南軍，李圭白
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090)

　　摘　要：通過(guò)分析原水流量對(duì)水處理混凝投藥系統(tǒng)質(zhì)量控制的影響，闡述了單一流動(dòng)電流混凝投藥測(cè)控系統(tǒng)的局限性，提出一種新型的智能復(fù)合環(huán)控制系統(tǒng)及相應(yīng)的控制算法。
　　關(guān)鍵詞：前饋；特性參數(shù)；流動(dòng)電流
　　中圖分類號(hào)：TU991.6
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)09-0049-03

1　單一流動(dòng)電流投藥測(cè)控系統(tǒng)的局限性

1.1　常規(guī)控制方法的缺點(diǎn)
　　一般的流動(dòng)電流控制系統(tǒng)屬于后反饋控制，它是按照被控參數(shù)與給定值的偏差進(jìn)行控制的，能將引起被控參數(shù)變化的所有干擾都包括在系統(tǒng)中，并均由調(diào)節(jié)器來(lái)克服。但是，調(diào)節(jié)器必須在被控參數(shù)出現(xiàn)偏差后才能對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償干擾對(duì)被控參數(shù)的影響。如果干擾已經(jīng)發(fā)生，而被控參數(shù)還沒(méi)有發(fā)生變化時(shí)，調(diào)節(jié)器是不會(huì)產(chǎn)生校正作用的。所以，這種控制落后于干擾作用，屬不及時(shí)的控制。
　　實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)水流量的變化時(shí)間短而幅度大，對(duì)混凝投藥控制系統(tǒng)的沖擊較為劇烈，而過(guò)程控制總是具有滯后特性的，如容量滯后和純滯后。從干擾作用的產(chǎn)生到被控參數(shù)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)要經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。對(duì)于這類工藝，采用單回路反饋控制系統(tǒng)或串級(jí)控制系統(tǒng)已不能滿足生產(chǎn)要求。
1.2　原水流量變化的影響
　　現(xiàn)有流動(dòng)電流控制系統(tǒng)普遍采用PI調(diào)節(jié)模式，可用傳遞函數(shù)來(lái)表示(見(jiàn)圖1)。

　　控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量取決于控制系統(tǒng)的參數(shù)，而流動(dòng)電流混凝投藥控制系統(tǒng)的參數(shù)即為衰減系數(shù)ζ的值或特征方程的根。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，只考慮流動(dòng)電流控制回路為單回路反饋控制系統(tǒng)。
　　圖1所示流動(dòng)電流混凝投藥控制系統(tǒng)由比例積分調(diào)節(jié)器W(s)、計(jì)量泵Wv(s)、對(duì)象W0(s)以及流動(dòng)電流測(cè)量變送器Wm(s)組成。
　　由于積分控制的存在，該系統(tǒng)為三階系統(tǒng)。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，只考慮PI調(diào)節(jié)器的比例控制部分，即設(shè)W(s)=Kp，則系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

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

　　由反饋控制理論可知，這是一個(gè)二階系統(tǒng)的過(guò)程控制，其過(guò)渡過(guò)程將由系統(tǒng)特征方程式根的衰減系數(shù)ζ決定。要保證控制質(zhì)量，就要力求維持對(duì)應(yīng)最佳控制參數(shù)下的ζ值不變。
　　在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論計(jì)算或簡(jiǎn)易工程整定法得出的PI控制器的特性參數(shù)Kp、T1，一經(jīng)整定后就不再改變。因而在討論流量對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響時(shí)，設(shè)T0、Tm、Kp、Km等其他參數(shù)為定值。由式(1)可知，流動(dòng)電流混凝投藥控制系統(tǒng)的特征方程為：

　　
　　式中　K′=KpKmK0
　　在流動(dòng)電流投藥控制系統(tǒng)中，計(jì)量泵的電源頻率變化值與調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)改變值成正比，即：
　　　　Δf=ks×ΔSC　　　　　　　　　　　(4)
　　式中　ks——常數(shù)
　　　　　ΔSC——流動(dòng)電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)改變值
　　往復(fù)式計(jì)量泵的調(diào)節(jié)參數(shù)改變值與輸出流量變化值之間的關(guān)系稱為計(jì)量泵的調(diào)節(jié)特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
　　　　　　ΔQ_泵=K泵ΔfH泵=K泵ksΔSCH泵　　　(5)
　　式中　　ΔQ_泵——計(jì)量泵輸出流量變化值
　　　　　　K_泵——常數(shù)
　　　　　　Δf——計(jì)量泵電源頻率改變值
　　　　　　H_泵——計(jì)量泵行程百分比
　　而實(shí)際投加到原水中的礬量濃度變化值：
　　　　　　Δq=C藥ΔQ泵Q水=K泵C藥ksΔSCH泵Q水(6)
　　式中　　Δq——礬量濃度變化值
　　　　　　C_藥——投加的藥液濃度
　　　　　　Q_水——原水進(jìn)水流量
　　由式(6)可知，計(jì)量泵的特性參數(shù)：
　　　　　　Kv=Δq／ΔSC=（K泵C藥ksH泵）／Q水　　　(7)
　　由式(3)、(7)可以看出，在水廠實(shí)際生產(chǎn)中，藥液濃度、計(jì)量泵的沖程一般維持不變，而原水進(jìn)水流量每天都有較大幅度的變化，這會(huì)引起Kv值的改變，從而導(dǎo)致系統(tǒng)衰減系數(shù)ζ值的相應(yīng)減小或增大，降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

