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一种简易闭环投矾控制算法的介绍_数学建模论文

时间:2015-12-16 11:22 来源:第一论文网 作者:论文网 点击:
投矾过程影响到之后的絮凝、沉淀和过滤的各个过程。如果采用絮凝成像分析等方法进行闭环投矾控制。那么变频器给定值也可分解为相应的两个分量。
  一、引言
 
  在净水厂的制水工艺中,投矾过程影响到之后的絮凝、沉淀和过滤的各个过程,是一个十分重要的环节。由于投矾控制中存在着非线性环节,同时投矾本身是一个大滞后响应的过程,导致投矾系统无法象滤池衡水位过滤那样实现十分精确的控制。加之影响投矾控制的因素很多(如气温、水源类型、原水水质突变等),也增加了投矾自控系统实现的难度。因此,有为数不少的水厂还在采用人工投矾。如果采用絮凝成像分析等方法进行闭环投矾控制,姑且不谈控制效果,购买所需设备(SCD、FCD等)的费用已经是一项较大的开支,对于中小规模的水厂来说是不适宜的。因此需要寻找一种高性价比的投矾控制方法,以实现投矾过程的自动化控制。
 
  二、控制算法分析
 
  分析现存的投矾控制方法可以发现,比较成功的都是根据投矾操作人员的经验总结出来的规律实施控制的方法。广义上讲,人工投矾也属于一种闭环控制:操作人员根据原水浊度等情况确定投加的比例,通过观察沉淀和过滤的效果再对投加比例进行修正。人工投矾相比于投矾自控系统来说,优势在于能够考虑各方面的影响因素并可以积累出一套适合本水厂的经验。因此,设计投矾控制算法时参考操作人员经验是十分重要的。查找人工投矾的缺点变频,我们可以发现操作人员根据反馈结果进行调整的速度是比较缓慢的、不连续的。因此,人工投矾往往出现瞬时偏差较大、矾耗大的问题。而调整的及时性和连续性恰恰是自控系统的优势。总结以上的结果,我们可以归纳出设计实用的投矾控制算法必须借鉴本水厂人工投矾的经验数据,同时发挥自控系统反应灵敏的优势。
 
  经过长期的实验,笔者归纳了一套简易的闭环投矾控制算法。该方法既借鉴了人工投矾的经验数据,又能够根据出水浊度对投加比例进行快速修正,以实现可靠、及时的投矾控制。
 
  (1) 基本思想:
  在工艺设计合理及相关设备运转正常的情况下,可以认为当前水样的絮凝效果(指水样经过浊度计时)是由之前的某段时间内投药量所影响的,如图1。为了清楚表示,图1将时间轴画为两条,分别表示投药时间和读出水样浊度的时间,同一条垂线与两条时间轴的交点表示同一时刻(如tx)。若将反应时间计为T0,当前时刻计为t,则当前的絮凝效果是由(t-T0-T1)到(t-T0+T1)这段时间的投药量所影响的。T1即为上面提到的时间段。即(t-T0-T1)到(t-T0+T1)的投药量是原因,而t时刻的测量浊度是结果。
 
  我们可以根据t时刻的浊度对目前的投药量作调整,以达到控制未来浊度的目的。根据前面的结论,t时刻的投药量最早能影响(t + T0-T1)时刻的水样浊度,最晚能影响(t + T0+T1) 时刻的水样浊度,即(t +T0-T1)到(t + T0+T1)期间的浊度,如图1。当然,影响(t + T0-T1)到(t +T0+T1)期间浊度的不仅仅是t时刻的投药量,这期间的水样浊度是(t + T0-2T1)到(t +T0+2T1)这段时间的投药量叠加产生的结果。如果我们能够从t时刻起根据之前的投药效果调整投药量,随着时间的推移,(t +T0-T1)到(t + T0+T1)的投药效果又可以作为之后的投药量调整依据。这样,再结合针对流量扰动的补偿,就可以使水样逐渐逼近乃至达到理想的絮凝效果。


  投矾
 图1 投药量测量浊度时序图
  (2) 算法描述:
  本算法采取复合环(即前馈-反馈控制)模式:
  1) 以原水流量和原水浊度作为主要扰动进行消除,以实现快速跟随;
  2) 以沉后水(沉淀池出水)浊度的历史偏差加权分量作为反馈输入调整投矾比例,以实现快速调节。
  由于絮凝反应是一个较长的过程,沉后水浊度的当前偏差(即沉后水当前浊度与工艺要求的浊度差值)是由前面一段时间的投药量所引发的,因此算法对当前投药量所作的调整只能影响到未来一段时间的沉后水浊度。该算法的自控系统原理图如图2:

