CN101861556B - 用于工业水系统的控制系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于工业水系统的控制系统，其利用多个测量信息和模型来确定最佳控制动作，以便最大限度地增加腐蚀/水锈/结垢的抑制作用以及微粒分散性能，并最大限度地减小水和化学处理剂的成本。该系统能够在很宽的工艺条件范围内自动操作，确保达到多个性能目标，并在变化的或不可测的扰动下实现可靠操作，并且实现最小成本的溶液输送。

Description

用于工业水系统的控制系统及其使用方法

技术领域

本发明的领域涉及实时数据的累积和分析，最大限度地增加防腐蚀/防水锈/防结垢以及微粒分散性能，同时最大限度地减小水和化学处理剂的成本，从而导致一种更有效能且更有效率的工业水系统。特别地，其涉及用于工业水系统的实时控制，该工业水系统是例如但不局限于冷却水系统、锅炉系统、水回收系统和水净化系统。

背景技术

淡水的充足供给对于工业的发展是必须的。对于产品和设备的冷却、对于工艺需求、对于锅炉给水和对于卫生用水和饮用水供给都需要极大量的淡水。现在人们已经日益认识到淡水是一种必须通过适当的管理、保护和使用而得到保护的宝贵资源。为了确保工业用途的高品质水的充足供给，必须贯彻以下惯例：(1)在消费(饮用)或工业用途之前的净化和调节；(2)保护(并在可能的情况下进行重复使用)；(3)废水处理。

水的溶解能力可能对工业设备造成一个主要的威胁。腐蚀反应造成金属被水缓慢溶解，并最终造成工艺设备的结构性故障。沉积反应在热传递表面上产生水锈并造成生产损失，代表了水的溶解能力随着其温度变化而变化。腐蚀和水锈的控制是水处理技术的一个主要焦点。

通常的工业水系统会遇到相当大的变化。水成分的特性可能随着时间而变化。变化的突然度和程度依赖于水源。再循环系统的水损失、生产率的变化和化学物供给速率都会将变化引入到系统中，并从而影响保持恰当系统控制的能力。

通常，给定水中特定的钙离子含量，由无机磷酸盐与水溶性聚合物一起组成的处理剂用于在与水系统，尤其与冷却水系统相接触的金属表面上形成保护膜，从而保护它免受腐蚀。水溶性聚合物对于控制磷酸钙结晶是特别重要的，从而在系统中可保持相对较高的磷酸盐水平以取得所需的保护，而不会导致通常由于磷酸钙沉积而引起的结垢或阻碍热传递功能。水溶性聚合物还用于控制硫酸钙和碳酸钙的形成，并且还额外用于分配微粒以保护水系统的总效率。

美国专利No.5,171,450建立了一种简化的认识，即通过选择合适的聚合物或聚合物组合作为处理剂可抑制冷却塔中生成水锈或腐蚀的现象。这是基于活性聚合物的损失是由于设备上形成的保护膜引起的磨损的结果，或者避免由于吸附到固体杂质上而构成沉积物，从而防止可沉积在设备上的微粒结块或晶体生长。在这个专利中，活性聚合物被限定为通过其萤光标记进行测量的聚合物，并且通过利用惰性化学示踪剂(总的产品浓度的度量)和减去由标记的聚合物水平所指示的活性聚合物浓度从而限定活性聚合物损失。因而，通过将活性聚合物控制在活性成分损失不超标的水平来实现腐蚀和水锈的控制。

在美国专利No.6,153,110中，限定了聚合物抑制效率，即自由聚合物水平对总的聚合物水平的比值。在限定自由聚合物水平和总的聚合物水平时，通过系统水取样而未检测到的系统的聚合物损失最初是不包括在内的，这样自由聚合物被限定为未反应的聚合物，并且结合的聚合物被限定为与受抑制粒子相关联的聚合物(用作防垢剂)和被吸收到未沉积的水锈上的聚合物(用作分散剂)。自由聚合物和结合的聚合物共同组成了存在于水系统中的总的聚合物。在聚合物抑制效率(％)和水锈抑制(％)之间，以及在聚合物抑制效率(％)和微粒分散(％)之间建立了相关性。因而，通过将自由聚合物水平对总的聚合物水平的比值控制在所需比值下可实现对水锈和沉积的控制。

