工业废水的处理及循环使用在淡水已成为一种稀缺资源时，已成为重要的社会和经济问题。大型钢铁联合企业产生的大量废水需要处理。如果没有正确和有效的措施，废水处理可能既昂贵又耗时。
不当的pH值控制仍然是个关键问题，因为它会导致使用过量的化学药品，造成水处理成本提高，效率降低。 在工业工厂，大多数的pH控制循环是“大起大落”型控制，即工作泵工作于开/关两种状态，这种控制方式会引起被控参数大幅波动。因为酸和碱彼此中和，要使用过多的酸和碱，造成费用惊人的高。统计显示，一个不佳的pH控制过程可使每月使用的化学药品成本高达数万美元，这还不包括可能违反美国环保局或当地政府规定的排放法规的所造成的罚款。
在这篇文章中，我们将讨论有效控制pH值高低循环的策略，并讲述无模型自适应（MFA）控制系统如何使宝钢改善污水处理效率和节约成本。
pH值控制过程及面临的挑战
上海宝钢集团公司是中国最大的钢铁联合企业。它是世界第三大粗钢生产厂，具有约3000万吨的粗钢生产能力。宝钢的产品主要是碳钢，不锈钢和特种钢，可用来生产坯料，管材，管件，棒和钢板。该公司还生产铁，锡等产品。它的市场遍及国内外，其产品涉及家电，汽车，建筑，石油，造船等行业。
属于宝钢的上海化学厂用静态过程处理剧毒的焦化废水，来去除固定铵（NH4+）和挥发性氨，如图1所示。氢氧化钠（NaOH）是用于分解固定铵的化学试剂。为了保证有效和充分的分解反应，在氨废水入口的闭环式pH值控制是至关重要的。
强酸强碱的pH控制过程是高度非线性的。这一特性可以从酸碱滴定曲线看出，如图2。图中Y轴表示pH值，X轴表示试剂流量（酸或碱）。一般而言，pH值与试剂流量之间呈对数关系。在远离中性时，过程增益相对较小。在接近中性时，即pH值等于7左右，过程增益可提高几千倍。
当pH变化过程有一个较长的时间延迟时，pH值控制就变得更加困难，不仅要应对大的增益变化，而且还要应对不同的时间延迟。处理一个大的增益变化要求精确的控制作用，处理变化的时间延迟则要求控制器能“预见”将要发生什么，以避免调节过量或不足。宝钢化学厂的焦化废水处理过程中有一个15分钟的延迟。
由于存在这些实际技术问题，原设计的pH值自动控制环路从1985年开始就改用手动控制，直至2007年。
无模型自适应控制
无模型自适应控制是一种自适应控制方法，它不需要建立过程模型。工作人员开发了一套无模型自适应控制器以解决各种控制问题，这包括：
- 单输入单输出（SISO）无模型自适应控制取代PID控制器，取消人工控制调节；
- 多输入多输出（MIMO）无模型自适应控制多变量过程；
- 非线性无模型自适应控制高度非线性过程；
- 无模型自适应pH值控制器控制pH过程；
- 前馈无模型自适应控制处理可测干扰；
- 反延迟无模型自适应控制长时间延迟过程；
- 稳定无模型自适应保护过程变量值不溢出边界条件。
反延迟无模型自适应
在工业应用中，许多过程之所以具有较大的时间延迟是由于热量，材料和信号传递存在延迟而造成的。从控制的角度来看，时间延迟引起过程变量不能及时响应控制信号，它相当于反馈暂停一段时间，我们知道，反馈回路在自动控制中非常关键。
测量延时的显著性与T / TC的比率有关，其中T为延迟时间，Tc是时间常数。 如果过程的T / TC比率小于1，通常可以用PID控制器控制。如果T / TC比率大于2，这个过程就难以控制。
使用史密斯估计器是处理延时过程较长时的一个有用的策略。但是要建立一个史密斯预估器, 需要一个精确的过程模型, 否则其性能可能不理想。反延迟无模型自适应控制器是专门设计，用以控制不但长而且经常变化的延迟。
宝钢化学厂的焦化废水pH值过程的T/ TC比率为2.5。虽然这是一个pH过程，但主要问题是长时间延迟。因此，选用反延迟无模型自适应控制器来控制这一过程。在工业PC中运行 CyboCon MFA控制软件，PC通过模拟输入输出与一个分布式控制系统（DCS）接口。CyboCon产生‘心跳信号’送给DCS，以确认PC和DCS的通讯是否处于正常状态。在DCS检测不到心跳信号的情况下，它会切换到手动控制。许多无模型自适应控制系统都采用这种方式，这一安全功能使得系统非常可靠。
无模型自适应的pH值控制趋势可以图形显示在PC屏幕上，如图3所示，其中蓝色SP是pH控制目标的设置点，绿色PV是测量时的过程变量，红色OP是控制器的输出讯号。屏幕下面同时显示心跳信号，其变化量从0变化到100，此一讯号在每个采样间隔返回。
无模型自适应pH值控制系统自2007年安装以来运行正常。宝钢已经取得了明显的效益，包括工厂的安全顺利运行，以及化学试剂消耗的降低。统计表明，化学试剂消耗可减少10％，这相当于每年节省45,000美元。
