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污水處理中溶解氧DO的控制原理

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日期:2010年11月18日 來源:佰科

    當(dāng)前隨著水資源的不斷減少,水質(zhì)污染日益嚴(yán)重,人類生存受到嚴(yán)重威脅。污水處理與再循環(huán)利用已成為解決該危機(jī)的有效手段之一。目前。國內(nèi)外城市污水處理廠處理工藝大都采用一級(jí)處理和二級(jí)處理。一級(jí)處理是采用物理方法,主要通過格柵攔截、沉淀等手段去除廢水中大塊懸浮物和砂粒等物質(zhì)。二級(jí)處理則是采用生化方法,主要通過微生物的生命運(yùn)動(dòng)等手段來去除廢水中的懸浮性,溶解性有機(jī)物以及氮、磷等營養(yǎng)鹽。連續(xù)循環(huán)曝氣系統(tǒng)(Continuous Cycle Aeration System,CCAS)工藝,它是現(xiàn)階段在污水處理工藝中一種較先進(jìn)的處理工藝,是一種連續(xù)進(jìn)水式SBR曝氣系統(tǒng),其生物處理核心是CCAS反應(yīng)池,除磷、脫氮、降解有機(jī)物及懸浮物等功能均在該池內(nèi)完成;它要求反應(yīng)池分別工作于好氧、缺氧、厭氧3種不同的時(shí)段,使污水在“好氧一缺氧”的反復(fù)中完成去碳、脫氮,并在“好氧-厭氧”的反復(fù)中完成除磷。由于其曝氣設(shè)備一般為羅茨風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī),這樣也就使風(fēng)機(jī)根據(jù)好氧、缺氧、厭氧3種不同時(shí)段溶解氧DO濃度的需要,起起停停,造成風(fēng)機(jī)頻繁的起動(dòng)停車,致使設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用高;同時(shí),由于CCAS反應(yīng)池存在純滯后特征,易使系統(tǒng)控制產(chǎn)生振蕩,致使反應(yīng)池內(nèi)溶解氧DO濃度忽高忽低,嚴(yán)重影響了出水的質(zhì)量。

    采用TMS320LF2812DSP作為主控芯片。充分利用它所具有的實(shí)時(shí)運(yùn)算能力,豐富電機(jī)控制外圍電路和接口資源,對羅茨風(fēng)機(jī)電機(jī)實(shí)行轉(zhuǎn)子磁場定向矢量的變頻控制。使電機(jī)能根據(jù)溶解氧DO的需要工作于不同的轉(zhuǎn)速,確保溶解氧DO的濃度恒定;同時(shí),在系統(tǒng)中引入Smith預(yù)估控制,從而保證出水水質(zhì)的要求。

1 污水處理中溶解氧DO的控制原理

    污水處理中溶解氧DO的大小是由鼓風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量的大小決定的,而鼓風(fēng)量的大小與風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)的快慢有關(guān),這樣就可以根據(jù)反應(yīng)池中的溶解氧DO的需要控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,通過建立溶解氧DO環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成三閉環(huán)的系統(tǒng)模式,實(shí)現(xiàn)對溶解氧DO的恒定控制。

    速度環(huán)和電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)主要用于對風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行控制,以適應(yīng)溶解氧DO環(huán)的需要,風(fēng)機(jī)電機(jī)一般采用三相交流異步電動(dòng)機(jī),在此采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量變頻控制,其控制原理如圖1所示。

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    只要保持is與d軸垂直,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為:
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    式中,pm為轉(zhuǎn)子磁極對數(shù),ψr為轉(zhuǎn)子磁場在定子上的耦合磁鏈,isd、isq為定子電流矢量is在d、q軸的分量;通過控制isq來控制轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻控制。

    溶解氧DO環(huán)作為外環(huán)主要完成對CCAS反應(yīng)池內(nèi)的溶解氧DO的大小進(jìn)行無靜差控制,由于CCAS反應(yīng)池屬于大滯后慣性環(huán)節(jié),為提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,為此引入改進(jìn)的Smith預(yù)估控制環(huán)節(jié),其原理圖如圖2所示。

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    圖中G1(S)為主控制器PI的傳遞函數(shù),G2(S)為輔助控制器PD的傳遞函數(shù),G(S)為控制對象不含滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),從圖中可以看出:它是在經(jīng)典的Smith預(yù)估器的基礎(chǔ)上,經(jīng)等效變換后獲得的,改進(jìn)后的Smith預(yù)估控制器可以等效為:先通過Smith預(yù)估器將原有的控制對象經(jīng)PD控制器的反饋修正后,再用PI控制器對等效對象進(jìn)行控制。由于等效對象中增加了一個(gè)開環(huán)零點(diǎn),使得系統(tǒng)的截止頻率增大,從而可在由PI控制器進(jìn)行控制時(shí),得到較快的響應(yīng);同時(shí),PD控制器可使等效對象的閉環(huán)極點(diǎn)分布在合適的位置,從而得到更好的控制性能。根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)的等效傳遞函數(shù)和CCAS反應(yīng)池的慣性特征,令G(S)=K/(T1S+1)(T2S+1),T1≥T2,G1(S)=Ki(TiS+1)/TiS,G2(S)=Kd(TdS+1),則Smith預(yù)估控制器所需的參數(shù)為:Ti=Td=T1,Ki=T1T2ωn2/K,Kd=(1.41T2ωn-1)/K,ωn=5.66/Ts。

