混凝剂加注量的自动控制新方法

宋启敏 陆明刚 义 泳 丁云鹤
　(上海大学机械电子工程学院)

　　摘　要 报导了净水过程中使用计算机实时采集和定量分析絮凝池中絮体图像，算出絮体沉淀“等效直径”作为控制混凝剂加注率的目标值，并用进水流量和沉淀水浊度信号自动修正目标设定值。加注量为进水流量与加注率之积。实验数据表明，该方法能适应水质和其他因素的变化自动调整加注量，达到了稳定沉淀水浊度的目的。
　　关键词 絮体图像 等效直径 混凝剂加注量 计算机控制

　　在净水自动化中，混凝剂加注量的自动控制是一个既关键又难解决的问题。因为影响混凝剂加注量的因素很多，如原水浊度、水温、流量、碱度、氨氮、耗氧量和净水设备的负荷、状态等，目前国内外使用的方法尚不完善。因此，需寻求效果好、适用范围广、性能先进、运行方便、造价低、维护简单的自动控制方式。

1 定量分析絮体形状

　　确定适当的混凝剂加注量，关键是要找出一个滞后时间较短，而与沉淀水浊度相关性又较好的参量作为目标值来控制。
1.1 絮体沉淀特性和沉淀水浊度的关系
　　从净水过程可知，沉淀水浊度与原水加混凝剂后形成的絮体特征和沉淀有关，絮体形成得越好，沉淀越充分，沉淀水浊度越小。在一定沉淀条件下，沉淀水浊度和絮体的沉淀特性密切相关。
　　絮体的沉降规律是比较复杂的，常简化用颗粒沉降的Stokes公式来描述：

　　v=(ρ_s-ρ)gd_s²/18μ　　　　　　　　(1)
　　式中　v——絮体沉降速度，cm/s
?　　　　ρ_s——絮体体积质量，g/cm³
　　　　　ρ——水的体积质量，g/cm³
　　　　?d_S——絮体直径，cm
　　　　　μ——水的粘滞系数，g/(cm·s)
　　　　　g——重力加速度，980 cm/s²
　　进一步的研究^［1～6］表明，絮体粒径增加时，体积质量相应减小，其关系式为：
　　　　　　　　　　?ρ_S-ρ=d_S^-kp 　　　(2)
　　式中kP——系数，1.2～1.5，决定于混凝剂加注率与原水水质

　　v=gds^(2-kp)/18μ　　　　　　　　(3)

　　上述分析均假设絮体为球状颗粒，而实际絮体基本上是不规则状态，其沉降速度显然应比同体积的球状絮体慢一些。絮体的大小、形状可反映在絮体图像上，因此通过分析絮体的图像，可以得到一个与沉淀水浊度相关性很好的参量。用它作为目标值来控制混凝剂加注量可使滞后时间大大缩短。
1.2 定量分析絮体图形，计算等效直径
　　为了从絮体的二维图形综合出与絮体沉淀速度有关的参量，给絮体图形定出了以下四个特征：①表示絮体大小的絮体面积s；②与絮体形状有关的絮体周长l；③与絮体松散程度有关的絮体中间空出面积s₀；④絮体的长宽比m。这些特征基本表示了絮体的特性，且易于计算。最后按下式折算成称之为“等效直径”Φ的参量：

　　Φ=2(s/π)^0.5×[1-k₁(1-2(sπ)/l)]×[1-k₂(1-1/m)]×(1-k₃s₀/s)　　　　(4)