美国专利No.5,171,450和美国专利No.6,153,110采用了待解决问题的过于简化的观点。实际上，对于水锈控制的主要因素是pH值、硬度和温度，而聚合物是次要因素。参见例如下表I，其显示了在不同的pH值水平所需要的不同的活性聚合物浓度。不控制pH值对水锈的主要影响，在增加pH值的情况下，控制最终将导致不经济的聚合物消耗。表I

pH值	所需活性聚合物浓度ppm
		7.2	2
7.4	4
		7.6	7
7.8	12

另外，本发明人已经注意到美国专利No.5,171,450和美国专利No.6,153,110中的受控变量没有直接与场合特有的关键性能参数例如腐蚀和水锈关联起来。每个工业水系统都是独特的。在操作系统时，正确的处理时常需要持续调整化学物，以满足快速变化的系统条件的要求。对于一个系统的在某个时间合适的聚合物损失目标或聚合物抑制效率(％)可能不适合另一时间的相同系统或不适合另一系统。在不直接测量性能的条件下，聚合物浓度监测不提供对于场合特有性能的保证。

当前可用工艺的第三个问题是聚合物浓度和其派生物例如聚合物损失和聚合物抑制效率(％)的监测不能检测热表面上的局部水锈，其只与特定表面上的聚合物损失的绝对数量相关联。表面越小，系统容积越大，则由于局部水锈而引起的聚合物损失的绝对数量反映到聚合物浓度变化上的可能性越小。例如，在30升的实验室测试单元中，直径0.5且长度5的热管生成严重的水锈。然而表面上绝对的聚合物损失除以系统容积并没有在聚合物浓度变化上有所反映。例如，如果将相同的表面对容积比应用于真实世界的450,000加仑的冷却塔，那么在3000ft²热传递表面上由于水锈引起的聚合物损失的绝对量从聚合物浓度变化上是观察不到的。

第四个问题是基于聚合物损失和聚合物抑制效率(％)的聚合物水平的反馈控制将可能导致不经济的聚合物消耗。添加聚合物不会帮助减少系统中已经存在的结合的聚合物的绝对数量，就是因为结合到未沉积的水锈上的聚合物将不会从水锈中释放出来。结合的聚合物的绝对数量的减少只依赖于系统的排污速率。当系统中没有完全耗尽结合的聚合物时，为了取得相同的聚合物抑制效率(％)，需要更高的聚合物水平。例如，为了取得相同的90％的聚合物抑制效率，其在1ppm结合的聚合物的条件下需要10ppm的总的聚合物，但在2ppm结合的聚合物的条件下，需要20ppm的总的聚合物。

美国专利No.6,510,368和美国专利No.6,068,012提出了通过直接测量性能参数例如腐蚀、水锈和结垢而实现的基于性能的控制系统，其出于明显的理由，因为监测惰性化学示踪剂导致活性化学物的控制降低，并且监测活性化学物导致总的化学物供给的控制上升，并且其都不能提供对于场合特有性能的保证。在这两个美国专利中研究出决策树，以便从性能测量值中诊断出性能下降的原因，并相应地采取矫正动作。

上面基于性能的控制系统的一个关键缺点是其是反应型的，而不是主动型的，换句话说，系统中已经主动地发生了腐蚀、水锈和结垢现象。此外，腐蚀、水锈和结垢是高度相互关联的。一旦发生，其中一个将触发和加强另外两个，其可能需用三倍或四倍的更多的化学物将系统带回到其性能基线，因而导致不经济的化学物消耗。主动地保持工业水系统的健康比试图修复不健康的工业水系统更为经济。因此，工业中仍然需要一种主动型而非反应型的控制系统，并从而导致更为有效且更为经济的工艺。

发明内容

本发明已经建立一种控制系统，其利用多个测量信息和模型来确定最佳控制动作，以便最大限度地增加腐蚀/水锈/结垢的抑制作用以及微粒分散性能，并最大限度地减小水和化学处理剂的成本。这个系统能够在很宽的工艺条件范围内自动操作，确保达到多个性能目标，并在变化的或不可测的扰动下实现可靠操作，并且实现最小成本的溶液输送。

