CN105892550A - 整定臭氧发生装置输出功率的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种整定臭氧发生装置输出功率的方法及装置,其中,所述方法包括:根据在生产现场采集的臭氧发生装置的环境参数,确定臭氧放电室需要的最佳工作频率;根据所述最佳工作频率控制当前时刻臭氧发生电源的工作频率;在所述当前时刻臭氧发生电源的作用下,所述臭氧放电室的实际输出功率;根据所述生产现场对应的给定功率和所述实际输出功率,计算用于整定功率的控制量;根据所述控制量控制下一时刻所述臭氧发生电源的输出功率,使下一时刻所述臭氧放电室的输出功率接近所述给定功率。本发明提供的方法结合生产现场的环境参数,实现对臭氧发生功率的精确闭环控制,有效保证了臭氧发生装置的工作稳定性,提高了臭氧发生装置的整体效率。

Description

整定臭氧发生装置输出功率的方法及装置
技术领域
本公开涉及臭氧生产技术领域,尤其涉及一种整定臭氧发生装置输出功率的方法及装置。
背景技术
臭氧作为一种无公害无污染无残留的强氧化剂和消毒剂,被大量应用于有机合成、无机化工、冶金、造纸、印染、食品保鲜和医疗器具及餐具消毒等领域,并被广泛应用于自来水净化和工业、生活污废水的处理。
目前,工业中大规模应用的臭氧主要采用介质阻挡放电法(DielectricBarrier Discharge,DBD)产生。利用DBD臭氧发生装置生产臭氧的关键就在于电源控制。现有技术主要采用锁相环+移相全桥电路的方式,保持臭氧发生电源的工作频率与臭氧放电室的谐振频率一致,进而通过相位改变控制臭氧放电室的输出功率。
然而,现有技术中大多数DBD臭氧发生装置是靠人工或半自动的方式调节电源的功率输出,特别是在臭氧发生放电室的气压、温度等发生较大变化时,电源的谐振频率会发生较大波动,需要人工进行过程跟踪并适时调节,操作繁琐且不能精确控制,导致臭氧发生电源的工作效率低、臭氧浪费率高等问题。
发明内容
有鉴于此,本公开提供一种整定臭氧发生装置输出功率的方法及装置,通过闭环反馈控制对臭氧发生装置的臭氧产量进行自动精确调节,确保臭氧发生装置的稳定运行。
根据本公开实施例的第一方面,提供了一种整定臭氧发生装置输出功率的方法,所述方法应用于臭氧发生装置的数字信号处理器DSP的控制器中,所述臭氧发生装置还包括:用于产生臭氧的臭氧放电室、在所述DSP控制器的控制下为所述臭氧放电室提供高频高压电源的臭氧发生电源,所述方法包括:
根据在生产现场采集的臭氧发生装置的环境参数,确定臭氧放电室需要的最佳工作频率;
根据所述最佳工作频率控制当前时刻臭氧发生电源的工作频率;
检测在所述当前时刻臭氧发生电源的作用下,所述臭氧放电室的实际输出功率;
根据所述生产现场对应的给定功率和所述实际输出功率,计算用于整定功率的控制量;
根据所述控制量控制下一时刻所述臭氧发生电源的输出功率,使下一时刻所述臭氧放电室的输出功率接近所述给定功率。
可选地,所述臭氧发生装置的环境参数包括:
输入气体气压、臭氧浓度、所述臭氧放电室的温度、所述臭氧发生电源的温度。
可选地,所述臭氧发生装置的环境参数为:输入所述臭氧放电室的氧气的气压。
可选地,采用以下公式确定臭氧放电室需要的最佳工作频率:
G ( s ) = K p 1 + T p 1 * s * e - T d * s
其中,传递函数G(s)表示最佳工作频率与氧气压强的比值;Kp、Td、Tp1为辨识参数,s为频域自变量。
可选地,根据所述生产现场对应的给定功率和所述实际输出功率,采用以下PI控制模型计算用于整定功率的控制量;
u ( t ) = k p [ e ( t ) + 1 T i ∫ 0 t e ( t ) d t ]
其中,u(t)为控制量,用于控制臭氧发生电源的输出功率,进而调整所述臭氧放电室的功率输出值;e(t)为所述实际输出功率和所述给定功率的差值;kp为比例调节参数,即P参数,Ti为积分调节参数,即I参数。
对应的,提供了一种整定臭氧发生装置输出功率的装置,设置于臭氧发生装置的数字信号处理器DSP的控制器中,所述装置包括:
频率计算模块,用于根据在生产现场采集的臭氧发生装置的环境参数,确定臭氧放电室需要的最佳工作频率;
频率控制模块,用于根据所述最佳工作频率控制当前时刻臭氧发生电源的工作频率;
功率检测模块,用于检测在所述当前时刻臭氧发生电源的作用下,所述臭氧放电室的实际输出功率;
功率控制量计算模块,用于根据所述生产现场对应的给定功率和所述实际输出功率,计算用于整定功率的控制量;