　　式中 k₁、k₂、k₃——周长、长宽比、中空面积的折扣系数，是0～1的小数，为0时不打折扣，为1时折扣最大，可根据实际情况选取Φ越大，沉降速度越快。当絮体为一标准圆形时，式(4)的等效直径即为实际直径。?
　　絮体的图像是通过传感头在絮凝池中直接采集的，水不停地流过传感头的取样窗，取样窗的水域面积为26mm×20mm，厚度仅为3.5mm，以减少二维图像中两个絮体重叠的可能性。在该截面中一般包含了数十到上百个絮体。系统每5s采集一幅图像，按式(4)计算出每个絮体的等效直径，每5min得到60幅图像中所有絮体的等效直径及其数值分布情况，取其分布中某一部分加权平均算出平均等效直径。试验表明，在沉淀条件不变的情况下，平均等效直径与沉淀水浊度有很好的相关性。
1.3 等效直径控制加注率
　　加注率是等效直径的实测值与设置值之差，通过数字PID(比例、积分、微分)运算后得到的，其递推式为：

　　Δp(k)=p(k)-p(k-1)=k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]　　　　　(5)
　　式中　Δp(k)——第k次采样时加注率的修正值
　　　　?p(k-1)——第(k-1)次采样时的加注率
　　　　?e(k-1)——第(k-1)次采样时的偏差
　　　　　?p(k)——第k次采样时的加注率
　　　　　?e(k)——第k次采样时的偏差
　　　　　　　k_p——比例系数
　　　　　　?k_i——积分系数
　　　　　　?k_d——微分系数
　　由于混凝剂的加注到絮体的形成有一定的滞后，仅用一般的PID算法难以得到较好的动态性能，因此还增加了Smith预估控制，在假设系统为一阶惯性纯滞后系统的前提下，该方法增加一纯滞后补偿环节，该补偿环节和原系统一起构成的广义对象不再具有纯滞后，利用广义对象的输出信号作为反馈信号进行控制，可解决纯滞后问题。具体做法是在偏差计算时增加一修正项e_1S(k)：

　　e(k)=e₁(k)+e_1S(k)　　　　(6)?
　　式中　e₁(k)——实际偏差?

　　e_1S(k)的算式为：

　　e_1S(k)=K［ν(k)-ν(k-1)］　 　　　　　　　(7)
　　v(k)=(1-T/T_m)v(k-1)+p(k-1)T/T_m　　　　　(8)
　　式中　 T——采样周期
　　　　　?K——系统增益
　　　　　?T_m——系统惯性时间常数
　　l与系统滞后时间τ的关系为：
　　　　　　　　　　　?τ=lT　　　　　　　　(9)?
　　第k次采样时的加注量Q(k)为：
　　　　　　　　　　　 ?Q(k)=p(k)×L(k)　　(10)?
　　式中L(k)——第k次采样时的进水流量
1.4 条件变化的反馈自动调整
　　沉淀条件不变时，等效直径与沉淀水浊度有很好的对应关系，但当沉淀条件变化时，等效直径与沉淀水浊度的对应关系会有变化。这时就需要调整等效直径的设定值，也就是说该方法和前述多数方法一样，不能模拟沉淀池。为此，当流量有变化时，每次采样该系统能自动调整等效直径的设定值，以消除流量变化引起的沉淀条件变化对设定值的影响。一般除流量外，沉淀条件的变化都较缓慢，为此该系统还使用沉淀水浊度反馈来自动调整设定值。做法是每30min将沉淀水浊度的测量值与目标值之差加上Smith预估修正项，经PID运算后改变等效直径的设定值。

2 控制系统的硬件和软件

　　系统硬件如图1所示，586主机通过图像接口将絮体图像信号数字化后送入内存；通过模拟接口采集4～20mA进水流量和沉淀水浊度信号，并输出4～20mA电流信号控制混凝剂加注泵。

　

　　软件的主要功能是：
　　① 将采集的絮体活动图像实时显示在计算机屏幕上；
　　② 对絮体图像进行边缘增强、数字滤波、二值化处理、连通性判别，算出每个絮体的s,l,s₀,m,最后按式(4)算出絮体的平均等效直径；
　　③ 采集进水流量、沉淀水浊度信号；
　　④ 按式(5)～(9)算出混凝剂加注量，并通过模拟接口输出；
　　⑤ 在屏幕上显示采集和计算出的各种数据并实时更新；
　　⑥ 各种参数如P、I、D参数，系统延迟时间，惯性时间，等效直径，沉淀水浊度的设定值，以及絮体图像的对比度和亮度等，都可通过下拉式菜单自行设定，以适应不同生产设备和工艺的需要；
　　⑦ 所测得和计算出的结果及时间、日期等数据，每5min一次自动存入硬盘，可存10年。

