南軍，李圭白
(哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江哈爾濱150090)

　　摘　要：通過分析原水流量對水處理混凝投藥系統質量控制的影響，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；流動電流
　　中圖分類號：TU991.6
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2001)09-0049-03

1　單一流動電流投藥測控系統的局限性

1.1　常規控制方法的缺點
　　一般的流動電流控制系統屬于后反饋控制，它是按照被控參數與給定值的偏差進行控制的，能將引起被控參數變化的所有干擾都包括在系統中，并均由調節器來克服。但是，調節器必須在被控參數出現偏差后才能對其進行調節，以補償干擾對被控參數的影響。如果干擾已經發生，而被控參數還沒有發生變化時，調節器是不會產生校正作用的。所以，這種控制落后于干擾作用，屬不及時的控制。
　　實際應用中進水流量的變化時間短而幅度大，對混凝投藥控制系統的沖擊較為劇烈，而過程控制總是具有滯后特性的，如容量滯后和純滯后。從干擾作用的產生到被控參數達到新的穩定狀態要經歷相當長的時間。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。
1.2　原水流量變化的影響
　　現有流動電流控制系統普遍采用PI調節模式，可用傳遞函數來表示(見圖1)。

　　控制系統的控制質量取決于控制系統的參數，而流動電流混凝投藥控制系統的參數即為衰減系數ζ的值或特征方程的根。為簡化起見，只考慮流動電流控制回路為單回路反饋控制系統。
　　圖1所示流動電流混凝投藥控制系統由比例積分調節器W(s)、計量泵Wv(s)、對象W0(s)以及流動電流測量變送器Wm(s)組成。
　　由于積分控制的存在，該系統為三階系統。為了簡便起見，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：

　　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，這是一個二階系統的過程控制，其過渡過程將由系統特征方程式根的衰減系數ζ決定。要保證控制質量，就要力求維持對應最佳控制參數下的ζ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、T1，一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等其他參數為定值。由式(1)可知，流動電流混凝投藥控制系統的特征方程為：

　　
　　式中　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：
　　　　Δf=ks×ΔSC　　　　　　　　　　　(4)
　　式中　ks——常數
　　　　　ΔSC——流動電流調節器的輸出信號改變值
　　往復式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：
　　　　　　ΔQ_泵=K泵ΔfH泵=K泵ksΔSCH泵　　　(5)
　　式中　　ΔQ_泵——計量泵輸出流量變化值
　　　　　　K_泵——常數
　　　　　　Δf——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——原水進水流量
　　由式(6)可知，計量泵的特性參數：
　　　　　　Kv=Δq／ΔSC=（K泵C藥ksH泵）／Q水　　　(7)
　　由式(3)、(7)可以看出，在水廠實際生產中，藥液濃度、計量泵的沖程一般維持不變，而原水進水流量每天都有較大幅度的變化，這會引起Kv值的改變，從而導致系統衰減系數ζ值的相應減小或增大，降低系統調節質量，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2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，前饋部分是按照干擾作用進行控制的。當某一干擾一出現，調節器立即根據干擾的性質和大小，對被控參數進行控制，以補償干擾對被控參數的影響，使被控參數基本不變化(或很少變化)。它相對反饋控制來說是及時的，在理論上，對干擾的影響可以達到完全補償，使被控參數不變，控制效果顯著提高。
2.1　常規流量比例前饋控制系統
　　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PI控制器輸出信號控制，而沖程由原水流量信號直接控制。
　　即計量泵沖程：H_泵=K_HQ_水(8)
　　式中　　KH——整定后的常數
　　式(8)代入式(7)可得：Kv=K泵C藥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，可靠性低，壽命較短；
　　③精度較低，并存在調節間隙造成的偏差；
　　④如果出現濁度或礬液濃度的大范圍變化，需要重新調整流量比例系數，對工人操作產生難度。
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：
　　Δf=k₁×Q_水×ΔSC　　　　　　　　　　(9)
　　式中　k₁——常數
　　　　　SC——流動電流調節器的輸出信號
　　由式(5)、(6)、(7)、(9)可得：
　　計量泵的特性參數Kv=ΔqΔSC=K泵C藥k1H泵為常數。該方案將流量前饋控制值與流動電流PI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。該系統具有成本明顯降低、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測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，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.流動電流及其在混凝控制中的應用［M］.哈爾濱：黑龍江技術出版社，1995.
　　［2］涂植英，朱麟章.過程控制系統［M］.北京：機械工業出版社，1998.

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　　收稿日期：2001-04-16