一种水厂加氯控制系统

作者：郑晓敏

   采用先进的自动化加氯控制系统是水厂生产实现全面自动化的关键，也是难点所在。

1  加氯工艺现状

  目前，我国一些大型水厂的加氯设备和仪表都是从国外引进的，投加氯气控制尝试采用简单的复合环控制方式，因为不同的原水，甚至饮用水水源保护区总体水质较差且普遍污染严重，所以水质的波动性较大，使得精确地检测水质和自动投加的液氯量变得难以实现和效果不佳。所以最后大部分水厂还是根据检测到的数据，采用人工方式来调节阀门开度以决定投加量。

2加氯工艺介绍

  由于原水污染严重，水厂采用滤前和滤后两次加氯的方式。前加氯环节中投加的氯气相对比较少，而经混凝、沉淀、滤池过滤后水中几乎没有余氯，所以前加氯对出厂水的余氯基本没有影响；滤后加氯主要是补充第一次原水加氯后余氯的不足，保证管网末梢的余氯达到指标，因此后加氯尤为重要。本文中所提到的加氯系统没有特别强调的都是指滤后水加氯。

在滤后水加氯工艺中，存储在氯瓶中的液氯经过管道送入液氯蒸发器，经过滤除去氯气中的杂质，然后到达自动加氯机，在投加点利用水射器进行氯气投加。加氯工艺过程如图1所示。

3控制方案的选择

3.1加氯系统控制对象的数学模型

由于影响水厂加氯的因素多，尤其存在很多不可测量因素，因此其精确的数学模型是无法建立的。加氯机根据流量比例来控制投加的氯气量，可近似认为是比例环节与一阶惯性环节的组合，在清水池中氯水混合的反应可看作为比例环节、一阶惯性环节与纯滞后环节的组合。鉴于上述情况，可以近似地认为水厂加氯控制系统是由两个一阶惯性环节和一个纯滞后环节组成的，其传递函数为：

其中：K为比例环节放大系数；T1、T2分别为两个惯性环节的时间常数；r为延迟环节的时间常数。

  用该模型可以比较好地描述控制对象，但是这只是工程上的近似，若要获得精确的数学模型几乎不可能，它必定是一个高阶系统，且系统参数是随时间、外部干扰等因素的变化而变化的。

3.2  水厂加氯控制系统的模糊控制设计

  由于水厂加氯控制系统的复杂性，很难建立精确的被控对象的数学模型，若能设计出一种模糊控制器，从输入量精确值到输出量精确值可以用一个数学表达式来表达，则系统运行时只需要在线调整某些参数即可。在这种设想下提出了带模糊增益的PID控制器。

考虑到系统的控制精度和控制算法，结合水厂加氯系统自身的特点，要保证出厂水的余氯达到标准，我们把余氯值的偏差及余氯值偏差的变化确定为模糊控制器的输入变量，这样选择即提高了控制的精度，又不至于因为控制规则复杂而使得其难以实现。把实际输出的余氯值量作为输出变量。带有模糊增益PID控制的水厂加氯控制系统的结构如图2所示。图2中，r(t)为余氯给定值，c(t)为余氯测量值，e(t)为余氯偏差值，e。为余氯的偏差变化率，E为模糊余氯偏差，Ec、为模糊余氯偏差变化率，AK，、AK,、AK。分别为模糊比例、积分、微分环节增益系数，Ku为比例系数，u(t)为控制器控制量，相当于输出给加氯机加氯量的电流值。

  带模糊增益PID控制器由通用的PID控制器和模糊控制器两部分组成。而模糊控制器的输入变量为E和E。，，输出变量有3个，分别是AKP、AKi、AKD。

4设计水厂加氯系统的模糊PID控制器

  模糊增益的PID控制参数整定的思想就是先找出余氯偏差E和偏差变化率E。、与AKP、AK/、AKD三个参数之间的模糊关系，然后根据模糊控制规则在线校正AKP、AKi、AKr三个参数，以达到最优控制目的。

  在加氯系统中，若取输入量余氯偏差E和偏差变化率Ec、的基本论域分别为[-0. 12，0.12]、[-0. 02，0. 02]，其模糊子集的论域为[-6，6l;取输出变量AKP、AKi、AKD的基本论域分别为[一6，6]、[一0. 06，0.06]、L一3，3]，其模糊子集的论域为[-6，6]。将余氯变化E和余氯变化率Ec，以及输出量AKP、AKi、AKD模糊子集均设为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)，即{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；模糊变量的隶属度函数选用MATLAB默认的三角型( trimf)隶属函数。

参数△KP、AKi、AKo调整规则如表1、表2、表3所示。

  参数△K，、AKi、AKD由余氯变化E和余氯变化率Ec，根据一组模糊规则决定：

  If E是A，和Ec、是B，，then AKP是C．，AKi是D：，AKD是E，（I=1，2，…，M）。里A，、B，、C，、D，和E：是在相应子集上的模糊集合。

取E、Ec，、AKP、AKi、AKo的比例因子分别为Kr:一50、K=300、K△K，=1、K△K，一0.01、K△K，，-0.5，初始值分别为KP。-30，Ki。-0.3、K D。一5。阶跃输入信号为0. 55 mg/L，采样时间为1 s，并在330 s时，加入0. 05 mg／l的干扰信号，分别用常规控制算法和模糊增益PID控制方式进行仿真，其仿真结果如图3所示。

5  仿真结果分析

从仿真曲线可以看出：与常规控制比较，模糊增益调整的PID控制器的参数可以在线调整，使系统响应的反应时间加快，调整时间短，超调量小，响应曲线平稳，具有较强的鲁棒性；出现干扰时，具有模糊增益的PID控制器使系统偏离稳态值较小，且更快地再次进入稳态。

6摘要：加氯消毒过程具有大延时、大滞后、时变等特性，且干扰多，要实现对其良好的控制比较困难。采用模糊控制算法改进常规PID控制器，使PID参数的整定不依赖于对象数学模型，并且参数能够在线调整，满足实时控制的要求，实现了较好的余氯控制效果。