CN201749385U - 前馈-反馈复合控制的水厂投药控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种基于MFA控制器的前馈-反馈复合控制的水厂投药控制系统，其包括：用于将前馈输入的原水浊度和/或原水流量测量值及反馈输入的待滤水浊度测量值进行计算并产生控制输出信号，去控制加药泵变频器工作的MFA控制模块；用于测量待滤水浊度的待滤水浊度检测仪；用于测量原水浊度的原水浊度检测仪；用于测量原水流量的原水流量检测仪；用于接收MFA控制模块的输出信号并根据信号对加药泵的转速进行控制的加药泵变频器；用于将药物泵入原水的加药泵；原水浊度检测仪和/或流量检测仪、MFA控制模块、加药泵变频器、加药泵和待滤水浊度检测仪相互连接。本实用新型具有极强的鲁棒性，对于提高水质，增强系统可靠性极具意义。

Description

前馈-反馈复合控制的水厂投药控制系统

技术领域

本实用新型涉及自动化技术和给排水处理工艺，特别涉及一种用于控制水厂出水浑浊度的自适应计算机控制技术。

背景技术

投药过程是自来水厂进行水处理的一道关键工序，其动态过程特性具有大惯性、大时滞、时变性、不确定性的特点，是一种难控的被控对象。投药量的多少取决于原水水质(主要是浑浊度)、流量、沉淀池出水水质(主要是浑浊度)，投药混凝过程控制得不好将会使出水的质量(主要是浑浊度)不符合要求，从而产生事故，不仅造成了水资源浪费，而且还会产生不好的社会影响。我国很多给水厂的投药自动化水平还较低，仍在使用传统手动控制方法。由于原水水质、流量以及净水构筑物运行工况变化频繁，通常要求操作工反复调整混凝剂的投加量并观察混凝效果，才能保证出水水质满足净水要求。手动控制方法存在操作工劳动强度大、对操作工的责任心要求高，混凝效果受到操作工的技术与经验等人为因素影响的不足。

为了克服手动控制方法的缺点，同时降低水厂操作工的劳动强度。国内一些水厂也开始使用自动投药系统，主要采用如下三种方式：(1)采用流动电流检测仪(Streaming Current Detector，简称SCD)的自动投药系统；(2)采用显示式絮凝控制(Flocculation Control Device，简称FCD)自动投药系统；(3)采用基于透光率脉动(Fluctuation of Transmitted Light，简称FTL)检测的自动投药系统。虽然，这三种自动投药系统的应用取得了一定的效果，控制效果优于手动控制，但仍存在许多不足。上述三种控制系统的主要结构和特点如下：

(1)SCD控制系统(其控制示意图如图1所示)：基于SCD技术的控制系统主要由流动电流检测仪、加药变频器和加药泵构成，系统通常采用PID控制算法。其缺点是：①原水水质变化较大时，检测数值发生漂移、灵敏度降低、误差增大；②系统必须定期调整参考设定值，并且稳定性较差、调校时间长，容易造成投加过量或不足；③采样点位置选取要求高，检测探头容易被污染、抗水冲击能力小、取样管容易堵塞。

(2)FCD控制系统(其控制示意图如图2所示)：基于FCD技术的控制系统主要由CCD摄像头、计算机系统、加药变频器和加药泵构成，使用图象处理软件和PID控制算法。其缺点是：①原水中的杂质容易对系统造成干扰，导致絮体颗粒的图像采集误差大；②FCD是在水下进行摄像，凝絮的沉淀物会在摄像头沉淀聚集、必须经常清洗，非常麻烦；③FCD控制系统需要对三维矾花图像进行处理，系统复杂，复杂的计算增加了信号反馈的滞后时间。

(3)FTL控制系统(其控制示意图如图3所示)：基于FTL技术的控制系统主要由透光率脉动传感器、计算机系统、加药变频器和加药泵构成，主要采用PID控制算法或基于PID的复合控制算法。其缺点是：①取样管容易堵塞；②虽然引入的串级控制方式可在一定范围内自动调整设定值，但当水质变化超过一定范围时，仍然需要有经验的操作人员依据经验人工修正设定值，未能实现全部自动控制；③透光率脉动技术应用于高浊度水的混凝剂投加控制效果较好，但在常规浊度水、超低浊度水的应用处于发展阶段，仍有许多不完善的地方。

