有哪些可靠的加氯方式確保出廠(chǎng)水余氯的穩定
來(lái)源:http://thesierramadre.com/ 作者:余氯檢測儀 時(shí)間:2018-08-01
一、引言
氯氣投加是水廠(chǎng)給水工藝中必不可少的環(huán)節,其作用是要將水中的游離氯控制內合理的范圍內,水中的余氯值是保證在管網(wǎng)內持續滅菌的關(guān)鍵,但殘留氯太高則易產(chǎn)生致癌物質(zhì),影響人們的健康,這就要求水廠(chǎng)必須采用可靠的投加方式確保出廠(chǎng)水余氯的穩定,但是由于氯氣投加過(guò)程易受外界的干擾,且在投加環(huán)節與余氯采樣環(huán)節存在較大延遲,這種傳輸距離上的滯后為純滯后,此環(huán)節無(wú)法通過(guò)傳統PID控制,微分作用來(lái)克服,對于這樣一個(gè)復雜的工藝過(guò)程,水廠(chǎng)普遍采用開(kāi)環(huán)控制根據流量進(jìn)行投加,但無(wú)法進(jìn)行復合環(huán)投加,實(shí)現真正的自動(dòng)化。
模糊控制能將操作者或專(zhuān)家的控制經(jīng)驗和知識表示成語(yǔ)言變量描述的控制規則,然后利用這些規則來(lái)進(jìn)行控制。因此,模糊控制對于那些復雜的不可測系統具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢,基于這些特點(diǎn),天津泰達自來(lái)水廠(chǎng)為實(shí)現安全供水與現代化水廠(chǎng)建設,投入大量人力,期間我們自控人員與工藝人員經(jīng)過(guò)多次論證,最終決定采用比例-模糊-PI控制器針對不同余氯偏差量進(jìn)行分級控制。
二、復合環(huán)控制模型
工程上的控制最常見(jiàn)的為反饋控制,如圖1-1所示。系統將輸出值與參數設定值的偏差作為控制器的輸入,使系統根據控制規則不斷縮小偏差、達到平衡狀態(tài)。這種方法滿(mǎn)足大多數過(guò)程控制的要求,但是在被控對象為大延遲、多干擾源的情況下系統很難穩定。因為反饋控制意味著(zhù)存在可測量的偏差,傳至控制器,產(chǎn)生控制作用,作用于執行機構,以實(shí)現閉環(huán)控制;實(shí)質(zhì)上反饋調節相當于一種不斷利用偏差調節的控制方法,這種方法對變化幅度較大且頻繁的系統中難以起到完善的控制作用。
鑒于單純閉環(huán)反饋的不足,一般工業(yè)上在對明顯干擾源可測的情況下,使用另一種控制前饋-反饋控制,前饋控制是基于不變性原理的控制方法,其本質(zhì)是對擾動(dòng)進(jìn)行補償的開(kāi)環(huán)控制。標準復合環(huán)投加方式,濾后流量為干擾源,水量的變化會(huì )引起系統的頻繁調節,偏差增大,乃至失調。使用前饋控制在輸入端加上相應的前饋量以克服水量干擾,并保證靜態(tài)誤差的消除,這樣既發(fā)揮了前饋控制作用及時(shí)的特點(diǎn),又保證了反饋控制能克服多擾動(dòng)并可進(jìn)行反饋校驗的優(yōu)點(diǎn)
三、傳統控制模式的難點(diǎn)
1、存在純滯后環(huán)節
一般工業(yè)過(guò)程一階控制對象的數學(xué)模型近似表示為:
對純滯后程度的辨識,通常采用純滯后時(shí)間和過(guò)程慣性時(shí)間T之比來(lái)進(jìn)行判斷。當/T<0.5時(shí),稱(chēng)系統具有一般滯后過(guò)程;當/T>0.5時(shí),稱(chēng)系統具有大延遲過(guò)程。
當采用閉環(huán)控制時(shí),一旦控制對象具有滯后性,對操縱量的控制變化無(wú)法及時(shí)反映到被控量上,操縱量的變化需要經(jīng)過(guò)時(shí)間以后才能反映到被控量上;另一方面,當被控量受干擾影響時(shí),控制器也無(wú)法對干擾波動(dòng)及時(shí)產(chǎn)生抑制作用。特別是/T>0.5時(shí),采用傳統PID控制會(huì )引起大的超調和長(cháng)時(shí)間的振蕩,甚至使系統發(fā)散,難以達到良好的控制效果。圖1-3為含有純滯后的閉環(huán)系統。
