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當前隨著(zhù)水資源的不斷減少，水質(zhì)污染日益嚴重，人類(lèi)生存受到嚴重威脅。污水處理與再循環(huán)利用已成為解決該危機的有效手段之一。目前。國內外城市污水處理廠(chǎng)處理工藝大都采用一級處理和二級處理。一級處理是采用物理方法，主要通過(guò)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)。二級處理則是采用生化方法，主要通過(guò)微生物的生命運動(dòng)等手段來(lái)去除廢水中的懸浮性，溶解性有機物以及氮、磷等營(yíng)養鹽。連續循環(huán)曝氣系統(Continuous Cycle Aeration System，CCAS)工藝，它是現階段在污水處理工藝中一種較先進(jìn)的處理工藝，是一種連續進(jìn)水式SBR曝氣系統，其生物處理核心是CCAS反應池，除磷、脫氮、降解有機物及懸浮物等功能均在該池內完成；它要求反應池分別工作于好氧、缺氧、厭氧3種不同的時(shí)段，使污水在“好氧一缺氧”的反復中完成去碳、脫氮，并在“好氧-厭氧”的反復中完成除磷。由于其曝氣設備一般為羅茨風(fēng)機和鼓風(fēng)機，這樣也就使風(fēng)機根據好氧、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)機頻繁的起動(dòng)停車(chē)，致使設備運行費用高；同時(shí)，由于CCAS反應池存在純滯后特征，易使系統控制產(chǎn)生振蕩，致使反應池內溶解氧DO濃度忽高忽低，嚴重影響了出水的質(zhì)量。 采用TMS320LF2812型DSP作為主控芯片。充分利用它所具有的實(shí)時(shí)運算能力，豐富電機控制外圍電路和接口資源，對羅茨風(fēng)機電機實(shí)行轉子磁場(chǎng)定向矢量的變頻控制。使電機能根據溶解氧DO的需要工作于不同的轉速，確保溶解氧DO的濃度恒定；同時(shí)，在系統中引入Smith預估控制，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)機的鼓風(fēng)量的大小決定的，而鼓風(fēng)量的大小與風(fēng)機葉片旋轉的快慢有關(guān)，這樣就可以根據反應池中的溶解氧DO的需要控制風(fēng)機的轉速，通過(guò)建立溶解氧DO環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成三閉環(huán)的系統模式，實(shí)現對溶解氧DO的恒定控制。 速度環(huán)和電流環(huán)作為內環(huán)主要用于對風(fēng)機電機的轉速和電流進(jìn)行控制，以適應溶解氧DO環(huán)的需要，風(fēng)機電機一般采用三相交流異步電動(dòng)機，在此采用轉子磁鏈定向的矢量變頻控制，其控制原理如圖1所示。 只要保持is與d軸垂直，電機的轉矩方程為： 式中，pm為轉子磁極對數，ψr為轉子磁場(chǎng)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(guò)控制isq來(lái)控制轉矩，實(shí)現對電機轉速的變頻控制。 溶解氧DO環(huán)作為外環(huán)主要完成對CCAS反應池內的溶解氧DO的大小進(jìn)行無(wú)靜差控制，由于CCAS反應池屬于大滯后慣性環(huán)節，為提高系統的動(dòng)態(tài)性能，為此引入改進(jìn)的Smith預估控制環(huán)節，其原理圖如圖2所示。 圖中G1(S)為主控制器PI的傳遞函數，G2(S)為輔助控制器PD的傳遞函數，G(S)為控制對象不含滯后環(huán)節的傳遞函數，從圖中可以看出：它是在經(jīng)典的Smith預估器的基礎上，經(jīng)等效變換后獲得的，改進(jìn)后的Smith預估控制器可以等效為：先通過(guò)Smith預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(kāi)環(huán)零點(diǎn)，使得系統的截止頻率增大，從而可在由PI控制器進(jìn)行控制時(shí)，得到較快的響應；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。根據轉速環(huán)的等效傳遞函數和CCAS反應池的慣性特征，令G(S)=K／(T1S+1)(T2S+1)，T1≥T2，G1(S)=Ki(TiS+1)／TiS，G2(S)=Kd(TdS+1)，則Smith預估控制器所需的參數為：Ti=Td=T1，Ki=T1T2ωn2／K，Kd=(1．41T2ωn-1)／K，ωn=5．66／Ts。 