综上所述，目前国内流行的三种自动投药控制系统，其最根本的问题在于它不是以沉淀池出水浑浊度(水厂最重要的综合性水质指标，也称为待滤水混浊度)为检测值进行控制，组成闭环控制系统；而是采用水处理过程的中间变量(如SCD、FCD、FTL)进行控制。因此，随着进水流量和水质的变化，其给定值需要经常调整。此外，上述三种自动投药控制方法的检测仪表都不是标准化仪表，比较复杂、稳定性较差、维护工作量很大，很多水厂使用一段时间后，觉得仪表调校和维护麻烦，其给定值又要经常调整，因此，最终就停止使用和运行，导致目前国内大多数水厂仍在使用传统手动控制方法，但这样的方法已明显不能适应现代水厂的工作和生产要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种使用MFA控制器、通过原水流量和/或原水浑浊度前馈-待滤水浑浊度反馈复合控制的水厂投药控制系统。该系统可以有效地控制具有大时滞、大惯性、多干扰、时变性和不确定性的被控过程。

为实现本实用新型的目的采用的技术方案：一种前馈-反馈复合控制的水厂投药控制系统，其特征是，包括：

用于将前馈输入的原水浊度和/或原水流量测量值及反馈输入的待滤水浊度测量值进行计算并产生控制输出信号，去控制加药泵变频器工作的MFA控制模块；

用于测量待滤水浊度的待滤水浊度检测仪；

用于测量原水浊度的原水浊度检测仪；

用于测量原水流量的原水流量检测仪；

用于接收MFA控制模块的输出信号并根据信号对加药泵的转速进行控制的加药泵变频器；

用于将药物泵入原水的加药泵；

所述原水浊度检测仪和/或原水流量检测仪与MFA控制模块信号连接；MFA控制模块与加药泵变频器、加药泵依次信号连接；待滤水浊度检测仪与MFA控制模块信号连接。

更具体的说，所述MFA控制模块包括：

用于对原水浊度和/或原水流量测量值进行处理，并将处理结果输入MFA控制器的MFA前馈控制模块；

用于将MFA前馈控制模块的输出结果和反馈输入的待滤水浊度测量值进行计算并产生控制输出信号，去控制加药泵变频器工作的MFA控制器。

为了更好地实现本实用新型，所述MFA控制器为抗滞后MFA控制器。

所述待滤水浊度检测仪是指低浊度检测仪。

本实用新型的设计原理是：由于反馈控制系统的输出是偏差的函数，只有出现偏差才进行调节，因此，如果偏差的反馈调节不及时，严重情况下可能会导致控制系统的发散振荡。而前馈的引入可以在一旦有扰动出现时，控制器就做出及时的控制调节，这样就能在偏差还未出现以前就把扰动的影响消除了。因此，本实用新型采用了前馈-反馈复合控制来实现对水厂投药过程的控制，其中前馈系数的计算步骤如下：

第一步，测出被控对象的飞升曲线，通过分析飞升曲线，得出被控对象的近似传递函数；

第二步，测出原水流量干扰通道的飞升曲线，通过分析飞升曲线，得出原水流量干扰通道的传递函数；

第三步，测出原水浊度干扰通道的飞升曲线，通过分析飞升曲线，得出原水浊度干扰通道的近似传递函数；

第四步，分别计算前馈控制模块的流量传递函数和浊度传递函数；

第五步，得出前馈系数。

在实际的控制过程中，以得出的前馈系数为参考值，根据被控对象的具体情况进行在线调整，以得到最佳的控制效果。

本实用新型是这样工作的：将原水浊度检测仪和/或原水流量检测仪的测量值作为MFA前馈控制模块的输入信号，待滤水浊度检测仪的测量值经过反馈输入MFA控制器，原水浊度和/或原水流量测量值经过MFA前馈控制模块处理后也输入MFA控制器，两者经MFA控制器计算产生控制输出信号(标准电压信号)，控制输出信号传送到加药泵变频器，通过加药泵变频器控制加药泵转速，以此调节加药泵向原水中泵入的药量。

