楊振海^１，陳霞^２?
1中國建筑科學研究院，北京100013；2開封供水總公司，河南開封475100

　　摘　要：針對流動電流反饋投藥測控系統(tǒng)應用存在的關鍵問題，將流量這一變化幅度較大的擾動因素預先測量出來用于前饋控制，與流動電流反饋控制結合構成 混凝投藥的前—反饋控制系統(tǒng)。對系統(tǒng)的性能進行了分析，并對前饋控制的執(zhí)行器——計量泵沖程自動調節(jié)器進行了設計。?
　　關鍵詞：混凝投藥；前—反饋控制；沖程調節(jié)器?
　　中圖分類號：TU991.22
　　文獻標識碼：C
　　文章編 號：1000-4602(1999)11-0042-03

　　 我國多數(shù)凈水廠的日產水量都要依據(jù)用水量的情況，每日進行幾次大幅度改變。例如，某水廠夜間供水低峰時只需開一臺大泵，進水量約為2 800m3/h；到早晨用水量增加時要增開一臺小泵或一臺大泵，進水約為4200m3/h或5 600m3/h；在用水高峰時要開 兩臺大泵和一臺小泵，進水量約為7600m³/h。進水量的大幅度增加(或減小)都將對流動電流混凝投藥系統(tǒng)產生干擾，其結果使系統(tǒng)產生振蕩，或微電腦控制器將控制變頻調速器大幅降低頻率，使電機轉速過低，散熱效果不好而出現(xiàn)過熱報警，若不及時處理會出現(xiàn)長時間停止加藥以至出混水。針對上述問題設計出混凝投藥的前—反饋控制系統(tǒng)。?

1 前—反饋控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構成
　　 混凝投藥前—反饋控制系統(tǒng)結構框圖如圖1。

　　 為消除進水流量大幅度改變對流動電流反饋投藥系統(tǒng)造成的干擾，將流量這一變化幅度較大的擾動因素預先測量出來，用于前饋控制，而對其他的干擾還是由流動電流反饋控制進行補償。按此想法構成的混凝投藥前—反饋控制系統(tǒng)由流動電流反饋控制系統(tǒng)^[1]和流量計、計量泵沖程自動調節(jié)器組成。其中的計量泵沖程自動調節(jié)器依據(jù)流量計送來的流量信號，通過調節(jié)加藥泵的沖程改變投藥量來實現(xiàn)流量前饋控制。
?　1.2 系統(tǒng)工作原理
　　當原水流量改變時，由原水流量計檢測出當前進水量的大小，并輸出一個4～20mA的標準信號送到計量泵沖程自動調節(jié)器，沖程自動調節(jié)器根據(jù)進水量的大小將沖程自動調節(jié)到合適的位置。由計量泵的工作原理可知：計量泵輸藥液的流量是電機工作電源頻率和沖程長度(位置)的函數(shù)，即：?

?　　q=k·60/p(1-s)fH=KfH?　　　　(1)?
　　　式中?q——計量泵輸出流量?
?　　　　　k——特性常數(shù)?
?　　　　　p——電動機極對數(shù)?
?　　　　　s——電動機的轉差率?
?　　　　　f——電機工作電源頻率，Hz?
?　　　　　H——沖程百分比?
　　由式(1)可以看出：改變H值即可改變投藥量，因而計量泵沖程自動調節(jié)器通過改變H值實現(xiàn)了混凝投藥的流量比率控制。而原水水質參數(shù)(例如濁度等參數(shù))的變化，由流動電流反饋控制器通過變頻調速器調節(jié)投藥泵的電機工作電源頻率f來實現(xiàn)補償。另外，由于流動電流反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器模型精度的要求，也就是說流量前饋沒有完全補償或過補償?shù)牟糠秩钥捎煞答伝芈费a償。

2 系統(tǒng)分析

2.1 系統(tǒng)的余差
　　為討論方便，現(xiàn)將圖1所示的方框圖簡化為圖2的形式。?

　　設控制器、干擾通道、被控對象的傳遞函數(shù)Hc(s)、HD(s)、Ho(s)分別為：

　　

　　對應圖2a所示的反饋控制系統(tǒng)，在流量擾動Q（s）的作用下，系統(tǒng)的偏差為：

　　　E(s)=[R(s)-HD(s)Q(s)]/[1+Ho(c)Hc(s)]

　　由于僅考慮Q（s)的作用，故認為R（s）=0，因而：

　　　E(s)=-HD(s)Q(s)/[1+Ho(c)Hc(s)]　　　　(3)

　　由終值定理可求得系統(tǒng)的余差為：

　　

　　擾動輸入流量Q(s)為幅值是A的階躍函數(shù)，即Q(s)=A/s，并將式(2)一并代入式(4)， 求得系統(tǒng)的余差為：

　　 C=-AK_D/1+K_CK_O (5)?

