新型混凝投药智能复合环控制系统

南军，李圭白
(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090)

　　摘　要：通过分析原水流量对水处理混凝投药系统质量控制的影响，阐述了单一流动电流混凝投药测控系统的局限性，提出一种新型的智能复合环控制系统及相应的控制算法。
　　关键词：前馈；特性参数；流动电流
　　中图分类号：TU991.6
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)09-0049-03

1　单一流动电流投药测控系统的局限性

1.1　常规控制方法的缺点
　　一般的流动电流控制系统属于后反馈控制，它是按照被控参数与给定值的偏差进行控制的，能将引起被控参数变化的所有干扰都包括在系统中，并均由调节器来克服。但是，调节器必须在被控参数出现偏差后才能对其进行调节，以补偿干扰对被控参数的影响。如果干扰已经发生，而被控参数还没有发生变化时，调节器是不会产生校正作用的。所以，这种控制落后于干扰作用，属不及时的控制。
　　实际应用中进水流量的变化时间短而幅度大，对混凝投药控制系统的冲击较为剧烈，而过程控制总是具有滞后特性的，如容量滞后和纯滞后。从干扰作用的产生到被控参数达到新的稳定状态要经历相当长的时间。对于这类工艺，采用单回路反馈控制系统或串级控制系统已不能满足生产要求。
1.2　原水流量变化的影响
　　现有流动电流控制系统普遍采用PI调节模式，可用传递函数来表示(见图1)。

　　控制系统的控制质量取决于控制系统的参数，而流动电流混凝投药控制系统的参数即为衰减系数ζ的值或特征方程的根。为简化起见，只考虑流动电流控制回路为单回路反馈控制系统。
　　图1所示流动电流混凝投药控制系统由比例积分调节器W(s)、计量泵Wv(s)、对象W0(s)以及流动电流测量变送器Wm(s)组成。
　　由于积分控制的存在，该系统为三阶系统。为了简便起见，只考虑PI调节器的比例控制部分，即设W(s)=Kp，则系统的闭环传递函数：

　　Y_(s)／F_(s)=Kf(TmS+1)／［(T₀S+1)(T_mS+1)+K_pK_vK_mK₀］　　　　　(1)

　　由反馈控制理论可知，这是一个二阶系统的过程控制，其过渡过程将由系统特征方程式根的衰减系数ζ决定。要保证控制质量，就要力求维持对应最佳控制参数下的ζ值不变。
　　在实际应用中，根据被控对象数学模型进行理论计算或简易工程整定法得出的PI控制器的特性参数Kp、T1，一经整定后就不再改变。因而在讨论流量对系统控制质量的影响时，设T0、Tm、Kp、Km等其他参数为定值。由式(1)可知，流动电流混凝投药控制系统的特征方程为：

　　
　　式中　K′=KpKmK0
　　在流动电流投药控制系统中，计量泵的电源频率变化值与调节器的输出信号改变值成正比，即：
　　　　Δf=ks×ΔSC　　　　　　　　　　　(4)
　　式中　ks——常数
　　　　　ΔSC——流动电流调节器的输出信号改变值
　　往复式计量泵的调节参数改变值与输出流量变化值之间的关系称为计量泵的调节特性，其数学表达式为：
　　　　　　ΔQ_泵=K泵ΔfH泵=K泵ksΔSCH泵　　　(5)
　　式中　　ΔQ_泵——计量泵输出流量变化值
　　　　　　K_泵——常数
　　　　　　Δf——计量泵电源频率改变值
　　　　　　H_泵——计量泵行程百分比
　　而实际投加到原水中的矾量浓度变化值：
　　　　　　Δq=C药ΔQ泵Q水=K泵C药ksΔSCH泵Q水(6)
　　式中　　Δq——矾量浓度变化值
　　　　　　C_药——投加的药液浓度
　　　　　　Q_水——原水进水流量
　　由式(6)可知，计量泵的特性参数：
　　　　　　Kv=Δq／ΔSC=（K泵C药ksH泵）／Q水　　　(7)
　　由式(3)、(7)可以看出，在水厂实际生产中，药液浓度、计量泵的冲程一般维持不变，而原水进水流量每天都有较大幅度的变化，这会引起Kv值的改变，从而导致系统衰减系数ζ值的相应减小或增大，降低系统调节质量，严重影响生产。

2　智能混凝投药复合环控制系统

　　为了解决上述问题，提出并已应用了一种新的控制方法，如图2所示。

　　即在流动电流混凝投药串级控制系统中，引入流量比例前馈控制以进一步提高系统的控制质量。其中，前馈部分是按照干扰作用进行控制的。当某一干扰一出现，调节器立即根据干扰的性质和大小，对被控参数进行控制，以补偿干扰对被控参数的影响，使被控参数基本不变化(或很少变化)。它相对反馈控制来说是及时的，在理论上，对干扰的影响可以达到完全补偿，使被控参数不变，控制效果显著提高。
2.1　常规流量比例前馈控制系统
　　常规流量比例前馈—流动电流串级控制系统是在水厂安装原水流量计，并选取带有冲程、频率双调节的计量泵。泵的电机频率由流动电流PI控制器输出信号控制，而冲程由原水流量信号直接控制。
　　即计量泵冲程：H_泵=K_HQ_水(8)
　　式中　　KH——整定后的常数
　　式(8)代入式(7)可得：Kv=K泵C药ksKH为常数，从而保证系统衰减系数ζ值不变。
　　所以，此方法既可以改善流动电流系统的滞后问题，及时根据进水流量变化调整加药量，又可在进水流量变化时，使计量泵的特性参数Kv值不变，从而较好地保证控制质量。但是，这种控制方式也会带来一些问题，例如：
　　①每台计量泵都需加装电动冲程调节器，成本较高；
　　②由于电动冲程调节器是齿轮传动，可靠性低，寿命较短；
　　③精度较低，并存在调节间隙造成的偏差；
　　④如果出现浊度或矾液浓度的大范围变化，需要重新调整流量比例系数，对工人操作产生难度。
2.2 智能混凝投药复合环控制系统
　　为了有效地解决上述问题，对可编程控制器的模拟输出进行了改进，具体方案如下：使计量泵的电源频率f=k₁×Q_水×SC，即：
　　Δf=k₁×Q_水×ΔSC　　　　　　　　　　(9)
　　式中　k₁——常数
　　　　　SC——流动电流调节器的输出信号
　　由式(5)、(6)、(7)、(9)可得：
　　计量泵的特性参数Kv=ΔqΔSC=K泵C药k1H泵为常数。该方案将流量前馈控制值与流动电流PI调节器的输出值构成并行的复合环控制方式，给出一路控制信号来调节计量泵转速，达到变频调速和冲程调节两路控制的效果而同样可保证系统衰减系数ζ值不变。该系统具有成本明显降低、使用寿命大大延长、控制精度高、智能化程度高、设备成本降低和操作管理简化等优点。

3　结论

　　①常规的流动电流投药测控系统存在着不完善之处，原水流量变化会影响控制质量，这就需要一些改进措施。
　　②新型智能复合环控制系统可以改善计量泵特性参数，方法简便有效，可在大多数水厂中推广应用，具有广阔前景。

参考文献：

　　［1］崔福义，李圭白.流动电流及其在混凝控制中的应用［M］.哈尔滨：黑龙江技术出版社，1995.
　　［2］涂植英，朱麟章.过程控制系统［M］.北京：机械工业出版社，1998.

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　　收稿日期：2001-04-16