本实用新型相对于现有技术的优点和效果是：

1、本实用新型公开的前馈-反馈复合控制的水厂投药控制系统，使用MFA控制器对原水流量和/或原水浑浊度前馈-待滤水浑浊度反馈进行复合控制，由于MFA控制器无需被控对象的精确模型，因此可省去复杂的控制器设计及参数整定过程，具有极强的鲁棒性，使得控制系统对于水厂混凝投药这样的难控对象具有较强的适应能力。

2、本实用新型公开的前馈-反馈复合控制的水厂投药控制系统，由于加入了前馈控制的优点，使得前向通道上原水水质和水流量的干扰得到及时调整控制。

3、本实用新型公开的前馈-反馈复合控制的水厂投药控制系统，实现了水厂投药过程的全自动，使水厂自动化程度得以大大提高，而且使出水浑浊度控制精度达到0.3～0.5NTU，满足实际生产工艺要求，对于提高水质，减轻工人劳动强度，降低成本，增强控制系统的可靠性等具有极大的意义。

附图说明

图1是现有技术中SCD投药系统控制示意图；

图2是现有技术中FCD投药系统控制示意图；

图3是现有技术中FTL投药系统控制示意图；

图4是本实用新型公开的前馈-反馈复合控制的水厂投药控制系统的结构框图；

图5是实施例一至实施例五中被控对象的飞升曲线；

图6是实施例一至实施例五中原水流量干扰通道的飞升曲线；

图7是实施例一至实施例五中原水浊度干扰通道的飞升曲线；

图8是实施例一中待滤水浊度、原水流量和投药量变化曲线图；

图9是实施例二中待滤水浊度、原水流量和投药量变化曲线图；

图10(a)是实施例三中待滤水浊度的变化曲线图；图10(b)是实施例三中原水流量和投药量的变化曲线图；图10(c)是实施例三中原水浊度的变化曲线图；

图11(a)是实施例四中待滤水浊度的变化曲线图；图11(b)是实施例四中原水流量和投药量的变化曲线图；图11(c)是实施例四中原水浊度的变化曲线图；

图12(a)是实施例五中待滤水浊度的变化曲线图；图12(b)是实施例五中原水流量和投药量的变化曲线图；图12(c)是实施例五中原水浊度的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

本实用新型公开的控制系统的结构框图如图4所示，其包括：用于将前馈输入的原水浊度和/或原水流量测量值及反馈输入的待滤水浊度测量值进行计算并产生控制输出信号，去控制加药泵变频器工作的MFA控制模块；用于测量待滤水浊度的待滤水浊度检测仪；用于测量原水浊度的原水浊度检测仪；用于测量原水流量的原水流量检测仪；用于接收MFA控制模块的输出信号并根据信号对加药泵的转速进行控制的加药泵变频器；用于将药物泵入原水的加药泵；其中，原水浊度检测仪和/或原水流量检测仪与MFA控制模块信号连接；MFA控制模块与加药泵变频器、加药泵依次信号连接；待滤水浊度检测仪与MFA控制模块信号连接。MFA控制模块包括：用于对原水浊度和/或原水流量测量值进行处理，并将处理结果输入MFA控制器的MFA前馈控制模块；用于将MFA前馈控制模块的输出结果和反馈输入的待滤水浊度测量值进行计算并产生控制输出信号，去控制加药泵变频器工作的MFA控制器。MFA控制器为抗滞后MFA控制器，待滤水浊度检测仪采用低浊度检测仪，具体使用的是美国HACH公司的产品，型号为1720Esc100。加药泵变频器采用日本三菱公司产品，型号S500；加药泵采用德国普罗名特精密计量泵，型号为TZ6HMD10-1500PP；原水浊度检测仪采用美国HACH公司的产品，型号为1720Esc100；原水流量检测仪采用西门子公司的SITRANS F M电磁流量计。