3 试验结果

　　本系统在上海南汇县航头水厂进行了现场试验，试验池为15×10⁴t/d的隔板絮凝水平沉淀池，第一阶段只记录絮体数据、沉淀水浊度、进水流量、混凝剂加注量等参数，不控制混凝剂加注量。然后分析这些数据，在使等效直径与沉淀水浊度相关性最好的前提下，得到计算平均等效直径的参数和统计方法。第二阶段以所得参数和方法计算等效直径，按式(5)～(9)进行加注量控制。按该厂生产要求，沉淀水浊度控制设定值为5NTU，4～6 NTU为符合要求。图(2)为1998年4月25日—5月1日一周内进行加注量控制后的沉淀水浊度、流量、絮体等效直径与加注量的对应关系曲线图。经每5min一次数据统计，一周内沉淀水浊度高于6 NTU的有72次，占3.57%；低于4NTU的有20次，占0.99%；沉淀水浊度总合格率为95.44%，取得了较好的控制效果。从图(2)可看出，4月27日、28日和5月1日进水流量无大变化，但加注量却从加注泵冲程的70%左右降到了50%左右，而沉淀水浊度基本相同，说明本系统能适应水质和其他因素的变化，有效控制加注量，稳定沉淀水浊度。

4 结论

　　① 使用计算机实时采集和定量分析絮体图像并算出加注率的方法，能有效地控制混凝剂的加注量，将沉淀水浊度稳定在一定范围内，达到保证水质、降低生产成本的目的。虽然实时图形分析运算量非常大，但目前计算机技术的发展已完全能满足运算速度要求，且成本也较低。

　

　　② 从混凝剂加注到絮体形成一般需10～20min，这就是滞后时间，比流动电流测定(SCD)法要长。但因流量因素已单独处理，滞后时间已能适应水质变化的要求，且使用了Smith预估控制，系统动态性能有一定改善，满足了使用要求。一般检测的参量越靠前，滞后时间越短，对该参量后系统的模拟性就越差。SCD的测量在絮凝前，因此不能模拟絮凝和沉淀条件，当絮凝或沉淀条件变化时，设定值都需要改变^［１］。因此选择检测参量时，滞后时间应综合考虑，不能绝对地说越短越好。
　　③ 本文所述的“等效直径”，只是用较简单的运算尽可能较准确地来描述絮体沉淀特性的一个参数，并不表示与某直径物体的沉淀特性“等效”。本系统使用计算机定量分析绒体图形，可得到各种絮体参数供统计研究使用，随着生产数据的大量积累，等效直径的算法也可不断改进和完善。

参考文献

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　　2 钟淳昌等.数学模型加矾自动化技术.中国给水排水，1990；(1)
　　3 Steven K D. Use of the streaming current detector in coagulation montioring and control. AQUA, 1995?
　　4 Chihpin Huang et al.?Fiber-optical technique to evaluate the state of flocculation.In:IWSA Specialized Conference on Advanced Treatment and Integrated Water System Management into the 21st Century.1995
　　5 Kenichi Kurotfanim ?et al.?Advanced control of coagulation process applying floc sensor.In:IWSA Specialized Conference on Advanced Treatment and Integrated Water System Management into the 21st Century .1995
　　6 丹保宪仁，小笠原弘一.净水技术.全国简易水道协议会出版，1985

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　　作者简介：宋启敏 教授 主要从事传感、测量、自动控制等方面的研究工作
通讯处：200072 上海市延长路149号 上海大学机械电子工程学院(27信箱)
(收稿日期 1998-12-22)