2　智能混凝投藥復(fù)合環(huán)控制系統(tǒng)

　　為了解決上述問(wèn)題，提出并已應(yīng)用了一種新的控制方法，如圖2所示。

　　即在流動(dòng)電流混凝投藥串級(jí)控制系統(tǒng)中，引入流量比例前饋控制以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。其中，前饋部分是按照干擾作用進(jìn)行控制的。當(dāng)某一干擾一出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即根據(jù)干擾的性質(zhì)和大小，對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行控制，以補(bǔ)償干擾對(duì)被控參數(shù)的影響，使被控參數(shù)基本不變化(或很少變化)。它相對(duì)反饋控制來(lái)說(shuō)是及時(shí)的，在理論上，對(duì)干擾的影響可以達(dá)到完全補(bǔ)償，使被控參數(shù)不變，控制效果顯著提高。
2.1　常規(guī)流量比例前饋控制系統(tǒng)
　　常規(guī)流量比例前饋—流動(dòng)電流串級(jí)控制系統(tǒng)是在水廠安裝原水流量計(jì)，并選取帶有沖程、頻率雙調(diào)節(jié)的計(jì)量泵。泵的電機(jī)頻率由流動(dòng)電流PI控制器輸出信號(hào)控制，而沖程由原水流量信號(hào)直接控制。
　　即計(jì)量泵沖程：H_泵=K_HQ_水(8)
　　式中　　KH——整定后的常數(shù)
　　式(8)代入式(7)可得：Kv=K泵C藥ksKH為常數(shù)，從而保證系統(tǒng)衰減系數(shù)ζ值不變。
　　所以，此方法既可以改善流動(dòng)電流系統(tǒng)的滯后問(wèn)題，及時(shí)根據(jù)進(jìn)水流量變化調(diào)整加藥量，又可在進(jìn)水流量變化時(shí)，使計(jì)量泵的特性參數(shù)Kv值不變，從而較好地保證控制質(zhì)量。但是，這種控制方式也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，例如：
　?、倜颗_(tái)計(jì)量泵都需加裝電動(dòng)沖程調(diào)節(jié)器，成本較高；
　?、谟捎陔妱?dòng)沖程調(diào)節(jié)器是齒輪傳動(dòng)，可靠性低，壽命較短；
　?、劬容^低，并存在調(diào)節(jié)間隙造成的偏差；
　?、苋绻霈F(xiàn)濁度或礬液濃度的大范圍變化，需要重新調(diào)整流量比例系數(shù)，對(duì)工人操作產(chǎn)生難度。
2.2 智能混凝投藥復(fù)合環(huán)控制系統(tǒng)
　　為了有效地解決上述問(wèn)題，對(duì)可編程控制器的模擬輸出進(jìn)行了改進(jìn)，具體方案如下：使計(jì)量泵的電源頻率f=k₁×Q_水×SC，即：
　　Δf=k₁×Q_水×ΔSC　　　　　　　　　　(9)
　　式中　k₁——常數(shù)
　　　　　SC——流動(dòng)電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)
　　由式(5)、(6)、(7)、(9)可得：
　　計(jì)量泵的特性參數(shù)Kv=ΔqΔSC=K泵C藥k1H泵為常數(shù)。該方案將流量前饋控制值與流動(dòng)電流PI調(diào)節(jié)器的輸出值構(gòu)成并行的復(fù)合環(huán)控制方式，給出一路控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)計(jì)量泵轉(zhuǎn)速，達(dá)到變頻調(diào)速和沖程調(diào)節(jié)兩路控制的效果而同樣可保證系統(tǒng)衰減系數(shù)ζ值不變。該系統(tǒng)具有成本明顯降低、使用壽命大大延長(zhǎng)、控制精度高、智能化程度高、設(shè)備成本降低和操作管理簡(jiǎn)化等優(yōu)點(diǎn)。

3　結(jié)論

　?、俪Ｒ?guī)的流動(dòng)電流投藥測(cè)控系統(tǒng)存在著不完善之處，原水流量變化會(huì)影響控制質(zhì)量，這就需要一些改進(jìn)措施。
　?、谛滦椭悄軓?fù)合環(huán)控制系統(tǒng)可以改善計(jì)量泵特性參數(shù)，方法簡(jiǎn)便有效，可在大多數(shù)水廠中推廣應(yīng)用，具有廣闊前景。

參考文獻(xiàn)：

　?。?］崔福義，李圭白.流動(dòng)電流及其在混凝控制中的應(yīng)用［M］.哈爾濱：黑龍江技術(shù)出版社，1995.
　　［2］涂植英，朱麟章.過(guò)程控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

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　　收稿日期：2001-04-16