基于滑模控制与状态反馈的UV水处理泵系统实时控制策略评估及其光伏驱动优化研究

为解决UV水处理系统中非线性、不确定性和延迟等控制难题，研究人员采用键合图(Bond Graph)建模方法，结合滑模控制(SMC)和状态反馈技术，对光伏驱动的离心泵电机进行实时调控。研究证实滑模控制在参数变化时展现出卓越的鲁棒性，相比传统方法能更稳定地控制水流速率和紫外剂量(UVDose)，为偏远地区清洁饮用水供应提供了高效可靠的技术方案。

　　

紫外线(UV)水处理技术因其高效灭活微生物且无需添加化学试剂的优势，已成为保障饮用水安全的重要手段。然而，在实际应用中，UV系统的控制面临三大核心挑战：系统的强非线性特性、运行参数的不确定性以及控制信号的延迟效应。特别是在偏远地区依赖光伏供电的场景下，能源波动进一步加剧了控制难度。传统PID控制、模糊逻辑等方法虽有一定效果，但在参数漂移或外部干扰下常出现稳定性下降的问题。如何实现UV剂量(UVDose)和水流量的精准协同控制，成为提升系统可靠性的关键科学问题。

针对这一技术瓶颈，来自多个机构的研究团队创新性地将键合图(Bond Graph)多领域建模方法与现代控制理论相结合，对光伏驱动的UV水处理系统开展系统性研究。该成果发表在《Environmental Technology & Innovation》上，通过理论建模与实验验证，建立了完整的控制解决方案。研究主要采用三大关键技术：1) 基于键合图的跨域能量流建模，整合光伏阵列、蓄电池、DC/AC转换器和RLC谐振电路等组件；2) 滑模控制算法设计，通过定义切换函数保证系统全局稳定性；3) 状态反馈极点配置法，对比分析不同控制策略的鲁棒性。实验采用实际光伏系统参数(I_ph=15.8A, V_T=2.95V)和水泵特性(J=0.107kg·m²)，通过参数扰动测试验证控制效果。

2. 键合图能量系统建模
研究首先建立光伏源的精确模型，通过单二极管等效电路描述其非线性特性，关键方程I_p=I_ph-I_s[exp(V_p/V_T)-1]准确表征了电流-电压关系。蓄电池采用简化RC模型，与光伏组件通过保护二极管耦合，确保夜间供电连续性。

3. 水处理反应器建模
UV灯管驱动系统包含DC/AC逆变器、变压器和谐振电路三部分。仿真显示逆变器输出±220V方波，通过RLC谐振产生启动所需的瞬时高压(2-3ms)，成功击穿灯管阻抗。键合图模型准确再现了从光伏直流电到灯管交流驱动的完整能量转换链条。

4. 基于键合图的水力系统建模
离心泵系统通过调制回转器(MGY)元素将机械转速(ω)转化为液压压力，核心方程P_e=ρr₂²ω²/2揭示了转速-压力的平方关系。全局模型包含11个C元素和5个I元素，结构分析证实系统完全可控可观测。

6. 电机泵控制策略实现
滑模控制设计包含线性与非线性的复合控制律U=Lx+ρNx/(‖Mx‖+δ)，切换面S=[-0.054 -0.124]保证误差收敛。对比实验显示，当电机时间常数改变时，状态反馈控制出现发散(图37)，而滑模控制仍保持稳定跟踪(图38)，验证了后者对参数摄动的强鲁棒性。

结论与展望
该研究通过键合图建模首次实现了UV水处理系统的多物理场统一描述，滑模控制的应用使系统在±20%参数变异下仍维持稳定，解决了传统方法在不确定环境中的失效问题。实验数据表明，相比状态反馈控制，滑模控制将抗干扰能力提升3倍以上，这对光伏供电系统具有特殊价值。未来研究可探索AI技术与滑模控制的融合，进一步优化UVDose-流量协同控制策略。该成果为分布式水处理设施提供了可靠的控制范式，尤其适用于基础设施薄弱的干旱地区。

（注：所有分析均基于原文Fig.1-38及Equation1-35的数据与结论，专业术语如UVDose(紫外剂量)、MGY(调制回转器)等均在首次出现时标注说明，作者姓名保留原文格式如el-Bayeh Claude Ziad等）