有哪些可靠的加氯方式確保出廠水余氯的穩(wěn)定

來源：http://www.ssygc.com/ 作者：余氯檢測(cè)儀 時(shí)間：2018-08-01

　　一、引言

　　氯氣投加是水廠給水工藝中必不可少的環(huán)節(jié)，其作用是要將水中的游離氯控制內(nèi)合理的范圍內(nèi)，水中的余氯值是保證在管網(wǎng)內(nèi)持續(xù)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，這就要求水廠必須采用可靠的投加方式確保出廠水余氯的穩(wěn)定，但是由于氯氣投加過程易受外界的干擾，且在投加環(huán)節(jié)與余氯采樣環(huán)節(jié)存在較大延遲，這種傳輸距離上的滯后為純滯后，此環(huán)節(jié)無法通過傳統(tǒng)PID控制，微分作用來克服，對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的工藝過程，水廠普遍采用開環(huán)控制根據(jù)流量進(jìn)行投加，但無法進(jìn)行復(fù)合環(huán)投加，實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化。

余氯檢測(cè)儀

　　模糊控制能將操作者或?qū)＜业目刂平?jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示成語言變量描述的控制規(guī)則，然后利用這些規(guī)則來進(jìn)行控制。因此，模糊控制對(duì)于那些復(fù)雜的不可測(cè)系統(tǒng)具有無與倫比的優(yōu)勢(shì)，基于這些特點(diǎn)，天津泰達(dá)自來水廠為實(shí)現(xiàn)安全供水與現(xiàn)代化水廠建設(shè)，投入大量人力，期間我們自控人員與工藝人員經(jīng)過多次論證，最終決定采用比例-模糊-PI控制器針對(duì)不同余氯偏差量進(jìn)行分級(jí)控制。

　　二、復(fù)合環(huán)控制模型

　　工程上的控制最常見的為反饋控制，如圖1-1所示。系統(tǒng)將輸出值與參數(shù)設(shè)定值的偏差作為控制器的輸入，使系統(tǒng)根據(jù)控制規(guī)則不斷縮小偏差、達(dá)到平衡狀態(tài)。這種方法滿足大多數(shù)過程控制的要求，但是在被控對(duì)象為大延遲、多干擾源的情況下系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因?yàn)榉答伩刂埔馕吨嬖诳蓽y(cè)量的偏差，傳至控制器，產(chǎn)生控制作用，作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制;實(shí)質(zhì)上反饋調(diào)節(jié)相當(dāng)于一種不斷利用偏差調(diào)節(jié)的控制方法，這種方法對(duì)變化幅度較大且頻繁的系統(tǒng)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(duì)明顯干擾源可測(cè)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(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)控制。標(biāo)準(zhǔn)復(fù)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(tǒng)的頻繁調(diào)節(jié)，偏差增大，乃至失調(diào)。使用前饋控制在輸入端加上相應(yīng)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(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

　　三、傳統(tǒng)控制模式的難點(diǎn)

　　1、存在純滯后環(huán)節(jié)

　　一般工業(yè)過程一階控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型近似表示為：

　　對(duì)純滯后程度的辨識(shí)，通常采用純滯后時(shí)間和過程慣性時(shí)間T之比來進(jìn)行判斷。當(dāng)/T<0.5時(shí)，稱系統(tǒng)具有一般滯后過程;當(dāng)/T>0.5時(shí),稱系統(tǒng)具有大延遲過程。

　　當(dāng)采用閉環(huán)控制時(shí)，一旦控制對(duì)象具有滯后性，對(duì)操縱量的控制變化無法及時(shí)反映到被控量上，操縱量的變化需要經(jīng)過時(shí)間以后才能反映到被控量上;另一方面，當(dāng)被控量受干擾影響時(shí)，控制器也無法對(duì)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(tǒng)PID控制會(huì)引起大的超調(diào)和長時(shí)間的振蕩，甚至使系統(tǒng)發(fā)散，難以達(dá)到良好的控制效果。圖1-3為含有純滯后的閉環(huán)系統(tǒng)。

