南 軍 李圭白　　　　　　 楊基春
　　　　(哈爾濱工業大學）　 (黑龍江省建筑設計研究院）

　　摘　要：通過分析原水流量對水處理混凝投藥系統控制質量的影響，闡述了單一流動電流混凝投藥測控系統的局限性，提出一種新型的智能復合環控制系統及相應的控制算法。
　　關鍵詞： 前饋；特性參數；控制；流動電流

Research on New Aptitude Composite Loop Coagulant Dosage
Control System in Waterworks
NAN Jun¹，YANG Ji-cun²，LI Gui-bai¹
（1. School of Munic.and Environ.Eng.,Harbin Inst of Technology; 2. Architecture Designing Bureau of heilongjiang province）

　　Abstract: The localization on the simplex streaming current coagulant dosage control System was studied,basing on analyzed the influence of original water flux on coagulant dosage control system in waterworks.Bring forward a new aptitude composite loop coagulant dosage control system and it’s way of control.
　　Keywords: forward—back feed; behavioral rating;control;streaming current

　　隨著流動電流混凝投藥控制技術在水處理投藥自動化方面的成功應用，國內外有關這一技術的理論和應用研究也日益廣泛深入。而在連續生產過程中，單一的流動電流控制系統在實際應用中受到各種主客觀因素的影響，控制效果與理想值有一定的偏差。本文在理論研究和應用經驗的基礎上進行系統闡述，為流動電流技術的推廣應用提供參考。

1．單一流動電流混凝投藥測控系統的局限性

1.1 常規控制方法
　　常規的流動電流控制系統屬于后反饋控制，如圖1所示：

　　它的控制原理是把沉后水濁度作為系統的主控參數，流動電流值為副控參數。兩個控制器串聯連接，濁度控制器的輸出為流動電流控制器的給定值輸入，流動電流控制器輸出操縱投藥裝置動作，改變投藥量。在原水水質、水量發生變化后，流動電流控制回路開始調節，迅速克服大部分干擾。其后少量的一次干擾由濁度控制回路通過自動調節流動電流設定值徹底清除。其中從水質、水量發生變化改變水中膠體電位到流動電流監測器取樣檢測到該變化，并相應改變投藥量這段時間為控制的純滯后時間。這段時間視從投藥點到取樣點的混合時間而定。
1.2 原水流量變化對系統控制質量的影響
　　流動電流監測器的取樣水必須有代表性，要求是充分混合后的水樣，但是短時間混合后的水樣中膠體剛剛脫穩，絮凝作用很強，非常容易粘附在取樣管壁及探頭的表面，因而取樣位置不能太靠前。如果水廠進水加藥點后為高強度的靜態混合器混合，混合時間短、效果好，取樣點就可靠前，系統滯后時間僅為一分鐘左右，相對水處理工藝較長的處理時間，可認為沒有滯后問題；而當進水加藥僅為短距離管道混合，混合效果較差，必須在反應池中取樣，或設置混合池時在末端取樣，由于池內的摻混作用，滯后時間會顯著增加，可達三至十分鐘。一般進水流量的變化時間短而幅度大，對這種相對較大滯后時間的混凝投藥控制系統沖擊較為劇烈。對于這類工藝，采用單回路反饋控制系統或串級控制系統已不能滿足生產要求。
　　現有流動電流控制系統普遍采用PI調節模式，它屬于一種通用型反饋控制調節規律，主要建立在系統的動態特性基礎上，根據系統在過渡過程的動態變化情況進行輸出調節。在模擬調節系統中PIab控制算法的模擬表達式為：

　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　（1）

式中：y—調節器的輸出信號；
　　　　e(t)—調節器的輸入偏差信號，它等于測量值與給定值之差；
　　　　Kp—調節器的比例系數；
　　　 ＴⅠ —調節器的積分時間常數。
　　為簡化起見我們只考慮流動電流控制回路為單回路反饋控制系統,用傳遞函數來表示見圖2:

　　圖2所示流動電流混凝投藥控制系統由比例積分調節器Ｗ(5)、計量泵Ｗv(5)、對象Ｗ0(5) 以及流動電流測量變送器_Ｗm(5) 、干擾Ｗf(5)、階躍擾動F(5)組成。

　　　　　　　　Ｗ（s)=Kp(1+1/TⅠS)；Ｗv(s)=Kv；W0(s)=K0/T0S+1；Wm(s)=K/TmS+1；

　　設　　　Wf(s)=Kf/[T0S+1]

