有哪些可靠的加氯方式確保出廠水余氯的穩定

來源：http://m.ssygc.com/ 作者：余氯檢測儀 時間：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內持續滅菌的關鍵，但殘留氯太高則易產生致癌物質，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定，但是由于氯氣投加過程易受外界的干擾，且在投加環節與余氯采樣環節存在較大延遲，這種傳輸距離上的滯后為純滯后，此環節無法通過傳統PID控制，微分作用來克服，對于這樣一個復雜的工藝過程，水廠普遍采用開環控制根據流量進行投加，但無法進行復合環投加，實現真正的自動化。

余氯檢測儀

　　模糊控制能將操作者或專家的控制經驗和知識表示成語言變量描述的控制規則，然后利用這些規則來進行控制。因此，模糊控制對于那些復雜的不可測系統具有無與倫比的優勢，基于這些特點，天津泰達自來水廠為實現安全供水與現代化水廠建設，投入大量人力，期間我們自控人員與工藝人員經過多次論證，最終決定采用比例-模糊-PI控制器針對不同余氯偏差量進行分級控制。

　　二、復合環控制模型

　　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。這種方法滿足大多數過程控制的要求，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存在可測量的偏差，傳至控制器，產生控制作用，作用于執行機構，以實現閉環控制;實質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。

　　鑒于單純閉環反饋的不足，一般工業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，其本質是對擾動進行補償的開環控制。標準復合環投加方式，濾后流量為干擾源，水量的變化會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，并保證靜態誤差的消除，這樣既發揮了前饋控制作用及時的特點，又保證了反饋控制能克服多擾動并可進行反饋校驗的優點

　　三、傳統控制模式的難點

　　1、存在純滯后環節

　　一般工業過程一階控制對象的數學模型近似表示為：

　　對純滯后程度的辨識，通常采用純滯后時間和過程慣性時間T之比來進行判斷。當/T<0.5時，稱系統具有一般滯后過程;當/T>0.5時,稱系統具有大延遲過程。

　　當采用閉環控制時，一旦控制對象具有滯后性，對操縱量的控制變化無法及時反映到被控量上，操縱量的變化需要經過時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，控制器也無法對干擾波動及時產生抑制作用。特別是/T>0.5時，采用傳統PID控制會引起大的超調和長時間的振蕩，甚至使系統發散，難以達到良好的控制效果。圖1-3為含有純滯后的閉環系統。

　　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，故使得系統的閉環極點有可能位于S的右半平面，從而使系統失調。

　　對于/T較小的過程，可以采用常規PI或PID控制，對于/T較大的過程，即使控制參數選定的較小，放大調節時間，也很難取得滿意的控制效果。

　　2.控制周期的確定

　　加氯機控制周期的確定主要考慮兩個因素：

　?、倏刂葡到y需要對濾后流量的變化及時作出反應。

　?、谛枰紤]設備的使用壽命，對加氯機的控制不能過于頻繁。

　　為了應對隨時變化的水量，抑制執行機構的頻繁動作，對濾后流量就需要合理的濾波，通過取其一段時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作，經考量，最終決定平均周期設為2分鐘，根據PLC的掃描周期進行采樣，累加后計算平均值，兩分鐘內的流量使用上個周期的平均流量。但是這樣做同樣會帶來一個問題，當水量確實大幅度變化時，使用上個周期的平均值就會掩蓋前饋量真實的變化，為此，我們在原有的設計思路上做出了改進：比較當前的水量與上個周期平均值的差值，當超過一定百分比后，認定當前流量為真實值，采樣計時重新開始。

　　3.反沖洗的干擾

　　濾后流量的變化，一般為濾池調節閥的開度變化引起的，其中對進水量變化造成的最大影響為濾池的反沖洗。

　　濾池要經常進行反沖，反沖的主要原因因為濾池的濾料表面長時間過濾會附著大量藻類，造成水頭損失過大。為消除這種影響，必須每隔一段時間或阻塞值到達一定程度時，對濾池進行反沖洗。