在一个实施例中，本发明阐述了一种用于监测和控制工业水系统的控制系统，包括(a)测量至少一个操纵变量和代表性能边界的安全余量的至少一个测量的输出；(b)确定所述至少一个测量的输出和所述至少一个操纵变量之间的至少一个动态传递函数；(c)限定从所述至少一个测量的输出的当前值和未来值推导出的指数以及从所述至少一个操纵变量的当前值和未来值推导出的指数；(d)在各个取样时间，利用处理器最大限度地增加所述至少一个测量的输出的指数，并最大限度地减小所述至少一个操纵变量的指数，从而确定所述至少一个操纵变量的当前值和未来值；以及(e)在水系统中执行所述至少一个操纵变量的当前值。

在一个备选实施例中，本发明的控制系统(1)将一类特殊的测量的输出限定为性能边界的安全余量(超过该边界就会发生腐蚀、水锈和结垢)；(2)在存在性能边界的安全余量的条件下操作工业水系统；(3)以安全余量的缩小对不可测的扰动(补给化学物、热应力等等)的影响进行量化；(4)确定从测量的扰动(补给流、排污流等等)至测量的输出的动态传递函数；(5)确定从操纵变量(泵、阀门等等)至测量的输出的动态传递函数；(6)确定安全余量对于与水化学处理相关的测量的输出的相关性；(7)将性能指数限定为测量的输出的当前值和未来值的加权和，并将成本指数限定为从操纵变量的当前值和未来值推导出的水和化学处理剂的成本的加权和，其考虑了关于测量的输出和操纵变量的约束；(8)在各个取样时间最大限度地增加性能指数和最大限度地减小成本指数，并确定操纵变量的当前值和未来值；和(9)在水系统中执行操纵变量的当前值。

在附属于本发明公开并组成本发明公开的一部分的权利要求中将指出表示本发明特征的新颖性的各种特征。为了更好地理解本发明以及通过使用它而获得的其操作优势和好处，可参考附图和描述性材料。附图意图显示本发明的许多形式的示例。这些图并不意图显示可制作并使用本发明的所有途径的限制。当然可对本发明各种构件做出变化和替代。本发明还在于所述元件的子组合和子系统以及使用它们的方法。

附图说明

现在参照附图，其意味着示例性而非限制性意义，并且其中相同的元件用相同的标号来表示，并且在每个图中出于图示清晰目的而没有重复所有标号。

图1是具有输入和输出信号的工业水系统的图示。

图2是用于具有输入和输出信号的工业水系统的控制结构的图示。

图3显示了基于化学浓度和泵作用的实时数据而确定从泵作用(操纵变量)至化学浓度(测量输出)的动态传递函数。

图4描绘了用于说明性的水处理程序的各种操作区域。

图5A和5B描绘了根据本发明一个实施例的基于模型控制的效果。

图6A和6B显示了小型试验，用于确定发生水锈/结垢的边界和结垢安全余量对水化学处理的相关性。

具体实施方式

虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是本发明相关领域中的普通技术人员在不脱离本发明的技术范围内可对这些实施例做出各种变化或替代。因此，本发明的技术范围不仅包含上述那些实施例，而且还包含所有落在权利要求范围内的实施例。

本文使用的近似语在整个说明书和权利要求中可用于修饰任何数量表述，其可在不导致其相关的基本功能发生变化的条件下准许进行修改。因此，由诸如“大约”等词语修饰的值并不局限于特定的精确值。至少在某些情况下，近似语可与用于测量该值的仪器的精度相对应。除非上下文或语句中明确指出，否则范围的限制可进行组合和/或互换，并且这种范围被确定为且包括包含在该范围内的所有子范围。除了在操作示例中或其它地方中指明之外，说明书和权利要求中所使用的所有表示成分的量、反应条件等等的数字或表达式在一切情况下都应被理解为受到词语“大约”的修饰。

本文使用的词语“包括”、“包含”、“具有”或其任何其它变体都意图覆盖非排它性的包括。例如，包括一列元件的工艺、方法、物品或装置并不一定只局限于那些元件，而是可以包括其它没有明确列出或属于这种工艺、方法、物品或装置内在的元件。

本发明已经建立了一种控制系统，其测量至少一个操纵变量和代表性能边界的安全余量的至少一个测量输出，并在所述至少一个测量输出和所述至少一个操纵变量之间确定至少一个动态传递函数，并限定从所述至少一个测量输出的当前值和未来值中推导出的指数以及从所述至少一个操纵变量的当前值和未来值中推导出的指数。在各个取样时间，控制系统利用处理器最大限度地增加所述至少一个测量输出的指数，并最大限度地减小所述至少一个操纵变量的指数，并确定所述至少一个操纵变量的当前值和未来值，而后在水系统中执行所述至少一个操纵变量的当前值。虽然计算出所述至少一个操纵变量的当前值和未来值，但是控制器仅执行所述至少一个操纵变量的第一计算值，并且在下一取样时间重复这些计算。