功率整定模块,用于根据所述控制量控制下一时刻所述臭氧发生电源的输出功率,使下一时刻所述臭氧放电室的输出功率接近所述给定功率。
可选的,所述臭氧发生装置的环境参数为:输入所述臭氧放电室的氧气的气压。
可选的,所述频率计算模块采用以下公式确定臭氧放电室需要的最佳工作频率:
G ( s ) = K p 1 + T p 1 * s * e - T d * s
其中,传递函数G(s)表示最佳工作频率与氧气压强的比值;Kp、Td、Tp1为辨识参数,s为频域自变量。
可选的,所述计算模块根据所述生产现场对应的给定功率和所述实际输出功率,采用以下PI控制模型计算用于整定功率的控制量;
u ( t ) = k p [ e ( t ) + 1 T i ∫ 0 t e ( t ) d t ]
其中,u(t)为控制量,用于控制臭氧发生电源的输出功率,进而调整所述臭氧放电室的功率输出值;e(t)为所述实际输出功率和所述给定功率的差值;kp为比例调节参数,即P参数,Ti为积分调节参数,即I参数。
另一方面,还提供了一种臭氧发生装置,包括:臭氧放电室、臭氧发生电源、DSP控制器;其中,所述DSP控制器中设置有上述任一所述的整定臭氧发生装置输出功率的装置;
所述臭氧发生电源在所述DSP控制器的控制下为所述臭氧放电室提供高频高压电源;所述高频高压电源信号作用于充入所述臭氧放电室中的气体,产生臭氧。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果:
相对于现有技术中的频率跟踪技术只能通过控制器采集放电室输出电流的信号并发送相对应的开关信号,控制电源主电路产生高频电压。本公开实施例提供的整定臭氧发生装置输出功率的方法结合生产现场的环境参数,通过仿真和实验整定出理想的参数,将系统辨识的方法应用于臭氧发生装置的频率控制,结合PI控制算法,实现对臭氧发生功率的精确闭环控制,有效保持臭氧发生装置在现场生产环境中工作稳定;实现在复杂多变的工业环境下,臭氧发生装置能够根据现场需要和生产现场环境自动调节功率输出,使臭氧发生装置的实际输出功率接近符合生产现场需求的给定功率,提高了臭氧发生装置的整体效率。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本公开的实施例,并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本公开根据一实施例示出的臭氧发生装置的示意图;
图2是本公开根据一实施例示出的一种整定臭氧发生装置输出功率的方法流程图;
图3是本公开根据一实施例示出的一种整定臭氧发生装置输出功率的装置框图;
图4是本公开根据一示例性实施例示出的一种用于整定臭氧发生装置输出功率的装置的一结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
DBD臭氧发生的关键就在于对臭氧发生电源的控制。DBD臭氧发生电源是一种串联谐振式变频电源,主要通过模拟和数字电路实现对工频电源进行AC-DC-AC一系列变换,产生DBD臭氧放电室所需要的最佳工作频率电压信号。
为了保证DBD臭氧产生装置的臭氧发生效率保持最大化,本公开提供了一种整定臭氧发生装置输出功率的方法,首先介绍一下实现该方法的系统结构。参照图1所示的臭氧发生装置的结构框图,臭氧发生装置包括:臭氧发生电源10、臭氧放电室11、DSP控制器12、气体输入装置13。臭氧发生电源10在DSP控制器12的控制下为臭氧放电室11提供高频高压电源;气体输入装置13用于向臭氧放电室11内输入氧气或空气。
其中,臭氧发生电源10包括:三相交流输入模块101、整流滤波电路102、全桥逆变电路103、高频变压器104。其提供高频高压电源的过程为:三相交流输入模块101输出的三相交流电经整流滤波电路102整流滤波后,输出一定电压的直流电,比如500V的直流电。该直流电作为全桥逆变电路103的输入,DSP控制器12作为核心控制器,使用ePWM(Enhanced Pulse Width Moducation,增强型脉冲带宽调制器)模块(图中未示出)产生4路PWM开关信号,控制全桥逆变电路103产生高频电源信号;上述高频电源信号经过高频变压器104升压后,转换为高频高压的电源信号。