　　式中：Kv—計量泵的特性參數；
　　 　　 K0—對象的特性參數；
　　　　 Ｔ0—對象的時間常數；
　　 　　 Km—流動電流測量變送器的特性參數；
　　 　　 Tm—流動電流測量變送器的時間常數；
　　　　 　Kf—干擾的特性參數；
　　　 　　S—復變量。
　　由于積分控制的存在，該系統為三階系統。為了簡便起見，我們只考慮PI調節器的比例控制部分，即設_Ｗ(s)=Kp。則系統的閉環傳遞函數：

　　　　　　　　　 　　　　　　　（2）

　　由反饋控制理論可知，這是一個二階系統的過程控制，其過渡過程將由流動電流混凝投藥控制系統的參數即為衰減系數_ξ的值或特征方程的根決定。要保證控制質量，就要力求維持對應最佳控制效果參數下的_ξ值不變。

在實際應用中，根據被控對象數學模型進行理論計算或簡易工程整定法得出的PI控制器的特性參數_Kp,TI一經整定后就不再改變。因而在討論流量對系統控制質量的影響時，設T0,Tm,Kp,Km等其它參數為定值。由式（2）可知，流動電流混凝投藥控制系統的特征方程為：

　　　　　　　　　　 T0TmS²+(T0+Tm)S+(1+K′Kv)=0 　　　　　　　（3）

　　其衰減系數

　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　（4）

　　其中：K′=KpKmK0
　　在流動電流投藥控制系統中，計量泵的電源頻率變化值與調節器的輸出信號改變值成正比，即
　　　　　　　　△f=ks×△SC（5）
　　其中：ks—為常數；△SC—流動電流調節器的輸出信號改變值
　　計量泵的調節參數改變值與輸出流量變化值之間的關系稱為計量泵的調節特性，其數學表達式為：

　　　　　　　　　　　 △Q_泵＝K_泵△fH_泵＝Ｋ_泵kc△SCHD_泵 　　　　　　 （6）

　　式中：△Q泵—計量泵輸出流量變化值；
　　　　 K泵—常數；
　　　　 △f—計量泵電源頻率改變值；
　　　 　H泵—計量泵行程百分比。

　　而實際投加到原水中的藥量變化值：

　　　　　　　　　　　 △q=[C_藥△Q_泵/Q_水]=(K_泵C_藥ks△SCH_泵)/Q_水 　　　　　　　（7）

　　式中：△q—藥量變化值；
　　　　　C_藥—投加的藥液濃度；Q_水—原水進水流量。
　　由（7）式可知，流動電流投藥控制系統中計量泵的特性參數

　　　　　　 Kv=△q/△SC=[K_泵C_藥ksH_泵]/Q_水 　　　　　　　　　　（8）

　　由式（4）、（8）我們可以看出：在水廠實際生產中，藥液濃度C_藥在一段時期內維持不變，而計量泵的沖程則多為人工手動控制，不能隨原水流量較大幅度的變化做出準確、及時的調整。這樣原水流量的變化勢必會引起K_v值的改變，從而導致系統衰減系數ζ值的相應減小或增大Kv值較小時，則_ζ值較大，這種系統過渡過程雖然是不振蕩的，但是水質水量等干擾發生變化時系統調節速度緩慢，不能保證出水水質的穩定；而當Kv值較大時，則ζ值較小，這種系統過渡過程阻尼大，原水參數發生變化時，能迅速做出反應。但隨ζ 值繼續減小，系統會發生衰減震蕩且不斷加劇，導致加藥量頻繁地大幅度變化，浪費藥劑且可能導致出水水質惡化，嚴重影響生產。

2．智能混凝投藥復合環控制系統

　　為了解決上述問題，提出并已應用了一種新的控制方法如圖3所示。即在流動電流混凝投藥串級控制系統中，引入流量比例前饋控制以進一步提高系統的控制質量。其中前饋部分即原水流量控制器是根據原水流量測量變送器（流量計）的檢測值進行控制的。當原水流量一變化，調節器立即根據流量變化幅度大小，對系統加藥量進行調節，來補償水量變化對水中膠體脫穩程度的影響，使出水水質基本不變化（或很少變化）。而流動電流串級控制系統的輸出和流量調節器輸出復合控制投藥量，對其余水質參數變化的影響進行反饋閉環調節，消除余差。由于在水量發生變化尚未影響到水廠工藝處理效果前，前饋調節器就通過調整加藥量及時行了補償，因而它相對前述常規流動電流后反饋控制來說是及時的，在理論上對水量變化的影響可以達到完全補償，控制效果顯著提高。

2.1 常規流量比例前饋-流動電流串級控制系統
　　 常規流量比例前饋-流動電流串級控制系統是在水廠安裝原水流量計，并選取帶有沖程、頻率雙調節的計量泵。泵的電機頻率由流動電流控制器輸出信號控制，而沖程由原水流量信號按比例直接控制。

