DSP在污水處理溶解氧控制方面的應(yīng)用

摘要：針對連續(xù)循環(huán)曝氣系統(tǒng)(CCAS)污水處理中溶解氧濃度控制存在的實(shí)時(shí)性差、溶解氧濃度波動(dòng)范圍偏大、運(yùn)行費(fèi)用較高等問題，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，達(dá)到對溶解氧的穩(wěn)定控制。以TMS320LF2812作為主控芯片，通過對風(fēng)機(jī)施以FOC的矢量變頻調(diào)速控制以控制風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量；同時(shí)對溶解氧施以Smith預(yù)估補(bǔ)償控制，消除對溶解氧控制的滯后，提高系統(tǒng)的魯棒性。在不同階段溶解氧參數(shù)穩(wěn)定效果好，出水水質(zhì)指標(biāo)明顯提高。系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)硬件電路簡單經(jīng)濟(jì)、性價(jià)比高，有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：連續(xù)循環(huán)曝氣系統(tǒng)(CCAS)；溶解氧；Smith預(yù)估器；磁場定向控制(FOC)；矢量變頻調(diào)速

    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處理和二級處理。一級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TMS320LF2812型DSP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。

    只要保持is與d軸垂直，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：
    

    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。

[!--empirenews.page--]
    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。

    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。[!--empirenews.page--]

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。

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：
    
    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。

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)。