　　反沖洗對于加氯復合環而言，沖擊非常巨大，在反沖洗開始和結束時，如果不知道反沖的發生和停止，直接靠濾后流量來進行加氯調節，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生較大偏差，這樣會對閉環回路的穩定性造成不利影響。所以，當反沖開始時，濾后流量應減去反沖流量;反沖結束時，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提高濾后流量估算的準確程度，經分析，反沖洗時水量的變化為階躍響應，傳遞函數為一階慣性環節模型：

　　因系統主要存在容積延遲，純滯后時間較小，純滯后因子可忽略不計，最終我們使用來近似該階躍響應曲線，然后在反沖開始或結束時，減去或加上(Q為反沖流量)來抵消其影響。

　　對于此響應系統，我們使用階躍響應法來確定其模型，如圖1-4所示。

　　①使反沖流量產生一個適當的階躍響應，即△u;

　?、?記錄濾后流量產生的變化，直到穩定下來，最終變化△y;

　?、?在濾后流量的曲線上，找到63%△y點;

　　④記錄反沖流量的階躍變化時刻到63%△y的時間，這個時間視為時間常數T;

　?、輰V后流量產生的變化△y轉化成百分比;

　　⑥傳遞函數的過程增益;

　?、咦罱K得到過程傳遞函數為;

　　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與自動控制技術相結合的產物。模糊控制規則的建立將人的運行控制經驗轉化為機器所能識別的控制算法，在對那些無法構造數學模型的被控對象的控制方面具有明顯的優勢。例如可以把出廠余氯控制描述為：

　　當出廠水余氯偏向上限時，減少氯氣的投加比例;

　　當出廠水余氯偏向下限時，增加氯氣的投加比例;

　　當出廠水余氯符合設定值時，保持氯氣的投加比例;

　　用經典控制理論就無法實現這些經驗算法，而必須給出明確的控制方程。將這些余氯投加經驗匯總在一起，利用模糊集合作為工具使其定量化，設計出模糊控制器，用那些形式化的經驗來控制設備，這就構成了模糊控制器。

　　2.模糊控制器

　　要實現語言控制的模糊控制器，就必須解決三個問題：

　?、俚谝粋€問題要確定精確地語言變量，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。

　　②第二個問題要建立合適的隸屬函數，選取合適的語言變量后，接下來就是根據經驗寫出控制規則，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。

　　③第三個問題是要根據模糊隸屬函數，在不同的輸入量范圍時，得出一個精確值作為輸出量，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模型描述的系統，模糊邏輯控制常常能取得令人滿意的效果，但由于模糊系統屬于多級控制，每級控制期間反饋的余氯偏差值是隨動的，當從一個隸屬函數跳出至另一個隸屬函數時，系統自然會重新調整，最終系統必定存在穩定誤差，無法形成真正的穩定;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進行相應的處理，但同時帶來的缺點是規則數與隸屬函數會大大增加，以至更難制定正確的模糊控制規則。

　　五、最終控制模型

　　在不斷地實驗與探討中，最終按如下控制方案實現余氯投加：在模糊控制理論的框架下，借鑒經典控制的優點，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，當偏差大于閥值時，用比例控制，以減小系統調整時間，加快響應進程;當偏差小于閥值時，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，切換至PI控制，消除誤差，改善穩態性能。這樣就結合比例控制、PI控制與模糊控制的優點，模糊控制的論域僅是整個論域的一部分，即語言變量的語言值分檔數增加，提高了靈敏度和控制精度。

　　結論，天津泰達自來水余氯投加使用的比例-模糊-PI控制器，不僅實現了本廠安全、自動供水的要求，也為我國的濾后余氯的復合環投加方式提供了一個全新的解決方案。

　　參考文獻

　　【1】章衛國，楊向忠.模糊控制理論與應用.西北工業大學出版社.2004年7月.

　　【2】胡壽松.自動控制原理.北京科學出版社.2008年12月.

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