają naturalne mechanizmy redukcji zanieczyszczeń. Biologiczne usuwanie niepożądanych substancji ze ścieku, polega na wprowadzaniu do niego mikroorganizmów przetwarzających szkodliwe związki na energię i minerały niezbędne do rozwoju. Flora i fauna, wykorzystywana w oczyszczalniach ścieków, występuje również w środowisku wodnym i wzięła swój początek właśnie tutaj. Technologia biologicznego usuwania zanieczyszczeń rozwinęła się dzięki obserwacjom procesów naturalnych. Uogólniając, oczyszczalnie ścieków zajmują się sztuczną hodowlą mikroorganizmów, dla których pożywką są substancje zawarte w ściekach. Dzięki utrzymywaniu dogodnych warunków rozwoju, możliwa jest efektywna redukcja szkodliwych dla środowiska substancji. Procesy biologiczne, związane z samooczyszczaniem, zachodzące w środowisku naturalnym są bardzo skomplikowane. Odtworzenie ich w sztucznych instalacjach jest stosunkowo trudne. Wymaga olbrzymich nakładów pracy. Ponadto, utrzymanie dogodnych warunków rozwoju mikroorganizmów jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania oczyszczalni. Technologia redukcji szkodliwych substancji, wymusza wykorzystanie wielu instalacji technicznych. Za ich pomocą możliwa jest regulacja poszczególnych procesów. Jednym z głównych zagadnień w cyklu oczyszczania ścieków, jest natlenianie osadu czynnego (mikroorganizmów). Skutkiem napowietrzania jest wzrost stężenia rozpuszczonego tlenu w wodzie. Istotnym jest aby wartość ta nie przekraczała ustalonych granic. Jej spadek poniżej minimum, może spowodować ograniczenie efektywności oczyszczania ścieku, a nawet obumieranie osadu czynnego. Z drugiej strony nadmiar tlenu nie przyczynia się do polepszenia warunków bytowania mikroorganizmów. Wręcz przeciwnie – wzrost przepływu powietrza powoduje zniszczenie struktur osadu. Innym powodem dla którego nie należy przekraczać maksymalnych wartości stężenia rozpuszczonego tlenu są względy ekonomiczne. Proces ten jest bardzo kosztowny, stanowiąc około 60 - 80% całkowitych kosztów operacyjnych oczyszczalni ścieków. Z tych właśnie powodów niezbędne jest opracowanie skutecznego systemu sterowania stężeniem rozpuszczonego tlenu w zbiorniku reaktora biologicznego.
Rysunek 1
W trkacie zajeć laboratoryjnych rozpatrywana będzie możliwie najprostsza oczyszczalnia biologiczna, składająca się z jednej komory i osadnika (z którego cześć osadu podlega recyrkulacji). Schemat ideowy rozpatrywanej oczyszczalni zamieszczony jest na poniższym rysunku. Osadnik
Reaktor
Qout
Qin, Sin, DOin
X, S, DO
Qair Qw, Xw
Qr, Xr
Rysunek 2
W reaktorze zachodzą najważniejsze procesy oczyszczania. W wyniku procesu następuje wzrost ilości mikroorganizmów (jako pożywienie wykorzystują zanieczyszczenia). Następnie są one oddzielane w osadniku. Biomasa opada na dno gdzie jest częściowo zawracana (w celu podtrzymania procesu), a częściowo usuwana z procesu. Model, wykorzystywany do celu weryfikacji sterowania zawiera uproszczony model procesów zachodzących w oczyszczalni. Zastosowany model nie pozwala na badanie procesów oczyszczania ścieków, jest jednak wystarczający do celu sterowania stężeniem tlenu, przy czym pozwala na wprowadzenie uwzględnienia wpływu zakłóceń. Model opisany jest następującymi równaniami różniczkowymi: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )(
( ) )
( )( ( )( ( )
) ( ) ) ( ) ( )(
( ) ( ) ( ))
( )
( )
( )( ( ) ( )
( )
gdzie:
( ) ( )
;
) ( ) ( )
( )( ;
) ;
( ) ;
;
( ) – stężenie
biomasy; ( ) – stężenie substratów (zanieczyszczeń); ( ) - stężenie tlenu; ( ) – stężenie biomasy recyrkulowanej; – Maksymalne stężenie tlenu; – czynniki przyrostu biomasy; – szybkość wzrostu biomasy; - stałe fizyko-chemiczna Sterowani oparte o model typu Asm2d jest trudne do zrealizowania i wymaga dużych nakładów obliczeniowych. Dodatkowo parametry modelu są trudne do określenia. Konieczną jest także estymacja niemierzalnego stanu. Do celu sterowania stężeniem tlenu w komorze nitryfikacji przyjmuje się uproszczony model model procesu: ∑
(
)(
– równowagowe stężenie tlenu - 10gm-3 ;
)
( )
– suma wypływów [m3/h]
V – objętość komory [m]; R – respiracja (ilość tlenu konsumowana przez mikroorganizmy w tlenowej
komorze
biologicznego
reaktora);
–
Stała
Monoda
;
– opis dyfuzji tlenu; Dyfuzja jest zjawiskiem nieliniowym, ale do celu sterowania przyjmuje się następujący model uproszczony:
gdzie:
;
.