　　即計量泵沖程　　　　　　　　H_泵=KHQ_水　　　　　　　（9）　　

　　式中：KH為整定后的常數。
　　式（9）代入式（8）可得:Kv=K_泵KsKH為常數，從而保證系統衰減系數ζ值不變。
　　所以，此方法既可以改善流動電流控制系統的滯后問題，及時根據進水流量變化調整加藥量；又可在進水流量變化時，使計量泵的特性參數Kv值不變，從而較好地保證控制質量。但是這種控制方式也會帶來一些問題，例如：
　　1、 每臺計量泵都需加裝電動沖程調節器，成本較高；
　　2、 由于電動沖程調節器是齒輪傳動，可靠性不搞，壽命較短；
　　3、 精度較低，并存在調節間隙造成的偏差；
　　4、 工人操作同時要兼顧沖程和頻率調節，有一定難度；
2.2 智能混凝投藥復合環控制系統
　　為了有效地解決上述問題，對可編程控制器的模擬輸出進行了改進，具體方案如下：
　　使計量泵的電源頻率f=k1×Q_水×SC， 即
　　　　　　　　　　　 △f=k1×Q_水×△SC　　　（10）
　　式中：K1—為常數；
　　　 　 SC—流動電流調節器的輸出信號，此時沖程調節到適當值后在計量泵的流量 滿足需要的最大加藥量條件下不再改變。
　　由式（6）、（7）、（8）、（10）可得：
　　計量泵的特性參數Kv=△q/△SC=K_泵C_藥k1H_泵為常數，也可保證控制效果。該方案將流量前饋控制值與流動電流調節器的輸出值構成并行的復合環控制方式，給出一路控制信號來調節計量泵轉速，達到變頻調速和沖程調節兩路控制的效果而同樣可保證系統衰減系數_ζ值不變。具有成本明顯降低、使用壽命大大延長、控制精度高、智能化程度高、設備成本降低和操作管理簡化等優點。

3．結論

　　1、常規的流動電流投藥自控系統存在著不完善之處，原水流量變化會影響控制質量，這就需要一些改進措施。
　　2、新型智能復合環控制系統可以改善計量泵特性參數的方法簡便有效，可在大多數水廠中推廣應用，具有廣闊前景。

參考文獻

　　[1] 崔福義　李圭白著 ，流動電流及其在混凝控制中的應用， 哈爾濱，黑龍江技術出版社，1995，68-98
　　[2] 何克忠 李偉，計算機控制系統，北京，清華大學出版社，1998，147-160，228-259

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簡 歷
　　一、個人情況：
　　姓名：南軍 性別：男 出生年月：1971.2 民族：鮮族
　　專業：市政工程 政治面貌：中共黨員 最高學歷：博士后
　　所在單位：哈爾濱工業大學市政環境工程學院 工作時間：1996.1
　　籍貫：黑龍江省哈爾濱市 專 業職務：助理研究員 評職時間：1996.5
　　研究方向：水處理工藝、水處理過程控制與優化。
　　通訊地址：哈爾濱市南崗區海河路202號，哈爾濱工業大學2區2441信箱
　　郵　編：150090
　　E-mail:nanjun@etang.com
　　電話：(0451) 6282298(家) ，傳呼：191-1133922（漢）
二、教育情況
　　1989.9~1993.7 沈陽建筑工程學院 學士學位論文工作 本科
　　1993.9~1996.4 哈爾濱建筑大學 碩士學位論文工作 碩士（留校任教）
　　1996.9~1999.6 哈爾濱建筑大學 博士研究生工作 博士（助理研究員）
　　1999.6~2001 東南大學 博士后研究生工作 博士后
三、科研方面
　　從事過SC法混凝控制系統的研究工作；高濁度水透光脈動單因子絮凝投藥自動控制系統生產試驗研究；國家“八五”重點攻關項目——最優投藥設備與控制系統開發的研究；含油污水混凝投藥自控應用技術研究；凈水廠混凝投藥自控系統優化研究；不同波長光源在線顆粒檢測技術研究；水廠集散式自控系統的研究；城市供水系統監測和自動化技術設備，均是主要研究人員，目前撰寫已發表論文共計6篇。
四、公開發表論文有：
　　1. “PID 調節模式下的流動電流混凝投藥自動控制系統”，哈建大學報，1999.5
　　2. “透光率脈動混凝投藥自控系統設定值影響因素研究”, 哈建大學報, 1999.5
　　3. “透光率脈動絮凝檢測混凝投藥自動控制技術的研究”, 哈建大學報, 1999.2
　　4. “石油開采廢水處理技術的現狀與展望”， 中國給水排水，1999.11
　　5. “透光率脈動絮凝投藥自控系統配置的工程實踐研究”，給水排水，1999,25
　　6. “新型水處理混凝投藥智能復合環控制系統研究”，中國給水排水，2001.9