　　顯然：

　　它的特征方程都為：

　　可以看出，由于傳遞函數(shù)的特征方程都含有純滯后因子，故使得系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)有可能位于S的右半平面，從而使系統(tǒng)失調(diào)。

　　對(duì)于/T較小的過程，可以采用常規(guī)PI或PID控制，對(duì)于/T較大的過程，即使控制參數(shù)選定的較小，放大調(diào)節(jié)時(shí)間，也很難取得滿意的控制效果。

　　2.控制周期的確定

　　加氯機(jī)控制周期的確定主要考慮兩個(gè)因素：

　　①控制系統(tǒng)需要對(duì)濾后流量的變化及時(shí)作出反應(yīng)。

　　②需要考慮設(shè)備的使用壽命，對(duì)加氯機(jī)的控制不能過于頻繁。

　　為了應(yīng)對(duì)隨時(shí)變化的水量，抑制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的頻繁動(dòng)作，對(duì)濾后流量就需要合理的濾波，通過取其一段時(shí)間內(nèi)的平均值作為穩(wěn)定的前饋量，可以保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)不至于頻繁動(dòng)作，經(jīng)考量，最終決定平均周期設(shè)為2分鐘，根據(jù)PLC的掃描周期進(jìn)行采樣，累加后計(jì)算平均值，兩分鐘內(nèi)的流量使用上個(gè)周期的平均流量。但是這樣做同樣會(huì)帶來一個(gè)問題，當(dāng)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?cè)谠械脑O(shè)計(jì)思路上做出了改進(jìn)：比較當(dāng)前的水量與上個(gè)周期平均值的差值，當(dāng)超過一定百分比后，認(rèn)定當(dāng)前流量為真實(shí)值，采樣計(jì)時(shí)重新開始。

　　3.反沖洗的干擾

　　濾后流量的變化，一般為濾池調(diào)節(jié)閥的開度變化引起的，其中對(duì)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?yàn)闉V池的濾料表面長時(shí)間過濾會(huì)附著大量藻類，造成水頭損失過大。為消除這種影響，必須每隔一段時(shí)間或阻塞值到達(dá)一定程度時(shí)，對(duì)濾池進(jìn)行反沖洗。

　　反沖洗對(duì)于加氯復(fù)合環(huán)而言，沖擊非常巨大，在反沖洗開始和結(jié)束時(shí)，如果不知道反沖的發(fā)生和停止，直接靠濾后流量來進(jìn)行加氯調(diào)節(jié)，由于濾后流量的采樣延遲與水量變化的容積延遲，導(dǎo)致比例投加的不合拍使濾后余氯與設(shè)定值產(chǎn)生較大偏差，這樣會(huì)對(duì)閉環(huán)回路的穩(wěn)定性造成不利影響。所以，當(dāng)反沖開始時(shí)，濾后流量應(yīng)減去反沖流量;反沖結(jié)束時(shí)，濾后流量應(yīng)加上反沖流量。

　　在有了反沖信號(hào)后，我們就要充分利用它來提高濾后流量估算的準(zhǔn)確程度，經(jīng)分析，反沖洗時(shí)水量的變化為階躍響應(yīng)，傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié)模型：

　　因系統(tǒng)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(jì)，最終我們使用來近似該階躍響應(yīng)曲線，然后在反沖開始或結(jié)束時(shí)，減去或加上(Q為反沖流量)來抵消其影響。

　　對(duì)于此響應(yīng)系統(tǒng)，我們使用階躍響應(yīng)法來確定其模型，如圖1-4所示。

　　①使反沖流量產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)碾A躍響應(yīng)，即△u;

　　② 記錄濾后流量產(chǎn)生的變化，直到穩(wěn)定下來，最終變化△y;

　　③ 在濾后流量的曲線上，找到63%△y點(diǎn);

　　④記錄反沖流量的階躍變化時(shí)刻到63%△y的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間視為時(shí)間常數(shù)T;

　　⑤將濾后流量產(chǎn)生的變化△y轉(zhuǎn)化成百分比;

　　⑥傳遞函數(shù)的過程增益;

