2022年自动加氯控制系统的算法与实现终稿 .pdf

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1、第 24卷第 4期2005年 12月武汉工业学院学报JournalofWuhanPolytechnicUn iversityVo.l 24N o . 4D ec . 2005收稿日期 :2004-12- 27修回日期 : 2005- 06 - 23作者简介 : 邹红利 ( 1969- ), 女, 湖北省云梦县人, 高级工程师。文章编号 :1009- 4881( 2005) 04- 0017- 04自动加氯控制系统的算法与实现邹红利 ,陈为真(武汉工业学院电气信息工 程系 , 湖北 武汉430023)摘要: 介绍水厂自动加氯控制系统的控制算法及实现方法, 并就系统的可靠性进行分析,控制成品水余氯

2、值基本稳定,提高水质 , 降低运行成本 。关键词 : 加氯控制系统; PCU控制器 ;增量式算法 ; PI调节中图分类号 : TP 273文献标识码 :A0引言水处理过程中为保证水质必须进行消毒处理,消毒的主要目的是杀灭水中的细菌、大肠菌等。目前我国仍基本以氯作为消毒剂,氯是一种强的氧化剂 ,有较好的消毒效果,但氯也有其他的副作用,为解决这一矛盾, 常采用间歇加氯方法, 即间歇性地进行原水加氯 , 其加氯量及间隔时间以不让藻类、贝壳类等滋生为前提, 而尽量地把加氯消毒的功能放在滤后进行 , 此时大部分卤代物的前驱物质已被沉淀、过滤掉 , 所以把加氯消毒的重点放在滤后, 能有效地杀死水中的微生物

3、和细菌, 而又最大限度地降低氯化消毒的副作用, 达到合理加氯的目的。白鹤咀水厂刚进行试运行调试时的出厂水余氯值未有恒定 , 且耗氯量也高。按国标规定, 出厂水余氯值一般为0 . 5 1 . 0mg/L,我们希望该值保持在一个稳定的值上 , 较少变动 , 而实际情况却会由于源水水质情况及自动调节系统品质不高和各种干扰,从而很难保持稳定, 本文采用PI调节方式 , 以实现加氯系统自动调节并保证出厂水余氯值的稳定。1控制算法以白鹤咀水厂为例, 加氯系 统利用加氯机(美国 W& T公司的V - 500) 的 SC U 及 PCU控制器来完成对加氯的自动控制及信号监测, 同时还配备了氯吸收装置(收集过滤

4、器), 另外本站PLC也对整个加氯系统进行监测显示及声光报警, 并与全厂过程控制 DCS系统进行通讯 , PLC显示屏对压力切换电动阀 (开 /关 )状态、水射器 (开 / 关 )状态进行显示,当隔膜破裂 , 供氯线路切换, 漏氯蒸发器水温高、低及蒸发器水位低、 加氯机真空信号 (高 / 低 ) 进行声光报警以便及时提醒值班人员对其处理。当 DCS系统远程遥控加氯机时,将滤后余氯值及系数设定值给调节器, 加氯量由PC U 模块控制器来完成 , 其 PID模块与标准反馈信号自动地控制在预定调整点SP的过程变量PP值, 其工作原理如图1所示。图 1加氯机工作原理图在 PCU控 制器中 , 采用的

5、是 PID 控 制算 法模块 1, 而系统中 ,计算机采集的都是离散的信号, 这样送入PCU控制器PID处理模块的也只是e(k) = r( k) - y(k), ( k= 1 , 2, 3 ,)的信息 , 所以其中比例作用只能采样进行, 因此引出离散化处理后的PID控制算式 , 即由理想PID调节公式 :u = KCe+1Tiedt+ Tddedt引出 :u (k) = Kce(k) + Kie( i)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - -

6、 - - - - - 武汉工业学院学报2005年+ Kd e(k) -e(k - 1) 式中 :Kc比例常数 ;Ki积分常数 ;Kd微分常数。其中 : e(k) = x (k) - y (k)是第 k个采样时刻的偏差值 ,此处 u (k)相应计算机输出为全量输出, 即对应加氯机 V 型阀的阀位 , 但由于它每次输出与过去状态有关 , 这不仅需要计算机对e( k)进行累加 , 而且计算机的任何故障都有会使u(k)大幅度变化(也即V 型阀大幅变化 , 这对安全生产很不利), 引进增量式算法 , 即由 PID调节器公式可得:u( k) = u( k) - u (k- 1)= Kc e(k) - e(

7、k- 1) + Kie(k)+ Kd e( k) - 2e( k- 1) + e(k- 1) 这样做只将e( k) 累加部分由计算机其它子程序完成 , 算式中不需要累加, 增量只与最近几次采样值有关 , 容易获得较好的控制效果, 而且由于只输出增量 ,控制阀的误动作也小些。控制器利用PID计算对偏差信号操作, 产生一个按正确方向操作加氯阀的输出信号, 从而使导致过程负载改变或调整点变化的偏差信号的持续时间与大小都达到最小, 加氯机PCU执行比例、积分、 微分计算速度较快, 而且还包括外部复位, 添加前馈、反复位终结等。其比例作用产生与SP偏差成比例的输出 (即线性范围TC), 积分作用 (Ti