上述臭氧发生装置的工作过程如下:臭氧发生电源10提供高频高压信号输出到臭氧放电室11的两个电极,即高压电极和接地电极;此时,介质阻挡法中高压电极和接地电极之间的部分,相当于高频放电电容;当充入臭氧放电室11的氧气从上述电容中通过,高频放电使氧气分子得到电子,变为臭氧分子,从而产生臭氧。
参照图2根据一示例性实施例示出的一种整定臭氧发生装置输出功率的方法流程图,由上述DSP控制器执行,可以包括:
步骤1、根据在生产现场采集的臭氧发生装置的环境参数,确定臭氧放电室需要的最佳工作频率;
在实际生产现场,臭氧放电室需要的最佳工作频率受生产现场环境影响较大,比如,输入到臭氧放电室的气体流量和成份、臭氧放电室的温度、产生的臭氧浓度、高频变压器的温度等都会影响臭氧放电室的最佳工作频率。其中,输入到臭氧放电室中的气体可以是空气,也可以是纯氧气。
本公开实施例中,经过大量实验测试,获取不同臭氧生产现场的环境参数作为输入量,将在生产现场实时监测到的臭氧发生电源的工作频率作为输出量,构成测量数据;分析上述测量数据,拟合出一种接近于实际运行状况的数学模型,再通过实际数据校验此模型与实际系统的符合程度并进行参数修正,最终得到一个与现场情况接近的数学模型。采用此数学模型,在后续实际生产中,将实际生产现场监测到的环境参数代入上述数学模型中,计算该生产现场下臭氧放电室需要的最佳工作频率。
可选的,研究表明,臭氧放电室需要的最佳工作频率受输入到放电室中氧气的气压、放电室温度影响最大。在现场应用中,为了提高放电室产生臭氧的效率,一般都配备有水冷系统,使放电室温度保持在预设恒定温度,比如27摄氏度左右,因此仅考虑放电室氧气气压和最佳工作频率的关系即可。根据气体压强和气体介电常数的关系,可以推导出气体压强和最佳工作频率的关系为一阶线性关系。根据上述关系,本公开实施例建立了一阶系统辨识模型,公式表示如下:
其中,G(s)表示臭氧放电室需要的最佳工作频率与放电室气体压强的比值;S表示频域自变量;K、Td、Tp1为辨识参数。
在控制科学领域,将具有线性特性关系的输入量和输出量的关系,用传递函数G(s)来表示,其中,G(s)是关于频域自变量s的函数。本公开实施例中,输出量Y(s)表示:时域中以时间为自变量的电源工作频率函数y(t)进行拉普拉斯变换后,对应的频域函数;输入量U(s)表示:时域中以时间为自变量的气体压强函数u(t)进行拉普拉斯变换后,对应的频域函数。
上述辨识参数K、Td、Tp1由不同生产场景下、不同数据采样分析并仿真计算得出。
本公开采用上述公式(1)所示的系统辨识数学模型,可以根据输入量即氧气气压的变化直接算出接近最优的输出量即臭氧放电室需要的最佳工作频率,使得系统能够始终工作在适合当前生产环境的最佳工作频率下。
步骤2、根据所述最佳工作频率控制当前时刻臭氧发生电源的工作频率;
在确定了当前生产现场臭氧放电室需要的最佳工作频率之后,DSP控制器依据所述最佳工作频率向全桥逆变电路发送控制信号,控制臭氧发生电源10的工作频率匹配所述最佳工作频率,使臭氧发生电源保持较高的工作效率。
步骤3、监测在所述当前时刻臭氧发生电源的作用下,所述臭氧放电室的实际输出功率;
本公开实施例中,可以实时监测臭氧放电室的输出电流,计算臭氧放电室的实际输出功率。即,监测臭氧放电室11在上述电源工作频率下的实际输出功率。
步骤4、根据所述生产现场对应的给定功率和所述实际输出功率,计算用于功率整定的控制量;
本公开实施例中,在实际生产臭氧之前,工作人员会根据实际需要的臭氧量依据经验人工设定一个期望输出功率值即给定功率根据预先设定的给定功率和臭氧放电室的实际输出功率,通过预设控制模型,计算用于进行输出功率整定的功率控制量。
本公开实施例中,将得到的公式(1)所示的数学模型程序化后,嵌入DSP控制器,同时加入PI控制算法,对输出功率进行整定。
其中,本公开实施例采用的PI控制算法可以表示为:
其中u(t)为控制量,用于控制全桥逆变电路调整功率输出值;e(t)为实际输出功率和给定功率的差值;kp为比例环节参数,即P参数,Ti为积分环节参数,即I参数。上述比例环节参数kp、积分环节参数Ti可以通过仿真、实验得到。
步骤5、根据所述控制量控制下一时刻所述臭氧发生电源的输出功率,使下一时刻所述臭氧放电室的输出功率接近所述给定功率。
可见,采用本公开实施例提供的整定臭氧发生装置输出功率的方法通过仿真和实验整定出理想的参数,将系统辨识的方法应用于臭氧发生装置的频率控制,结合PI控制算法,实现对臭氧发生功率的精确闭环控制;实现在复杂多变的工业环境下,臭氧发生装置能够根据现场需要和生产现场环境自动调节功率输出,使臭氧发生装置的实际输出功率接近符合生产现场需求的给定功率,提高了臭氧发生装置的整体效率。