顯然:
它的特征方程都為:
可以看出,由于傳遞函數的特征方程都含有純滯后因子,故使得系統的閉環(huán)極點(diǎn)有可能位于S的右半平面,從而使系統失調。
對于/T較小的過(guò)程,可以采用常規PI或PID控制,對于/T較大的過(guò)程,即使控制參數選定的較小,放大調節時(shí)間,也很難取得滿(mǎn)意的控制效果。
2.控制周期的確定
加氯機控制周期的確定主要考慮兩個(gè)因素:
?、倏刂葡到y需要對濾后流量的變化及時(shí)作出反應。
?、谛枰紤]設備的使用壽命,對加氯機的控制不能過(guò)于頻繁。
為了應對隨時(shí)變化的水量,抑制執行機構的頻繁動(dòng)作,對濾后流量就需要合理的濾波,通過(guò)取其一段時(shí)間內的平均值作為穩定的前饋量,可以保證執行機構不至于頻繁動(dòng)作,經(jīng)考量,最終決定平均周期設為2分鐘,根據PLC的掃描周期進(jìn)行采樣,累加后計算平均值,兩分鐘內的流量使用上個(gè)周期的平均流量。但是這樣做同樣會(huì )帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題,當水量確實(shí)大幅度變化時(shí),使用上個(gè)周期的平均值就會(huì )掩蓋前饋量真實(shí)的變化,為此,我們在原有的設計思路上做出了改進(jìn):比較當前的水量與上個(gè)周期平均值的差值,當超過(guò)一定百分比后,認定當前流量為真實(shí)值,采樣計時(shí)重新開(kāi)始。
3.反沖洗的干擾
濾后流量的變化,一般為濾池調節閥的開(kāi)度變化引起的,其中對進(jìn)水量變化造成的最大影響為濾池的反沖洗。
濾池要經(jīng)常進(jìn)行反沖,反沖的主要原因因為濾池的濾料表面長(cháng)時(shí)間過(guò)濾會(huì )附著(zhù)大量藻類(lèi),造成水頭損失過(guò)大。為消除這種影響,必須每隔一段時(shí)間或阻塞值到達一定程度時(shí),對濾池進(jìn)行反沖洗。
反沖洗對于加氯復合環(huán)而言,沖擊非常巨大,在反沖洗開(kāi)始和結束時(shí),如果不知道反沖的發(fā)生和停止,直接靠濾后流量來(lái)進(jìn)行加氯調節,由于濾后流量的采樣延遲與水量變化的容積延遲,導致比例投加的不合拍使濾后余氯與設定值產(chǎn)生較大偏差,這樣會(huì )對閉環(huán)回路的穩定性造成不利影響。所以,當反沖開(kāi)始時(shí),濾后流量應減去反沖流量;反沖結束時(shí),濾后流量應加上反沖流量。
在有了反沖信號后,我們就要充分利用它來(lái)提高濾后流量估算的準確程度,經(jīng)分析,反沖洗時(shí)水量的變化為階躍響應,傳遞函數為一階慣性環(huán)節模型:
因系統主要存在容積延遲,純滯后時(shí)間較小,純滯后因子可忽略不計,最終我們使用來(lái)近似該階躍響應曲線(xiàn),然后在反沖開(kāi)始或結束時(shí),減去或加上(Q為反沖流量)來(lái)抵消其影響。
對于此響應系統,我們使用階躍響應法來(lái)確定其模型,如圖1-4所示。
?、偈狗礇_流量產(chǎn)生一個(gè)適當的階躍響應,即△u;
?、?記錄濾后流量產(chǎn)生的變化,直到穩定下來(lái),最終變化△y;
?、?在濾后流量的曲線(xiàn)上,找到63%△y點(diǎn);
?、苡涗浄礇_流量的階躍變化時(shí)刻到63%△y的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間視為時(shí)間常數T;
?、輰V后流量產(chǎn)生的變化△y轉化成百分比;
?、迋鬟f函數的過(guò)程增益;
?、咦罱K得到過(guò)程傳遞函數為;
三、模糊控制
1.模糊控制系統