8、)即自动复位产生与不在设定点的控制变量的时间长度与偏差成比例的校正信号, 积分为复位电路所要求的时间长度 ,从而产生输出变化等于比例动作产生变化的大小 ,而导数动作(Td)即速率动作产生与控制变量正在变化的速率成比例的校正信号, 即微分作用此时不能达到使被控量接近设定值的效果 2, 它只是抑制其偏差的变化率, 可以说净水厂加氯系统是一典型的时间滞后的系统,所以在加氯系统中, 仅只采用PI调节作用即可。由于加氯系统为一随动自调系统, 它除了要考虑扰动引起的过渡过程以外, 还要考虑系统在给定值发生变化时被调量随给定值变化而产生的过渡过程 3。系统的被调量(输出 )随着扰动或给定值的变化将会偏离原来

9、的稳定值, 这样系统就经过了由稳态到暂态 , 再达到稳态的过程, 即过渡过程。而对任一个自动调节系统而言, 我们都希望系统的过渡过程是一个衰减振荡过程, 并趋向于一个定值。反观PCU调节器的PI调节是指调节单元由两部分组成 : 一部分正比于输入量即比例作用部分;另一部分正比于输入量的积分, 即积分作用部分, 其数学表达式 :y = Kce+1Tiedt传递函数 :G ( s) = Kc1+1Tis式中 Kc是比例系数 ; Ti为积分时间。当e等于某一阶跃值e0时有 :1Tie0dt =1Tie0t0当 t= Ti时有 :1Tie0dt =e0即在阶跃输入量下, 积分时间是指重复一次比例作用所需

10、的时间, 此时可很方便求出积分时间Ti, 如图 2所示 :图 2阶跃输入量下的积分时间求值此时积分时间Ti越小 , G ( s)越大 , 说明积分作用越强; 反之 Ti越大 , 积分 作用越弱。而当Ti=时,G ( s) = Kc,则积分作用不存在。由上述传递函数公式可得 :G( s) = Kc1+1Tis=KcTisTis可以看出积分时间越小, 积分作用越强 , 偏差消除快 , 但衰减比变小, 振荡 性加剧 , 稳定性变差; 反之, 增大积分时间则积分作用减弱, 消除偏差慢, 衰减比变大 , 稳定性改善 , 所以只有选择适当的积分时间才可以解决这个问题。由计算机程序来实现PI调节 , 其灵活

11、性是很大的, 只要程序稍加改变 4。就可以达到改善控制质量的目的 , 但由于系统执行机构的线性范围受限制,当偏差较大时 ,不能很快消除, 因而公式中近似积分将取值很大 , 必然导致系统在消除偏差时出现较大的超调现象 , 为此引进算法的逻辑功能,一方面可以减少超调量 , 另一方面也可以达到积分较正的预期效果 , 即:u (k) = Kce(k) + K1Kie(k)18名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 4期邹红利 ,

12、 陈为真 : 自动加氯控制系统的算法与实现式中K1=1当 e(k) A0当 e(k)A则当 eA时, 积分项不起作用, 只有当偏差较小时,积分作用才加入, 使调节器稳定性得到改善。2实现方法用试错法 5, 将过程 参数即积分时间常数Ti,增益 Kc按 PI方式的绝对误差乘时间标准的最小积分 ,来计算比较理想的调节参数, 具体如下。2 . 1 将 PC U 置于 MANUAL 方式下。2 . 2 预置常数到该过程可接收的某一启动点, 如:Kc= 500 ; Ti= 100 ; Td= 0 。2 . 3 将 PC U 置于 AUTO 方式。2 . 4 减少 Kc至 Kc= 0 . 5 Kc,继续此

13、过程 , 每次减少2 % 。2 . 5 检查图形过程指示到无振荡。2 . 6 减少 Ti缓慢引入自动复位, 到过程无振荡。2 . 7增加 Ti至约1 . 5倍, 稳定一段时间后, 应用PCU 输出的变化 , 观察产 生的过程数据, 在相应数据存储器C1 /C2中修改 Kc/Ti。2 . 8 根据调节后优化的Kc,Ti, 通过 PCU 生成的输出信号去控制V 型阀的开度 , 亦即加氯量。2 . 9A 值的确定根据季节不同,江水源水的变化情况来取经验数值。3系统改进图 3是改进程序前与改进程序后某天的出厂水指标表 , 由图中可以看出虽然出厂水余氯值已基本稳定下来 , 但仍有不定期的振荡, 甚至还有

14、超调的现象。图 3改进程序前后出厂余氯曲线比较图此时出厂水余氯值之所以会偏离设定值, 是由于水厂设计时 , 出于节约电能的考虑, 设置吸水井 ,相应提高吸水井水位, 从而使滤后水到送水泵的时间有了延迟 , 当滤后水加氯消毒溢入清水池的储备水量 , 在清水池中停留时间较长, 当水量小于供水量时, 清水池中的水进入吸水井进行补充,出厂水余氯值将会偏低 , 且无稳定的规律。系统中补氯虽然可以部分控制出厂水余氯值的稳定, 但补氯值是很难以确定下来的 ,因而一旦发生超调, 补氯只会加剧它的负面影响 , 且无法修正它。此时作为反馈环节的余氯值与加氯机PCU控制器输出之间的时间滞后是问题的 关键。这时一旦有