下述实施例一至实施例四为采用本实用新型对某水厂投药过程的模拟控制试验，实施例五为采用本实用新型对某水厂投药过程进行实际控制。

为了更好地应用本实用新型，首先，我们测出被控对象的飞升曲线，如图5所示。在开环手动作用下待过程运行平稳，记录下运行的参数：待滤水浊度为7.75NTU；使原水流量维持在4.8m³/h时投药量OP值由44％增加到49％，待重新达到稳态时，测得待滤水浊度为5.65NTU。通过分析这条飞升曲线，可以得到被控对象的近似传递函数为：

$G_o\left(s\right)=-\frac{4.2}{1480s+1}{e}^{-1740s}---\left(1\right)$

式中，S表示传递函数的拉普拉斯算子，e表示以e为底的指数；

上式中，过程增益是无因次量(由待滤水浊度变化的百分数与OP值变化百分数之比求得，下面流量干扰通道和原水浊度干扰通道飞升曲线的处理方法与此相同。)

为了设置合适的前馈系数，我们测出原水流量干扰通道的飞升曲线如图6所示。在控制系统手动稳定运行时，记录下运行的参数：待滤水浊度为9.8NTU；将原水流量由6.0m³/h减小到5.0m³/h，待重新达到稳态时，测得待滤水浊度为7.78NTU。经分析整理得流量干扰通道传递函数为：

$G_{\mathrm{flow}}\left(s\right)=\frac{1.52}{1660s+1}{e}^{-1380s}---\left(2\right)$

式中各参数的定义同式(1)。

为了设置合适的前馈系数，我们测出原水浊度干扰通道的飞升曲线如图7所示(由于原水是取自水厂附近某河流的水，原水浊度是不可控的，为了做原水浊度干扰实验，特建了一个搅拌池，通过潜水泵可将搅拌池中浊度较高的水抽到原水处与原水混合使得原水浊度增加)。

系统手动运行稳定时，记录下运行的参数：待滤水浊度为5.7NTU；在维持投药量OP为47％及流量4.19m³/h条件下，将搅拌池的潜水泵关闭使原水浊度由99NTU降为实际的原水浊度(此时为60NTU)，当重新运行稳定时测得待滤水浊度为4.5NTU。通过分析这条飞升曲线可以得到原水浊度干扰通道近似传递函数：

$G_{\mathrm{turb}}\left(s\right)=\frac{1.8}{1420s+1}{e}^{-1440s}---\left(3\right)$

式中各参数的定义同式(1)。

其次，我们制定前馈-反馈的控制策略，计算前馈系数：由于前馈控制分为静态前馈和动态前馈两类，根据不变性原理，前馈控制模块的传递函数为：

$G_{\mathrm{ff}1}\left(s\right)=-\frac{G_{\mathrm{flow}}\left(s\right)}{G_o\left(s\right)}=-0.36\×\frac{1480s+1}{1660s+1}{e}^{360s}---\left(4\right)$

$G_{\mathrm{ff}2}\left(s\right)=-\frac{G_{\mathrm{turb}}\left(s\right)}{G_o\left(s\right)}=-0.43\×\frac{1480s+1}{1420s+1}{e}^{300s}---\left(5\right)$

其中，G_ff1(s)为流量传递函数；G_ff2(s)为浊度传递函数。从式(4)、式(5)中可以直接看出流量的静态前馈系数为0.36、浊度的静态前馈系数为0.43。在下述实施例中，以上式计算的结果为静态前馈系数的参考值，然后，根据现场的具体情况进行在线调整，以得到最佳的控制效果。

实施例一

将组态好的MFA控制模块中的MFA前馈控制模块的两个前馈系数均设为0，即此时本实用新型公开的系统形成一个纯反馈闭环控制系统，设置反馈设定值为6.25NTU，待系统稳定运行时，启动流量变频器形成原水流量的人工干扰，将流量变频器频率由45Hz(对应的原水流量为5.92m³/h)减小为39Hz(对应的原水流量为5.1m³/h)，控制效果如图8所示。