在一个备选实施例中，控制系统利用多个测量信息和模型来确定最佳控制动作，以便最大限度地增加腐蚀/水锈/结垢的抑制以及微粒分散性能，并最大限度地减小水和处理化学物的成本。这个系统能够在很宽的工艺条件范围内自动操作，确保达到多个性能目标，并在变化的或不可测量的扰动下实现可靠操作，同时达到经济的目的。

在本发明和现有技术的已知系统之间的基本区别是本权利要求所申明的工艺是主动型的，并且在保证场合特有性能方面是最佳的。本权利要求所申明的控制系统的一个实施例是基于对工业水系统和其控制结构的综合考虑基础之上的。如图1中所示，水系统100的输入105被分类为测量的扰动110、不可测的扰动130和操纵变量120；水系统的输出155被分类为测量的输出150和不可测的输出140。如图2中所示，控制系统200的输入被分类为测量的扰动210、设定点220和测量的输出230，并且控制系统的输出被分类为操纵变量。不可测的扰动260是未知的，除了其对设备输出270的影响。控制器240为这种扰动提供了反馈补偿。设定点220或参考值是输出的目标值。操纵变量或促动器250是控制器240调整以实现其目的的信号。当发生测量的扰动210时，控制器为这种测量的扰动210提供了前馈补偿，从而最大限度地减小其对输出270的影响。输出270是有待保持在设定点的信号。这是″实际″值，不受到测量噪声的影响。测量输出230用于评估实际值或设备输出270。测量噪声280代表电气噪声、取样误差、漂移校准以及其它削弱测量精度和准确度的效应。

在一个备选实施例中，本发明控制系统(1)将一类特殊的测量输出限定为性能边界的安全余量(超过该边界就会发生例如腐蚀、水锈和结垢)；(2)在具有性能边界的安全余量的条件下操作工业水系统；(3)以安全余量的缩小对不可测的扰动(例如补给化学物、热应力等等)的影响进行量化；(4)确定从测量的扰动(例如补给流、排污流等等)至测量的输出的动态传递函数；(5)确定从操纵变量(例如泵、阀门等等)至测量的输出的动态传递函数；(6)确定安全余量对于与水化学处理相关的测量输出的相关性；(7)将性能指数限定为测量输出的当前值和未来值的加权和，并将成本指数限定为从操纵变量的当前值和未来值中推导出的水和化学处理剂的成本的加权和，其考虑了关于测量的输出和操纵变量的约束；(8)在各个取样时间最大限度地增加性能指数和最大限度地减小成本指数，并确定操纵变量的当前值和未来值；以及(9)在水系统中执行操纵变量的当前值。虽然计算出操纵变量的当前值和未来值，但是控制器仅执行操纵变量的第一计算值，并且在下一取样时间重复这些计算。

不同于现有技术中的定性逻辑树，在本发明中明确地量化了(4)，(5)和(6)中的动态传递函数，从而可解决数字优化问题。

在一个实施例中，通过利用测试热交换器建立了水锈/结垢边界的安全余量。在热传递表面的一侧是电加热器，在另一侧是水系统的侧流。加热器的热流和侧流的水流被控制在其设定点上。因此，在表面和水之间的温度梯度的上升代表了水锈/结垢的发生。如果我们提高热流设定点和/或降低水流设定点使得表面温度比水系统中的最热的表面高ΔT₁，并且没有检测到水锈/结垢，那么就将ΔT₁限定为水系统中水锈/结垢边界的安全余量。当不可测的扰动进入水系统中时，测试热交换器首先检测水锈/结垢。通过降低热流设定点和/或提高水流设定点来减少表面温度，使得水锈/结垢得到抑制，并且表面温度比水系统中最热的表面高ΔT₂。这样，(ΔT₁-ΔT₂)代表了不可测的扰动对水锈/结垢安全余量的影响。