Model ten stanowi agregację modelu Asm2d, w którym pozostałe nie mierzone stężenia oraz nieliniowe relacje zastąpiono respiracją. Podczas trwanie procesu oczyszczania wielkość ta ulega ciągłym zmianom, które są znacznie wolniejsze niż dynamika zmian stężenia tlenu. Wiąże się to z szybkością rozwoju osadu czynnego i powolną zmianą składu napływających ścieków. Respiracja jest więc traktowana w modelu dynamiki rozpuszczonego tlenu jako niemierzalne zakłócenie.
Zadania 1. Zbadaj charakter dynamiki obiektu w sensie wejście (sterujace) – wyjście (sterowane). Możesz posłużyć się charakterystyką statyczną dla układu. Badania przeprowadź dla nominalnych warunków zakłóceniowych oraz dwóch arbitralnie wybranych odchyleń trajektorii zakłócenia. 2. Zaprojektuj i zaimplementuj w środowisku Matlab/Simulink układ sterowania DMRAC dla obiektu w warunkach bez ograniczeń na stan oraz sterowanie. Zinterpretuj 3 otrzymane wyniki. Spróbuj uzyskać uchyb w stanie ustalonym mniejszy niż 0.4mg/m . Zbadaj jakość działania zaprojektowanego układu sterowania dla nominalnych wartosci zakłóceń oraz sygnału referencyjnego.
Komentarz: Sprowadzić model komory nitryfikacji (patrz wprowadzenie): ∑
(
)(
)
( )
do postaci wykorzystywanej do syntezy układu sterowania metodą DMRAC (direct adaptive model reference control) tzn: ( ) gdzie:
∑
;
(
);
;
; (
)
.
Zaproponuj model dynamiki układu zamkniętego (model referencyjny dynamiki układu zamkniętego), dla wymagania nadążenia za przedziałami stała trajektorią ze stałą czasu 0.1h. Dla prawa sterowania (
)
wyznacz idealne parametry prawa sterowania. Zaproponuj prawo adaptacji (czy wszelkie parametry wymagają ich adaptacji?) 3. Przeprowadź eksperymentalną analizę stabilności układu dla różnych parametrów systemu sterowania. Jaki charakter ma stabilność badanego układu - uzasadnij. 4. Zaprojektuj układ wykonawczy (w sensie doboru ograniczeń sygnału sterującego) tak, aby trajektoria referencyjna był dopuszczalna. Zbadaj jakość działania zaprojektowanego układu sterowania dla nominalnych wartości zakłóceń oraz sygnału referencyjnego Zbadaj stabilność otrzymanego układu i porównaj jego cechy z układem bez ograniczeń. Komentarz: Czy obszary przyciągania dla obu układów sterowania są takie same? 5. Przetestuj eksperymentalnie wpływ wzmocnień w prawach adaptacyjnych w zależności od zmieniającej się szybkości zmiany zakłóceń. Przyjmij zakłócenie o przebiegu sinusoidalnym i różnych częstotliwościach.
Nominalne trajektorie 0.07
0.06
0.05
D(t)
0.04
0.03
0.02
0.01
0
0
5
10
15
20
25
t [h]
Rysunek 3 700
600
S [mg/dm3]
500
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
25
15
20
25
t [h]
Rysunek 4 10 9 8
DO [mg/dm 3]
7 6 5 4 3 2 1 0
0
5
10 t [h]
Rysunek 4