从图8中可以看出，流量干扰使得待滤水浊度的偏差最大达到0.9NTU，并经过2个振荡周期才基本趋于平稳。

实施例二

在MFA前馈控制模块中设置流量前馈系数为0.6，设置前馈作用时间为T＝30s，设置反馈设定值为7.7NTU，待系统稳定运行时，启动流量变频器形成原水流量人工干扰，将流量变频器频率由45Hz(对应的原水流量为5.92m³/h)减小为39Hz(对应的原水流量为5.1m³/h)，此时本控制系统的控制效果如图9所示。

从图9中可以看出，流量干扰使得待滤水浊度的偏差只有0.2NTU，对比实施例一中纯反馈控制抗流量干扰实验可以看出，前馈-反馈控制效果要好得多，流量前馈信号的引入很好的克服了流量干扰的影响。

实施例三

在MFA前馈控制模块中设置原水浊度前馈系数为0.4，前馈作用时间设置为T＝30s，设置反馈设定值为4.8NTU。初始的原水浊度为48NTU，待系统稳定运行时，开启高浊度水搅拌池的潜水泵，形成原水浊度的人为干扰，使原水浊度增大，此时本控制系统的控制效果如图10所示。

从图10中可以看出，原水浊度干扰使得待滤水浊度的偏差不到0.5NTU，并且没有明显的振荡，原水浊度前馈信号的引入很好的克服了原水浊度干扰的影响。

实施例四

在MFA前馈控制模块中设置流量前馈系数为0.6，原水浊度前馈系数为0.4，前馈作用时间设置为T＝30s，设置反馈设定值为5.0NTU。待系统稳定运行时，开启高浊度水搅拌池的潜水泵，形成原水浊度的人为干扰，使原水浊度增大，同时增大流量变频器的频率，形成原水流量的人为干扰，使原水流量也增大，此时本控制系统的控制效果如图11所示。

从图中可以看出，控制偏差在0.7NTU以内，双前馈控制能够比较好的克服流量和原水浊度比较大的波动的影响。

实施例五

采用本实用新型公开的控制系统对某水厂的水处理过程进行控制，在MFA前馈控制模块中设置流量前馈系数为0.6，原水浊度前馈系数为0.4，设置反馈设定值为4.8NTU，系统平稳运行7.2小时，运行期间完全是实际水况，图12中看出这段时间内原水流量基本保持不变，原水浊度有所波动。控制效果如图12所示，控制偏差在±0.5NTU以内，完全满足控制性能要求。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种前馈-反馈复合控制的水厂投药控制系统，其特征是，包括：

用于将前馈输入的原水浊度和/或原水流量测量值及反馈输入的待滤水浊度测量值进行计算并产生控制输出信号，去控制加药泵变频器工作的MFA控制模块；

用于测量待滤水浊度的待滤水浊度检测仪；

用于测量原水浊度的原水浊度检测仪；

用于测量原水流量的原水流量检测仪；

用于接收MFA控制模块的输出信号并根据信号对加药泵的转速进行控制的加药泵变频器；

用于将药物泵入原水的加药泵；

所述原水浊度检测仪和/或原水流量检测仪与MFA控制模块信号连接；MFA控制模块与加药泵变频器、加药泵依次信号连接；待滤水浊度检测仪与MFA控制模块信号连接。

2.根据权利要求1所述的前馈-反馈复合控制的水厂投药控制系统，其特征是，所述MFA控制模块包括：

用于对原水浊度和/或原水流量测量值进行处理，并将处理结果输入MFA控制器的MFA前馈控制模块；

用于将MFA前馈控制模块的输出结果和反馈输入的待滤水浊度测量值进行计算并产生控制输出信号，去控制加药泵变频器工作的MFA控制器。

3.根据权利要求1或2所述的前馈-反馈复合控制的水厂投药控制系统，其特征是，所述MFA控制器为抗滞后MFA控制器。

4.根据权利要求1或2所述的前馈-反馈复合控制的水厂投药控制系统，其特征是，所述待滤水浊度检测仪是指低浊度检测仪。

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