　　⑦最終得到過程傳遞函數(shù)為;

　　三、模糊控制

　　1.模糊控制系統(tǒng)

　　模糊控制是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的一種新興的控制手段，它是以模糊系統(tǒng)理論和模糊技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。模糊控制規(guī)則的建立將人的運(yùn)行控制經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為機(jī)器所能識(shí)別的控制算法，在對(duì)那些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象的控制方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。例如可以把出廠余氯控制描述為：

　　當(dāng)出廠水余氯偏向上限時(shí)，減少氯氣的投加比例;

　　當(dāng)出廠水余氯偏向下限時(shí)，增加氯氣的投加比例;

　　當(dāng)出廠水余氯符合設(shè)定值時(shí)，保持氯氣的投加比例;

　　用經(jīng)典控制理論就無法實(shí)現(xiàn)這些經(jīng)驗(yàn)算法，而必須給出明確的控制方程。將這些余氯投加經(jīng)驗(yàn)匯總在一起，利用模糊集合作為工具使其定量化，設(shè)計(jì)出模糊控制器，用那些形式化的經(jīng)驗(yàn)來控制設(shè)備，這就構(gòu)成了模糊控制器。

　　2.模糊控制器

　　要實(shí)現(xiàn)語言控制的模糊控制器，就必須解決三個(gè)問題：

　　①第一個(gè)問題要確定精確地語言變量，選擇的控制變量要具有系統(tǒng)特性，本系統(tǒng)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。

　　②第二個(gè)問題要建立合適的隸屬函數(shù)，選取合適的語言變量后，接下來就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)寫出控制規(guī)則，并將輸入和輸出變量模糊化后，根據(jù)模糊控制規(guī)則，建立模糊變量表，隸屬函數(shù)的層次約多，控制越精細(xì)。

　　③第三個(gè)問題是要根據(jù)模糊隸屬函數(shù)，在不同的輸入量范圍時(shí)，得出一個(gè)精確值作為輸出量，這一步稱為模糊輸出量的解模糊判決。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般如圖1-5所示。

　　3.模糊邏輯控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮

　　雖然在對(duì)復(fù)雜的或者難以用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型描述的系統(tǒng)，模糊邏輯控制常常能取得令人滿意的效果，但由于模糊系統(tǒng)屬于多級(jí)控制，每級(jí)控制期間反饋的余氯偏差值是隨動(dòng)的，當(dāng)從一個(gè)隸屬函數(shù)跳出至另一個(gè)隸屬函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)自然會(huì)重新調(diào)整，最終系統(tǒng)必定存在穩(wěn)定誤差，無法形成真正的穩(wěn)定;對(duì)于模糊控制器的精度與跟蹤性能的提高，就必須擴(kuò)充模糊變量表來進(jìn)行相應(yīng)的處理，但同時(shí)帶來的缺點(diǎn)是規(guī)則數(shù)與隸屬函數(shù)會(huì)大大增加，以至更難制定正確的模糊控制規(guī)則。

　　五、最終控制模型

　　在不斷地實(shí)驗(yàn)與探討中，最終按如下控制方案實(shí)現(xiàn)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(cè)余氯偏差的大小，制定合適的閥值點(diǎn)，當(dāng)偏差大于閥值時(shí)，用比例控制，以減小系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間，加快響應(yīng)進(jìn)程;當(dāng)偏差小于閥值時(shí)，切換至模糊控制，以提高系統(tǒng)的阻尼特性，減小超調(diào);當(dāng)偏差近乎為零時(shí)，切換至PI控制，消除誤差，改善穩(wěn)態(tài)性能。這樣就結(jié)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，即語言變量的語言值分檔數(shù)增加，提高了靈敏度和控制精度。

　　結(jié)論，天津泰達(dá)自來水余氯投加使用的比例-模糊-PI控制器，不僅實(shí)現(xiàn)了本廠安全、自動(dòng)供水的要求，也為我國的濾后余氯的復(fù)合環(huán)投加方式提供了一個(gè)全新的解決方案。

　　參考文獻(xiàn)

　　【1】章衛(wèi)國，楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)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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