模糊控制是以模糊集合理論為基礎的一種新興的控制手段,它是以模糊系統理論和模糊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結合的產(chǎn)物。模糊控制規則的建立將人的運行控制經(jīng)驗轉化為機器所能識別的控制算法,在對那些無(wú)法構造數學(xué)模型的被控對象的控制方面具有明顯的優(yōu)勢。例如可以把出廠(chǎng)余氯控制描述為:
當出廠(chǎng)水余氯偏向上限時(shí),減少氯氣的投加比例;
當出廠(chǎng)水余氯偏向下限時(shí),增加氯氣的投加比例;
當出廠(chǎng)水余氯符合設定值時(shí),保持氯氣的投加比例;
用經(jīng)典控制理論就無(wú)法實(shí)現這些經(jīng)驗算法,而必須給出明確的控制方程。將這些余氯投加經(jīng)驗匯總在一起,利用模糊集合作為工具使其定量化,設計出模糊控制器,用那些形式化的經(jīng)驗來(lái)控制設備,這就構成了模糊控制器。
2.模糊控制器
要實(shí)現語(yǔ)言控制的模糊控制器,就必須解決三個(gè)問(wèn)題:
?、俚谝粋€(gè)問(wèn)題要確定精確地語(yǔ)言變量,選擇的控制變量要具有系統特性,本系統選取輸入量為余氯偏差值,與余氯偏差率,輸出量為投加比例。
?、诘诙€(gè)問(wèn)題要建立合適的隸屬函數,選取合適的語(yǔ)言變量后,接下來(lái)就是根據經(jīng)驗寫(xiě)出控制規則,并將輸入和輸出變量模糊化后,根據模糊控制規則,建立模糊變量表,隸屬函數的層次約多,控制越精細。
?、鄣谌齻€(gè)問(wèn)題是要根據模糊隸屬函數,在不同的輸入量范圍時(shí),得出一個(gè)精確值作為輸出量,這一步稱(chēng)為模糊輸出量的解模糊判決。模糊控制系統的結構一般如圖1-5所示。
3.模糊邏輯控制系統的穩定性考慮
雖然在對復雜的或者難以用傳統數學(xué)模型描述的系統,模糊邏輯控制常常能取得令人滿(mǎn)意的效果,但由于模糊系統屬于多級控制,每級控制期間反饋的余氯偏差值是隨動(dòng)的,當從一個(gè)隸屬函數跳出至另一個(gè)隸屬函數時(shí),系統自然會(huì )重新調整,最終系統必定存在穩定誤差,無(wú)法形成真正的穩定;對于模糊控制器的精度與跟蹤性能的提高,就必須擴充模糊變量表來(lái)進(jìn)行相應的處理,但同時(shí)帶來(lái)的缺點(diǎn)是規則數與隸屬函數會(huì )大大增加,以至更難制定正確的模糊控制規則。
五、最終控制模型
在不斷地實(shí)驗與探討中,最終按如下控制方案實(shí)現余氯投加:在模糊控制理論的框架下,借鑒經(jīng)典控制的優(yōu)點(diǎn),以濾后余氯與濾后流量作為反饋值,反饋至模糊模型中,檢測余氯偏差的大小,制定合適的閥值點(diǎn),當偏差大于閥值時(shí),用比例控制,以減小系統調整時(shí)間,加快響應進(jìn)程;當偏差小于閥值時(shí),切換至模糊控制,以提高系統的阻尼特性,減小超調;當偏差近乎為零時(shí),切換至PI控制,消除誤差,改善穩態(tài)性能。這樣就結合比例控制、PI控制與模糊控制的優(yōu)點(diǎn),模糊控制的論域僅是整個(gè)論域的一部分,即語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值分檔數增加,提高了靈敏度和控制精度。
結論,天津泰達自來(lái)水余氯投加使用的比例-模糊-PI控制器,不僅實(shí)現了本廠(chǎng)安全、自動(dòng)供水的要求,也為我國的濾后余氯的復合環(huán)投加方式提供了一個(gè)全新的解決方案。
參考文獻
【1】章衛國,楊向忠.模糊控制理論與應用.西北工業(yè)大學(xué)出版社.2004年7月.
【2】胡壽松.自動(dòng)控制原理.北京科學(xué)出版社.2008年12月.
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