　　由式(5)可知，要減小系統(tǒng)余差，就必需增大控制器的放大系數(shù)K_C，或提高流動電流檢測器的靈敏度，以增大K_O。但是，隨著K_CK_O乘積的增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此，反饋控制系統(tǒng)的控制精度與穩(wěn)定性是矛盾的。?
　　對應圖2b所示的前—反饋控制系統(tǒng)，在流量擾動Q(s)的作用下，系統(tǒng)的偏差為：

　　E(s)=R(s)-［H_D(s)+H_O(s)H_Q(s)］Q(s)/1+H_O(s )H_C(s)?

　　在設計前饋控制器時，使其傳遞函數(shù)為：
　　　　　　　　 H_Q(s)=-H_D(s)/H_O(s) 　　　　　　 (6)?
　　 則由擾動Q(s)作用引起的系統(tǒng)偏差可以完全消除，因此增加前饋控制使控制系統(tǒng)的精度得到了提高。?

2.2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
　　 對應圖2a所示的反饋控制系統(tǒng)，在流量擾動Q(s)的作用下，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

　　I(s)/Q(s)=H_D(s)/[1+H_o(s)H_c(s)]　　　　　　　(7)

　　將式（2）給出的Hc(s)、HD（s)、Ho(s)的表達式代入上式、去掉純滯后因子，并整理得：

　　

　　系統(tǒng)的特征方程為：

　　(s+1/TD)[T1T2s2+(T1+T2)s+(1+KoKc)]=0 　　　　　　　　(9)

　　解上式可得特征方程的根sD、s1、s2分別為：

　　

　　s_D在實軸上，對穩(wěn)定性影響不大，只是使過度過程時間加長。對穩(wěn)定性影響較大的是另外 兩個根s₁、s₂。當K_CK_O大于某一值時，(T₁-T₂)²-4T₁T₂K_CK_O<0，s₁、s₂為一對共軛復根。反饋控制系統(tǒng)的過度過程處于振蕩狀態(tài)，并且隨著K_CK_O的再增大，振蕩將進一步加劇。由此可見：反饋控制系統(tǒng)不能單純?yōu)闇p小式(5)給出的誤差而增大K_C和提高流動電流檢測器的靈敏度。?
　　 對應圖2b所示的前—反饋控制系統(tǒng)，在流量擾動Q(s)的作用下，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：?
　　　　　　　　　I(s)/Q(s)=H_D(s)+H_O(s)H_Q(s)/1+H_O(s)H_C(s)　　　　 (11)?
　　由前面討論可知：在設計前饋控制器時，可使H_D(s)+H_O(s)H_Q(s)=0，因而使被控量I(s)相對流量擾動Q(s)成為一個絕對不靈敏系統(tǒng)。由此可見，前—反饋混凝投藥自控系統(tǒng)消除了流量改變對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。實際設計時，由于HO(s)和HD(s)都是在現(xiàn)場實測得出的，而不是確切知道的，因而不可能使H_Q(s)與H_O(s)/H_O(s)絕對相等。但是，使系統(tǒng)的余差減小到完全滿足生產要求的程度還是可以做到的，并且也不再需要為減小余差去增大K_CK_O，而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，前—反饋控制系統(tǒng)在一定程度上解決了穩(wěn)定性與控制精度的矛盾。?

3 控制系統(tǒng)技術實現(xiàn)

　　有關流動電流反饋控制系統(tǒng)的技術實現(xiàn)，文獻^［１］已做了較詳盡的論述。因此本文僅對前饋控制通道的實現(xiàn)進行介紹。?
　　從表面來看，前—反饋控制系統(tǒng)增加了前饋通道，似乎是增加了許多設備，而實際上原水流量計是水廠原有的，計量泵的沖程長度調節(jié)功能也是原有的，要實現(xiàn)流量前饋控制，只需增加一個計量泵沖程自動調節(jié)器即可(見圖3)。?
　　圖3所示的計量泵沖程自動調節(jié)器，是筆者專門為實現(xiàn)混凝投藥前饋控制而設計的專利產品。它由控制器和執(zhí)行器兩部分組成，其中控制器可以很方便鑲嵌在大型控制框的面板上(也可以做成壁掛式)，執(zhí)行器通過支架安裝在計時泵的地基座上。控制器接受標準的4～20mA控制信號，并將其轉變?yōu)橛嬃勘脹_程的位置信號送給執(zhí)行器，由執(zhí)行器旋動計量泵的沖程調節(jié)手柄來實現(xiàn)沖程自動調節(jié)。

4 結論

　　 ①前—反饋混凝投藥控制系統(tǒng)是擾動控制和偏差控制的結合，它具有控制精度高、穩(wěn)定速度快的特點，故在一定程度上解決了穩(wěn)定性與控制精度的矛盾。該系統(tǒng)的應用，可解決原水流量大幅度改變致使系統(tǒng)振蕩失控或投藥不及時出混水的問題。?
　　 ②計量泵沖程自動調節(jié)器是實現(xiàn)混凝投藥前—反饋控制的基礎部件，經過一段時間的應用，結果表明：它具有操作簡單、安裝方便(無論是新泵還是已經安裝好正在使用的計量泵都可方便安裝)、性能可靠等優(yōu)點。

參考文獻：?

　?。?］楊振海.流動電流混凝投藥測控系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱建筑大學，1996.

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收稿日期：1999-06-14