在一个实施例中，通过利用测试腐蚀探测器建立了腐蚀边界的安全余量。如果在阴电极和阳电极之间外加额外的电势差ΔE₁并且没有检测到腐蚀，那么就将ΔE₁限定为水系统的腐蚀边界的安全余量。当不可测的扰动进入水系统时，测试腐蚀探测器首先检测腐蚀。将外加电势差减少至ΔE₂，从而使腐蚀被抑制。这样，(ΔE₁-ΔE₂)代表了不可测的扰动对腐蚀安全余量的影响。

在一个实施例中，该控制系统确定从测量的扰动(例如补给流、排污流等等)至测量的输出(例如化学浓度)的动态传递函数，以及从操纵变量(例如泵、阀门等等)至测量的输出(例如化学浓度)的动态传递函数。动态传递函数可表示为y_w1(t+1)＝f₁(y_w1(τ)，y_w2(τ)，...，u₁(τ)，u₂(τ)，...，v₁(τ)，v₂(τ)，...，τ≤t)y_w2(t+1)＝f₂(y_w2(τ)，y_w2(τ)，...，u₁(τ)，u₂(τ)，...，v₁(τ)，v₂(τ)，...，τ≤t)......其中y_w1，y_w2...是与水化学处理相关的测量的输出；u₁，u₂...是操纵变量；v₁，v₂...是不可测的扰动。传递函数是动态的，因为与水化学处理相关的测量的输出依赖于之前时间的测量的输出、操纵变量和测量的扰动。

例如，化学物质X的质量平衡模型可表示为累积在系统中的X的量等于进入系统中的X的量减去离开系统的X的量。用于此的数学公式是： $V\frac{\mathrm{dC}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-B\left(t\right)\·C\left(t\right)+F\left(t\right)$ 其中V是系统容积，B是排污流量，F是化学物供给流量、C是系统中的化学物质X的浓度。对于该导数使用ΔT的取样时间和欧拉一阶近似，即

那么质量平衡模型可表示为C(t+1)＝f(C(t)，F(t)，B(t))，即时间t+1时的化学浓度(测量的输出)是时间t时的化学浓度(测量的输出)、化学物供给量(操纵变量)以及排污量(测量的扰动)的函数。假定排污量恒定，那么模型变为 $\mathrm{\τ}\frac{\mathrm{dC}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-C\left(t\right)+C_{\mathrm{ss}}\·\%\mathrm{pumpOpen}\left(t\right)$ 其中τ(＝V/B)是系统时间常数，％pumpOpen是泵开度百分比，Css(＝F/B)是如果％pumpOpen等于100％时的稳态浓度。参见图3，从泵作用(操纵变量)至化学浓度(测量的输出)的动态传递函数基于化学浓度和泵作用的实时数据而被确定为

通过具有确定了系统中的化学泵作用和化学浓度之间的动态的一个实施例，控制器可提供最佳控制决策，以使系统在最小的时间或以最小的成本移动到目标操作区域中。图4描绘了针对说明性的水处理程序的各种操作区域。图5A和5B进一步显示了同基于排污流或补给流而供给化学物的比例控制相比，基于模型的控制系统如何使聚合物浓度在最小的时间内从2ppm移动至目标4ppm，同时明确满足泵开度约束(即0＜％pumpOpen＜100％)。

在一个实施例中，控制系统确定与水化学处理相关的安全余量对于测量的输出的相关性。这种相关性可表示为y_s1＝g₁(y_w1，y_w2，...)y_s2＝g₂(y_w1，y_w2，...)......其中y_s1，y_s2...是安全余量，y_w1，y_w2...是与水化学处理相关的测量的输出。非线性函数g1(·)，g2(·)可被划分为若干个区域。在各个区域中，非线性函数是通过其线性近似值进行近似的，对于区域(y_s1，y_s2...)∈Rⁿ ${\frac{{\&PartialD;y}_{s1}}{{\&PartialD;y}_{w1}}|}_{(y_{w1},y_{w2},...)\&Element;R}=a_1,{\frac{{\&PartialD;y}_{s1}}{{\&PartialD;y}_{w2}}|}_{(y_{w1},y_{w2},...)\&Element;R}=a_2,...$ ${\frac{{\&PartialD;y}_{s2}}{{\&PartialD;y}_{w1}}|}_{(y_{w1},y_{w2},...)<R}=b_1,{\frac{{\&PartialD;y}_{s2}}{{\&PartialD;y}_{w2}}|}_{(y_{w1},y_{w2},...)<R}=b_2,...$ ......参见图6A和6B。图6A描绘小型试验，其中在聚合物浓度下降到某个阈值之后，测试热交换器的热表面温度开始急剧增加。连接不同的表面温度下的阈值将形成边界，超过该边界将发生水锈/结垢。图6B描绘了小型试验，其中表面温度在pH值增加到某个阈值之后开始急剧增加。连接不同的表面温度下的阈值将形成边界，超过该边界将发生水锈/结垢。对于T＝140～160F，pH＝7.5～7.7且聚合物＝1-4ppm的区域，结垢/水锈安全余量对于水化学处理的相关性可表示为：3ppm聚合物的增量可在结垢/水锈安全余量方面提供20F，或者pH值下降0.2可在结垢/水锈安全余量方面提供20F。