  投矾
 图2 简易闭环投矾系统原理图
  此算法中,投矾控制系统以沉后水浊度给定值作为输入值、控制沉后水浊度(被控对象)跟随给定值而变化。净水厂的生产工艺通常是要求将沉淀池出水的浊度控制在某一范围内。正常情况下,沉淀池出水浊度越低,所需的投药量越多。为了保证水质同时节约成本变频,在此将沉淀池出水浊度的给定值取为上述范围的中间值。图1中,输出给投矾执行机构的数据由两个分量组成:
  1) 输出分量1:针对主要扰动(原水流量和原水浊度)进行调节的分量。
  2) 输出分量2:针对输入值与被控对象的累计偏差进行调节的分量(计算此分量时对其进行了加权处理,权重小于1,这是因为当前偏差随着时间的推移对沉后水浊度影响逐渐减小)。
 
  三、控制算法实现
 
  在此,笔者结合华东某县水厂(简称为C水厂)的加药系统改造介绍上述算法的实现。
  C水厂投加的混凝剂为聚合氯化铝(PAC),投加方式为压力投加。投加时,按固定比例对絮凝剂溶液进行稀释,通过离心泵加压投药,人工控制加药管道上的阀门以达到控制药量的目的。要实现投药剂量的精确控制,就必须使用计量泵投药。分析C水厂的实际情况并对“固定速度调节冲程”、“固定冲程调节速度”两种方法进行了比较,决定采用“固定冲程调节速度”的方法即固定计量泵冲程通过变频器调节计量泵转速以实现控制投药量。 
 
  根据上述算法描述,由于输出到投矾执行机构(计量泵)的给定由两部分分量组成,那么变频器给定值也可分解为相应的两个分量。因此,在计算变频器给定频率时,要分别求出频率的上述两个分量,对其迭加后即得到完整的输出频率。在此,我们将原理图中两个输出分量对应的频率分量也依次称为频率分量1和频率分量2,其计算方法如下:
  1) 频率分量1:
  首先对人工投矾的经验进行归纳,统计出不同原水浊度区间人工投矾的比例,制作出“原水浊度-投矾比例”对照表格。计算时,根据当前的原水浊度查出相应的投矾比例Kf,则可计算出频率分量1。
  频率分量1 f1 = fs *Kf * Kfr,
  其中,fs为原水流量,Kfr为将投药量转化为频率的系数。
 
  2) 频率分量2:
  频率分量2以f2表示。计算当前的f2时需要用到f2的历史值。因此在计算出当前的f2后还需要将其保存,以作为之后计算该值的历史数据。为了简化计算,在计算f2时,我们取(t0-T0-T1)到(t0-T0+T1)这段时间频率分量2的平均值作为参考依据。若将当前时刻计为t0,则需计算出(t0-T0-T1)到(t0-T0+T1)这段时间f2的平均值f2ave。将沉后水浊度给定值与当前沉后水的浊度偏差记为e。若e的绝对值超出偏差范围ex则说明需要对频率分量2作出调整(f2=f2ave+? f),否则沿用平均值(f2=f2ave)。当需要作出调整时,? f存在两个方向:当浊度高于给定值时,? f为正数,即增加频率;当浊度低于给定值时变频,? f为负数,即减少频率。
  分别计算出频率的两个分量后,将其相加即得到本时刻需要输出的频率:
  f = f1 + f2
  通过大量的试验,笔者总结出如下结论:算法应该以前馈部分的调节(即f1)作为主体,反馈部分的调节(即f2)仅作为有限的微调。这样才能够保证被控对象不偏离稳定范围。如果不对反馈调节进行限制,系统将无限震荡:导致被控对象不仅无法跟随给定值,而且偏差的最大值将逐渐增大。在实际操作中,f2的绝对值应小于f1绝对值的10%。此外,在计算e时,还应考虑到浊度计读数的波动。浊度计通常受到水样的流速和水样中的气泡影响,读数不稳定。这就使得计算出来的f2也存在波动,导致调节效果不理想。因此,要对浊度计读数进行数字滤波,以减少其对计算f2的干扰。
 
  四、应用效果
 
   C水厂采用本简易投矾算法后,年沉后水浊度平均值由原来的3.32NTU降为2.71NTU,矾耗由原来的1.98kg/km3水降为1.48kg/km3水,分别下降了18.4%和25.3%。简易投矾算法的应用取得了较好的控制效果,显著降低了药耗成本,也大大降低了工人的劳动强度,受到了使用者的好评。

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