27、基于硬件在环（HIL）环境的海水淡化厂模型预测控制（MPC）策略设计

基于硬件在环（HIL）环境的海水淡化厂模型预测控制（MPC）策略设计

1. 引言

目前，43 个不同国家的近 7 亿人面临缺水问题，且预计到 2025 年，18 亿人将面临绝对缺水，全球三分之二的人口将处于用水压力之下。海水淡化成为为人们提供清洁、纯净饮用水的可行解决方案。

海水淡化是将盐从物质中分离出来的过程，对各国饮用水公司具有经济优势，某些国家甚至将其作为获取饮用水的唯一来源。常见的海水淡化技术包括蒸馏、冷冻、闪蒸、电渗析、热脱附以及反渗透，其中反渗透技术因水纯度高且可利用海水等优点，在海水淡化过程中应用最为广泛。

然而，反渗透海水淡化厂通常使用传统控制器，无法确保在过程变量的瞬态状态下实现高效性能，这会导致膜堵塞，进而增加能源消耗、降低渗透液产量并影响水质。例如，使用齐格勒 - 尼科尔斯调谐方法的 PI 和 PID 控制器，其流量输出会出现过冲现象。相比之下，更复杂的控制器如基于模型的预测控制（MPC），已在水平三相分离器、水平两相分离器等应用中展现出优势。此外，研发实验室中的中试工厂使用模糊控制器，结果表明其在稳态误差和操纵变量响应的阻尼方面比传统的 PI 和 PID 控制器更高效。

因此，设计控制策略以优化反渗透过程，使其在进水水质变化和工厂运行环境条件变化时仍能高效运行至关重要。目标是在实现工厂盈利、符合产品质量标准的同时，兼顾环境责任，并通过优化现有流程实现利润最大化。这可以通过设计先进的控制算法（如 MPC）来实现，这些控制算法具有提高产品盈利能力、降低能源消耗、增加系统信息流、改善产品质量和一致性、减少浪费、提高系统响应速度、提升过程安全性以及减少环境排放等优点。

随着时间的推移，先进控制器在多输入多输出（MIMO）过程