在本发明控制系统的一个实施例中，测试热交换器和测试腐蚀探测器都在接近性能边界附近操作。控制系统累积由于不可测的扰动而引起的安全余量缩小的数据，和由于操纵变量而引起的安全余量扩展以及它们对于与水化学处理相关的测量的输出的影响。从实时累积的数据中，可确定安全余量对于与水化学处理相关的测量的输出的相关性。

在一个实施例中，控制系统将性能指数限定为测量的输出的当前值和未来值的加权和，并且将成本指数限定为从操纵变量的当前值和未来值推导出的水和化学处理剂的成本的加权和，其考虑了关于测量的输出和操纵变量的约束。在各个取样时间，控制系统最大限度地增加性能指数和最大限度地减小成本指数，并确定操纵变量的当前值和未来值，并且在水系统中执行操纵变量的当前值。虽然计算出操纵变量的当前值和未来值，但是控制器仅执行操纵变量的第一计算值，并且在下一取样时间重复这些计算。对于此的数学公式是在取样时间t₀，对于给定的y_w1(τ)，y_w2(τ)...，v₁(τ)，v₂(τ)...，τ≤t₀，和y_s1(t₀)，y_s2(t₀)...，求解 $\underset{\begin{array}{c}{u}_1\left(t_0\right),u_2\left(t_0\right),...,\\ ...\\ u_1(t_0+N),u_2(t_0-N),...\end{array}}{\max }\underset{t-t_0}{\overset{t_0+N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left\{\right[w_1{y}_{s1}\left(t\right)+w_2{y}_{s2}\left(t\right)+...]-[c_1{u}_1\left(t\right)+c_2{u}_2\left(t\right)+...\left]\right\}$ y_w1(t+1)＝f₁(y_w1(τ)，y_w2(τ)，...，u₁(τ)，u₂(τ)，...，v₁(τ)，v₂(τ)，...，τ≤t)y_w2(t+1)＝f₂(y_w1(τ)，y_w2(τ)，...，u₁(τ)，u₂(τ)，...，v₁(τ)，v₂(τ)，...，τ≤t)...y_s1＝g₁(y_w1，y_w2，...)y_s2＝g₂(y_w1，y_w2，...)......其条件为y_w1 ^L≤y_w1(t)≤y_w1 ^U，y_w2 ^L≤y_w2(t)≤y_w2 ^U，...y_s1 ^L≤y_s1(t)≤y_s1 ^U，y_s2 ^L≤y_s2(t)≤y_s2 ^U，...u₁ ^L≤u₁(t)≤u₁ ^U，u₂ ^L≤u₂(t)≤u₂ ^U，...t＝t₀...t₀+N其中t₀是当前时间，t_0+N是未来第N步的时间，W_i是第i个安全余量的权重，C_i是与第i个操纵变量相关联的成本；y_wi ^L和y_wi ^U是y_wi的下限和上限；y_si ^L和y_si ^U是y_si的下限和上限；u_i ^L和u_i ^U是u_i的下限和上限。

虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是本发明相关领域中的普通技术人员在不脱离本发明的技术范围内可对这些实施例做出各种变化或替代。因此，本发明的技术范围不仅包含上述那些实施例，而且还包含所有落在权利要求范围内的实施例。

Claims (27)