    經(jīng)過以上的考慮及設(shè)計(jì),就組成了帶Smith預(yù)估控制器的三環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)工作時(shí),首先,通過氧濃度傳感器將DO轉(zhuǎn)化為電信號(hào),然后經(jīng)過運(yùn)放及運(yùn)放調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換成0~5 V的電壓信號(hào)與DO給定相比較,經(jīng)PI運(yùn)算輸出速度給定信號(hào)nref,然后與檢測到轉(zhuǎn)子速度的微分信號(hào)相比較,經(jīng)PI運(yùn)算輸出控制轉(zhuǎn)矩的電流分量isqref,電流分量給定信號(hào)與經(jīng)過坐標(biāo)變換的電機(jī)實(shí)際電流分量比較,通過電流調(diào)節(jié)器的PI運(yùn)算,其輸出量經(jīng)Park逆變換,得到Vsαref、Vsβref,空間SVPWM模塊根據(jù)這2個(gè)信號(hào)計(jì)算PWM的占空比,生成PWM波,驅(qū)動(dòng)逆變器,產(chǎn)生可變頻率和幅值的三相正弦電流輸入電機(jī)定子,驅(qū)動(dòng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行,對污水進(jìn)行鼓風(fēng)加氧,調(diào)節(jié)溶解氧DO的大小,從而達(dá)到控制反應(yīng)池內(nèi)溶解氧DO大小的目的,控制出水水質(zhì)。

 

2 系統(tǒng)的硬件電路與功能

    該系統(tǒng)主要由主電路、DSP控制電路、檢測反饋與保護(hù)電路來組成,其系統(tǒng)組成的原理框圖如圖3所示。主電路由整流器、IPM逆變器、電機(jī)組成。IPM采用三菱公司智能功率模塊PM20CSJ060,其內(nèi)部有高速低損耗IGBT共6只,組成三相全橋逆變電路,并且內(nèi)部集成有驅(qū)動(dòng)電路,過電壓、過電流、過熱及欠電壓等故障保護(hù)電路,當(dāng)故障時(shí)IPM發(fā)出信號(hào),通過TMS320F2812的外部中斷PDPINT封鎖DSP輸出PWM脈沖,從而保護(hù)IPM免受損壞。為避免電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過高的泵生電壓,設(shè)有能耗制動(dòng)時(shí)的能量泄放控制。

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    控制電路主要由上位機(jī)、TMS320F2812、輸入/輸出接口電路等組成,TMS320F2812采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù),主頻達(dá)150MHz(時(shí)鐘周期6.67 ns),提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的能力,片內(nèi)128 Kxl6位的Flash,128 Kxl6位ROM,18 Kxl6位的SARAM,1 Kxl6位一次可編成的存儲(chǔ)器OT-P。12位A/D轉(zhuǎn)換器達(dá)16個(gè),PWM輸出通道達(dá)12個(gè),使控制系統(tǒng)的價(jià)格大大降低而且體積縮小,可靠性提高。

    電機(jī)相電流檢測是通過電流型霍爾傳感器和電阻采樣后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),再經(jīng)AC-DC變換為0~3 V的電壓信號(hào)接入DSP的A/D通道1引腳。系統(tǒng)采用的光電編碼器為每周2 500脈沖,有20針的標(biāo)準(zhǔn)接口,提供6路脈沖信號(hào)。脈沖經(jīng)QEP電路4倍頻,用來計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。CCAS反應(yīng)池內(nèi)溶解氧DO的檢測由插入污水中的COS4型溶解氧傳感器完成,經(jīng)COM252型溶氧變送器將其轉(zhuǎn)換為O~5 V的電壓信號(hào)接入DSP的A/D通道2引腳,用來反映實(shí)際的溶解氧DO大小。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要由主程序、運(yùn)行控制子程序等組成,如圖4和圖5所示。主程序完成硬件、軟件初始化、故障檢測及處理、通信、運(yùn)行等,硬件初始化主要完成DSP的設(shè)置,如看門狗、時(shí)鐘、計(jì)時(shí)器、ADC、SCI、I/O、事件管理(EV)等的設(shè)置,軟件初始化主要對軟件變量賦予初值,DSP通過SCI串口與上位機(jī)(微機(jī))保持通信,接收上位機(jī)傳送的命令,更新變量和標(biāo)志,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤控制。運(yùn)行控制子程序主要是通過電動(dòng)機(jī)的FOC矢量變頻控制,實(shí)現(xiàn)對CCAS反應(yīng)池內(nèi)溶解氧DO大小進(jìn)行監(jiān)測和閉環(huán)控制。

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4 實(shí)驗(yàn)仿真

    應(yīng)用Matlab建立控制系統(tǒng)仿真模型,仿真參數(shù)設(shè)置如下:
    h.jpg
    一般情況下厭氧池的DO小于O.1 mg/L,缺氧池的DO小于0.5 mg/L,耗氧池的DO控制在2~3 mg/L之間,通過對CCAS反應(yīng)池內(nèi)溶解氧DO的給定設(shè)置(2、0.5、O.1 mg/L)并進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖6所示。從仿真曲線可以看出,隨系統(tǒng)設(shè)置給定的變化,在不同階段系統(tǒng)控制輸出信號(hào)上升較快,調(diào)節(jié)時(shí)間較短,參數(shù)穩(wěn)定,克服了時(shí)滯大慣性緩解對系統(tǒng)性能的影響,實(shí)時(shí)控制及時(shí),穩(wěn)定效果較好。

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5 結(jié)論

    該系統(tǒng)通過采用TMS320LF2812控制芯片組成控制系統(tǒng),完成對風(fēng)機(jī)的矢量變頻調(diào)速控制,節(jié)能、控制效果好,使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和靜態(tài)性能;通過引入的Smith預(yù)估補(bǔ)償控制,提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和系統(tǒng)的魯棒性,并使系統(tǒng)具有硬件簡單和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
 

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