經(jīng)過(guò)以上的考慮及設計，就組成了帶Smith預估控制器的三環(huán)系統結構，系統工作時(shí)，首先，通過(guò)氧濃度傳感器將DO轉化為電信號，然后經(jīng)過(guò)運放及運放調節電路轉換成0～5 V的電壓信號與DO給定相比較，經(jīng)PI運算輸出速度給定信號nref，然后與檢測到轉子速度的微分信號相比較，經(jīng)PI運算輸出控制轉矩的電流分量isqref，電流分量給定信號與經(jīng)過(guò)坐標變換的電機實(shí)際電流分量比較，通過(guò)電流調節器的PI運算，其輸出量經(jīng)Park逆變換，得到Vsαref、Vsβref，空間SVPWM模塊根據這2個(gè)信號計算PWM的占空比，生成PWM波，驅動(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定子，驅動(dòng)電機以一定的轉速運行，對污水進(jìn)行鼓風(fēng)加氧，調節溶解氧DO的大小，從而達到控制反應池內溶解氧DO大小的目的，控制出水水質(zhì)。 2 系統的硬件電路與功能 該系統主要由主電路、DSP控制電路、檢測反饋與保護電路來(lái)組成，其系統組成的原理框圖如圖3所示。主電路由整流器、IPM逆變器、電機組成。IPM采用三菱公司智能功率模塊PM20CSJ060，其內部有高速低損耗IGBT共6只，組成三相全橋逆變電路，并且內部集成有驅動(dòng)電路，過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱及欠電壓等故障保護電路，當故障時(shí)IPM發(fā)出信號，通過(guò)TMS320F2812的外部中斷PDPINT封鎖DSP輸出PWM脈沖，從而保護IPM免受損壞。為避免電機制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過(guò)高的泵生電壓，設有能耗制動(dòng)時(shí)的能量泄放控制。 控制電路主要由上位機、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150MHz(時(shí)鐘周期6．67 ns)，提高了系統實(shí)時(shí)控制的能力，片內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器OT-P。12位A／D轉換器達16個(gè)，PWM輸出通道達12個(gè)，使控制系統的價(jià)格大大降低而且體積縮小，可靠性提高。 電機相電流檢測是通過(guò)電流型霍爾傳感器和電阻采樣后轉換為電壓信號，再經(jīng)AC-DC變換為0～3 V的電壓信號接入DSP的A／D通道1引腳。系統采用的光電編碼器為每周2 500脈沖，有20針的標準接口，提供6路脈沖信號。脈沖經(jīng)QEP電路4倍頻，用來(lái)計算轉子位置和轉速。CCAS反應池內溶解氧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換為O～5 V的電壓信號接入DSP的A／D通道2引腳，用來(lái)反映實(shí)際的溶解氧DO大小。 3 系統軟件設計 系統軟件部分的設計主要由主程序、運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、運行等，硬件初始化主要完成DSP的設置，如看門(mén)狗、時(shí)鐘、計時(shí)器、ADC、SCI、I／O、事件管理(EV)等的設置，軟件初始化主要對軟件變量賦予初值，DSP通過(guò)SCI串口與上位機(微機)保持通信，接收上位機傳送的命令，更新變量和標志，實(shí)現實(shí)時(shí)追蹤控制。運行控制子程序主要是通過(guò)電動(dòng)機的FOC矢量變頻控制，實(shí)現對CCAS反應池內溶解氧DO大小進(jìn)行監測和閉環(huán)控制。 4 實(shí)驗仿真 應用Matlab建立控制系統仿真模型，仿真參數設置如下： 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(guò)對CCAS反應池內溶解氧DO的給定設置(2、0．5、O．1 mg／L)并進(jìn)行仿真，仿真結果如圖6所示。從仿真曲線(xiàn)可以看出，隨系統設置給定的變化，在不同階段系統控制輸出信號上升較快，調節時(shí)間較短，參數穩定，克服了時(shí)滯大慣性緩解對系統性能的影響，實(shí)時(shí)控制及時(shí)，穩定效果較好。 5 結論 該系統通過(guò)采用TMS320LF2812控制芯片組成控制系統，完成對風(fēng)機的矢量變頻調速控制，節能、控制效果好，使系統具有良好的動(dòng)態(tài)響應性能和靜態(tài)性能；通過(guò)引入的Smith預估補償控制，提高了系統的響應速度和系統的魯棒性，并使系統具有硬件簡(jiǎn)單和性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。 |