1.一种用于监测和控制工业水系统的控制系统，包括：

(a)测量至少一个操纵变量和代表性能边界的安全余量的至少一个测量的输出；

(b)确定所述至少一个测量的输出和所述至少一个操纵变量之间的至少一个动态传递函数；

(c)限定从所述至少一个测量的输出的当前值和未来值推导出的指数，以及从所述至少一个操纵变量的当前值和未来值推导出的指数；

(d)在各个取样时间，利用处理器最大限度地增加所述至少一个测量的输出的指数以及最大限度地减小所述至少一个操纵变量的指数，以及确定所述至少一个操纵变量的当前值和未来值；和

(e)在各个取样时间，在所述水系统中执行所述至少一个操纵变量的当前值。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述工业水系统是再循环系统。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述工业水系统是冷却塔系统或锅炉系统。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述操纵变量包括化学物供给速率、补给水流率、排污水流率、再循环水流率及其组合。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述测量的输出包括性能边界的安全余量、源水的成分、系统水的成分及其组合。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述性能边界的安全余量通过使用热交换器、腐蚀探测器或其组合来确定。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述性能边界是超过它即会发生腐蚀、水锈和结垢的边界。

8.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述动态传递函数将时间t时的测量的输出与时间t之前的测量的输出及操纵变量关联起来。

9.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，在未来时间t的测量的输出是由时间t之前的测量的输出和操纵变量计算出来的。

10.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，两个指数是所述操纵变量的当前值和未来值的函数。

11.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统在各个取样时间确定所述操纵变量的当前值和未来值，并执行所述操纵变量的当前值。

12.一种用于监测和控制工业水系统的控制系统，包括：

a)限定一类特殊的测量的输出作为性能边界的安全余量；

b)在存在性能边界的安全余量的条件下操作所述工业水系统；

c)以所述安全余量的缩小对不可测的扰动的影响进行量化；

d)确定从测量的扰动至所述测量的输出的动态传递函数；

e)确定从操纵变量至所述测量的输出的动态传递函数；

f)确定所述安全余量对于与水化学处理相关的所述测量的输出的相关性；

g)将性能指数限定为所述测量的输出的当前值和未来值的加权和，并且将成本指数限定为从所述操纵变量的当前值和未来值推导出的水和化学处理剂的成本的加权和，其考虑了关于所述测量的输出和所述操纵变量的约束；

h)在各个取样时间，最大限度地增加所述性能指数和最大限度地减小所述成本指数，并确定所述操纵变量的当前值和未来值；和

i)在所述水系统中执行所述操纵变量的当前值。

13.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述工业水系统是再循环系统。

14.根据权利要求13所述的控制系统，其特征在于，所述工业水系统是冷却塔系统或锅炉系统。

15.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述不可测的扰动和所述测量的扰动包括源水的成分变化、再循环系统的水损失、生产率的变化、环境变化、系统结构上的变化及其组合。

16.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述操纵变量包括化学物供给速率、补给水流率、排污水流率、再循环水流率及其组合。

17.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述测量的输出包括性能边界的安全余量、源水的成分、系统水的成分及其组合。

18.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述性能边界的安全余量通过使用热交换器、腐蚀探测器或其组合来确定。

19.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述性能边界是超过它即会发生腐蚀、水锈和结垢的边界。

20.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述性能边界的安全余量通过使用热交换器来确定，使得表面温度比所述水系统中的最热的表面高出ΔT₁，并且没有检测到水锈/结垢，那么就将ΔT₁限定为所述水系统的水锈/结垢边界的安全余量。

21.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述性能边界的安全余量通过使用腐蚀探测器来确定，使得在阴电极和阳电极之间存在电势差ΔE₁，并且没有检测到腐蚀，那么就将ΔE₁限定为所述水系统的腐蚀边界的安全余量。

22.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，在步骤f)中，所述安全余量对于与水化学处理相关的测量的输出的相关性可由在特定的区域中所述安全余量的变化对与水化学处理相关的所述测量的输出的变化的比值来近似。

23.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，步骤d)中的所述动态传递函数将时间t时的所述测量的输出与时间t之前的测量的输出及测量的扰动关联起来。

24.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，步骤e)中的所述动态传递函数将时间t时的所述测量的输出与时间t之前的测量的输出及操纵变量关联起来。

25.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，在未来时间t时的测量的输出是由时间t之前的测量的输出、测量的扰动和操纵变量计算得到的。

26.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，两个指数是所述操纵变量的当前值和未来值的函数。

27.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统在各个取样时间确定所述操纵变量的当前值和未来值，并执行所述操纵变量的当前值。

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