对于前述的各方法实施例,为了简单描述,故将其都表述为一系列的动作组合,但是本领域技术人员应该知悉,本发明并不受所描述的动作顺序的限制,因为依据本发明,某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。
其次,本领域技术人员也应该知悉,说明书中所描述的实施例均属于可选实施例,所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
对应上述方法,本公开还提供了一种整定臭氧发生装置输出功率的装置,设置于臭氧发生装置的数字信号处理器DSP的控制器中。参照图3根据一示例性实施例示出的一种整定臭氧发生装置输出功率的装置框图,所述装置包括:
频率计算模块21,用于根据在生产现场采集的臭氧发生装置的环境参数,确定臭氧放电室需要的最佳工作频率;
在本公开实施例中,上述环境参数包括但不限于:输入臭氧放电室中的气体的气压、臭氧浓度、臭氧放电室的温度、臭氧发生电源的温度等参数。
在本公开另一实施例中,当上述环境参数具体为:输入所述臭氧放电室的氧气的气压时,频率计算模块21可以采用以下公式确定臭氧放电室需要的最佳工作频率:
G ( s ) = K p 1 + T p 1 * s * e - T d * s
其中,传递函数G(s)表示最佳工作频率与氧气压强的比值;Kp、Td、Tp1为辨识参数,s为频域自变量。
频率控制模块22,用于根据所述最佳工作频率控制当前时刻臭氧发生电源的工作频率;
功率检测模块23,用于检测在所述当前时刻臭氧发生电源的作用下,所述臭氧放电室的实际输出功率;
控制量计算模块24,用于根据所述生产现场对应的给定功率和所述实际输出功率,计算用于整定功率的控制量;
在本公开另一实施例中,控制量计算模块24可以采用以下PI控制模型计算用于整定功率的控制量;
u ( t ) = k p [ e ( t ) + 1 T i ∫ 0 t e ( t ) d t ]
其中,u(t)为控制量,用于控制臭氧发生电源的工作频率,进而调整所述臭氧放电室的功率输出值;e(t)为所述实际输出功率和所述给定功率的差值;kp为比例调节参数,即P参数,Ti为积分调节参数,即I参数。
功率整定模块25,用于根据所述控制量控制下一时刻所述臭氧发生电源的输出功率,使下一时刻所述臭氧放电室的输出功率接近所述给定功率。
相应的,本公开还提供了一种臭氧发生装置,包括:臭氧放电室、臭氧发生电源、DSP控制器;其中,所述DSP控制器中设置有上述任一实施例所述的整定臭氧发生装置输出功率的装置;
所述臭氧发生电源在所述DSP控制器的控制下为所述臭氧放电室提供高频高压电源;所述高频高压电源信号作用于充入所述臭氧放电室中的气体,产生臭氧。
对于装置实施例而言,由于其基本对应于方法实施例,所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下,即可以理解并实施。
本发明实施例提供的整定臭氧发生装置输出功率的方法,可以由臭氧发生装置的数字信号处理器DSP的控制器执行,该DSP控制器的结构可以参见图4所示的示意图。如图4所示,DSP控制器可以包括处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)430、总线440。处理器410、通信接口420、存储器430通过总线440完成相互间的通信。
其中,存储器430中可以存储有整定臭氧发生装置输出功率的逻辑指令,该存储器例如可以是非易失性存储器(non-volatile memory)。处理器410可以调用执行存储器430中的整定臭氧发生装置输出功率的逻辑指令,以执行上述整定臭氧发生装置输出功率的方法。例如,该整定臭氧发生装置输出功率的逻辑指令,可以是臭氧发生装置的控制软件的部分功能对应的程序,在处理器执行该指令时,控制设备可以对应的在显示界面上显示该指令对应的功能界面。
实现整定臭氧发生装置输出功率的逻辑指令的功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是,本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种整定臭氧发生装置输出功率的方法,其特征在于,应用于臭氧发生装置的数字信号处理器DSP的控制器中,所述臭氧发生装置还包括:用于产生臭氧的臭氧放电室、在所述DSP控制器的控制下为所述臭氧放电室提供高频高压电源的臭氧发生电源,所述方法包括:
根据在生产现场采集的臭氧发生装置的环境参数,确定臭氧放电室需要的最佳工作频率;
根据所述最佳工作频率控制当前时刻臭氧发生电源的工作频率;
检测在所述当前时刻臭氧发生电源的作用下,所述臭氧放电室的实际输出功率;
根据所述生产现场对应的给定功率和所述实际输出功率,计算用于整定功率的控制量;
根据所述控制量控制下一时刻所述臭氧发生电源的输出功率,使下一时刻所述臭氧放电室的输出功率接近所述给定功率。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述臭氧发生装置的环境参数包括:
输入气体气压、臭氧浓度、所述臭氧放电室的温度、所述臭氧发生电源的温度。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述臭氧发生装置的环境参数为:输入所述臭氧放电室的氧气的气压。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,采用以下公式确定臭氧放电室需要的最佳工作频率:
G ( s ) = K p 1 + T p 1 * s * e - T d * s
其中,传递函数G(s)表示最佳工作频率与氧气压强的比值;Kp、Td、Tp1为辨识参数,s为频域自变量。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据所述生产现场对应的给定功率和所述实际输出功率,采用以下PI控制模型计算用于整定功率的控制量;
u ( t ) = k p [ e ( t ) + 1 T i ∫ 0 t e ( t ) d t ]
其中,u(t)为控制量,用于控制臭氧发生电源的输出功率,进而调整所述臭氧放电室的功率输出值;e(t)为所述实际输出功率和所述给定功率的差值;kp为比例调节参数,即P参数,Ti为积分调节参数,即I参数。
6.一种整定臭氧发生装置输出功率的装置,其特征在于,设置于臭氧发生装置的数字信号处理器DSP的控制器中,所述装置包括:
频率计算模块,用于根据在生产现场采集的臭氧发生装置的环境参数,确定臭氧放电室需要的最佳工作频率;
频率控制模块,用于根据所述最佳工作频率控制当前时刻臭氧发生电源的工作频率;
功率检测模块,用于检测在所述当前时刻臭氧发生电源的作用下,所述臭氧放电室的实际输出功率;
功率控制量计算模块,用于根据所述生产现场对应的给定功率和所述实际输出功率,计算用于整定功率的控制量;
功率整定模块,用于根据所述控制量控制下一时刻所述臭氧发生电源的输出功率,使下一时刻所述臭氧放电室的输出功率接近所述给定功率。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述臭氧发生装置的环境参数为:输入所述臭氧放电室的氧气的气压。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,所述频率计算模块采用以下公式确定臭氧放电室需要的最佳工作频率:
G ( s ) = K p 1 + T p 1 * s * e - T d * s
其中,传递函数G(s)表示最佳工作频率与氧气压强的比值;Kp、Td、Tp1为辨识参数,s为频域自变量。
9.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述计算模块根据所述生产现场对应的给定功率和所述实际输出功率,采用以下PI控制模型计算用于整定功率的控制量;
u ( t ) = k p [ e ( t ) + 1 T i ∫ 0 t e ( t ) d t ]
其中,u(t)为控制量,用于控制臭氧发生电源的输出功率,进而调整所述臭氧放电室的功率输出值;e(t)为所述实际输出功率和所述给定功率的差值;kp为比例调节参数,即P参数,Ti为积分调节参数,即I参数。
10.一种臭氧发生装置,其特征在于,包括:臭氧放电室、臭氧发生电源、DSP控制器;其中,所述DSP控制器中设置有权利要求6至9任一所述的整定臭氧发生装置输出功率的装置;
所述臭氧发生电源在所述DSP控制器的控制下为所述臭氧放电室提供高频高压电源;所述高频高压电源信号作用于充入所述臭氧放电室中的气体,产生臭氧。
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