15、 偏差 , 要 经过 一段 时间被调量才变化, 且一旦变化又不易很快纠正 , 调节效果便很差了, 如果我们能将此因素测量出来 ,预先将其变化检测 后送 到系统 中进行 调节 , 便 可以早在被调量变化 之前 就克服 其影响 , 具 体说 即是时间滞后常数, 此时引入前馈环节 (前馈控 制作用的引入并不影响系统的稳定性), 系统结构图如图 4所示 :图 4 前馈补偿系统结构图系统程序中增大闭环时间常数, 将从输入开始变化到下次检测之间的时间规定为大于混合沉淀池的处理时间 , 同时采取措施 , 给滤后水余氯信号及出厂水余氯信号加上自动加权补偿器, 进行加权处理,以加权余氯信号作为复合环控制的反馈信

16、号, 这样出厂水余氯的波动情况将在复合环控制的滤后水加氯中得到反馈 ,使滤后水的余氯含量随出厂水余氯的波动作逆向比例变化, 从而达到对出厂水余氯波动的修正处理及抑制出厂水余氯波动的作用, 确保出厂水余氯含量的稳定也确保水质, 根据上述原理特提出具体结构图如图5 。图 5加氯系统结构图由结构图 分析 , 出 厂水 余氯 值若 偏离 所要 求指标 , 则进行加权处理, 将处理后数据送入余氯反馈加权补偿器进行 二级 加权处 理, 这 样便 综合 了滤后水余氯及出厂 水余 氯值的 综合扰 动因 素, 处理后再反馈给加氯 机, 形成一 个带自 平衡 的闭 环系统 , 达到解 决问题 的目 的。具 体参

17、数还 有待 进一步摸索。19名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 武汉工业学院学报2005年4结论上述系统依据水处理过程中的各种参数适时调整加氯量 , 实现合理投加 , 可保证处理工艺各阶段达到所要求的标准, 从而保证出厂水符合要求, 避免过去人工控制时由于人为因素而造成的水质不合格,同时也节约了耗氯量,优化了水厂水质, 降低运行成本 ,提高了工作效率。参考文献 : 1刘守善 , 水新阳 , 杨春金 , 等. 过程控制

18、仪表及系统 M .武汉 : 武汉交通科技大学出版社,1999 . 2嘉纳香明 . 现代控制控制学- 动态系统的分析和控制 M . 上海 : 上海交通大学出版社,1990 . 3施 仁, 刘文 江. 自动化仪表及控制M . 北京: 电子工业出版社, 1991. 4C L 史密斯 . 数字计算机过程控制M . 邵惠鹤, 潘日芳 , 王宏璨 . 北京 : 石油工业出版社,1982 . 5刘文彦 . 现代测试系统M . 北京 : 国防科技大学出版社 , 1995 .ALGOR ITHM AND REALIZATION BASED ON CHLORINAT I ONAUTOMATIC CONTROL S

19、YSTEMZOU H ong- li, C HEN Wei- zhen(D epart ment of Electrical and Infor mation Engineering ,Wuhan Polytechnic U niversity, Wuhan 430023, China)Abstrac:t B asedon t he chlorination auto matic syste m ofw aterworks,this paper proposesthe control algorith m andrealization, analysesthe syste m reliabil

20、ity. Thismethod cankeep the chlorines contentof the outputw ater steady ,and reduce the chlorine expenses ,i mprove thewaters quality,reduce the cos. tKey words:chlorination syste m ;PCU controller ;adding algorithm; PI adjust(上接第13页 )A MARINE SUPPLY CHARG I NG SET BASED ONM ICROCONTROLLER AND SG352

21、5CHEN F en- xiong1, WANG D ian- hong1, ZHANG Cheng- zhi2( 1 . Faculty ofM echanical andElectronisEngineering of ChinaUn iversity ofGeosciences , Whuan 430074 , China ;2. W uhanH ang Da E lectrical SourceTechnological Co . , 1 td , W uhan 430074 , China)Abstrac:t A m arine supply charging setbased on

22、M icrocontroller and SG3525 is introduced, and its functions , suchas floating charging, equalized charging, inverse discharging and intelligent mode selection accor d ing to battery s condition are d iscussed . The field applications show its advantagesof simple hardware,high accuracy,flexibleopera

23、tion,good interference i mmunity and high perfor mance cost ratio .By using the po werful deter m ination andlogic calculation ability of 8XC196KB single chip m icroprocesso r and the soft ware flexibilityto detect batterysoperating conditions, the auto matic charging and intelligent protection of battery can be realized by the chargingse. t And t he life cycle of battery canbe prolonged .Key words:single chip m icroprocessor ; P WM;auto matic charging ; s mart protection20名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -