自来水净水工艺的MFA自动投加控制系统

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摘 要：本文提出以mfa为控制器设计净水工艺的加药凝絮过程自动投加控制系统。该系统克服传统的加药凝絮工艺的非线性、大时滞、大惯性，通过在自来水厂试验基地的MFA混凝剂投加控制的测试，获取相关监测数据和曲线图。理论研究和工程试验均表明，该系统控制效果良好，具有较好的稳定性和鲁棒性。

关键词：混凝加药；anti-delay；MFA；出水浊度；前馈反馈

0 引言

随着生活质量的提高，人们越来越重视日常饮用水的水质问题，这对自来水厂的净水工艺提出更高的要求和挑战。在自来水厂对常规地表水的净水处理工艺中，主要操作就是向水中投加絮凝剂和消毒剂。因此，合理、准确和稳定的投加是该工艺保证水质的关键，也关系到后续处理工艺和经济效益。但是制水过程是一个具有非线性、时变性和大时滞等特点的复杂过程[1]，常规的PID控制器不能满足其控制要求，在对象参数发生较大改变时，PID控制系统稳定性难以保证，抗干扰能力差[2，3]。

随着现代化检测技术和自动化程度的不断提高，逐步形成了许多新的自动混凝投药技术。然而由于混凝过程常受到各种干扰，加上本身制水过程的复杂，使得各种控制方法各有利弊，净水自动投加就成了长期以来一直没有得到很好解决的难题。

本论文提出采用无模型自适应控制器MFA来控制净水工艺中的加药凝絮过程，设计一个闭环前馈反馈控制系统，并将所设计的控制系统投入工程试验，结果表明，该系统具有一定的优越性和实用价值。

1 自动投加系统设计及系统连线

1.1 MFA技术

MFA，即无模型自适应控制技术，是一种新颖的、使用简便的、不需要模型辨识的控制器，它最显著的特点是无需进行过程辨识来建立数学模型，也不需要复杂的人工参数整定即可控制时变、多变量等复杂过程。我们使用的是博软公司的CyboCon CE，使用的是标准的电流信号，方便与试验装置中的传感器和执行机构很易连接。

加药凝絮控制难点在于制水过程是一个大时滞过程，而无模型自适应控制器带有抗滞后MFA控制器（anti-delay MFA），对于大时滞过程有明显的控制效果，控制效果稳定，鲁棒性好。

1.2 MFA自动投加系统设计

把沉淀池的出口水浊度作为被控对象，将浊度计实时监测到的出水浊度送入输入端，与理想的浊度设定值对比，产生的偏差送入MFA控制器，经过MFA计算的输出量直接控制投加变频器的输出频率，从而调整加药泵的转速来控制加药量。可以从图1中看出，这是一个闭环控制系统。为了达到更佳的控制效果，把对实验干扰比较大的给水流量和源水浊度设计在前馈模块进行超前校正，达到稳定而有效的控制效果。使用MFA控制器，首先要进行组态，对输入输出进行连接。然后根据实际情况，设置anti-delay MFA控制器的主要参数：增益Kc，时间常数Time Constant，采样时间Sample Interval，Performance Index（Ip）等[4]。

实验过程使用川仪横河无纸记录仪记录实验数据， 4个通道通过电压信号来同时记录4条实时曲线，也就是可以同时对出水浊度、加药量、进水流量进行监测与记录。

2 控制策略的试验及效果

2.1 试验基地制水工艺简介

试验基地所用源水一般取自河流和一些水库，经源水管道泵提升后投加吸入臭氧气体之后，出水流入混合池，通过搅拌，与投加的混凝剂（试验采用液体硫酸铝）均匀快速混合，混凝剂将水中的胶体微粒和杂质等悬浮物凝絮沉淀，絮凝之后的出水进入过滤池过滤，最后进行消毒等工序，得到滤后水送入清水库来给城市管网供水[5]。

2.2 试验装置对象特性测试

MFA不需要精确的过程辨识，但是为了anti-delay MFA的参数设定，以及前馈模块的前馈参数设定更容易，在进行试验前，我们应用简单的方法，对被控对象进行了特性测试。为了更好地设计和整定前馈-反馈控制系统，我们还分别测试了当出现给水流量扰动和源水浊度扰动时被控对象的特性曲线。

这里采用的是阶跃响应法获取被控对象的飞升曲线，然后分析飞升曲线的数据，得到被控对象的传递函数[6]。具体操作方法是，在开环情况下，通过人工操作使各个工艺变量处于稳定值。然后，控制加药量的变频器输出增加，得到如图2所示的对象特性飞升曲线，还可以在该操作点，再进行反向飞升曲线测试。

相同的道理，在其他工艺变量处于稳定值的情况下，手动改变给水流量，得到给水流量变化时被控对象的飞升曲线，手动通过潜水泵将泥浆打入源水泵改变源水浊度，得到源水浊度变化时的飞升曲线。

通过分析3个飞升曲线，可以得到被控对象的近似的过程参数[6]，这为anti-delay MFA参数的设定提供了参考。经过分析，得到相应对象如下：

被控对象： K=4.2，T=1480，τ=1720

给水流量变化时被控对象：K=1.52，T=1660，τ=1380

源水浊度变化时被控对象：K=1.8，T=1420，τ=1440

1720，Ip=0.1。

2.3 MFA自动投加系统控制实验

前期我们已经进行过闭环纯反馈系统控制实验的研究，试验结果表明，当出现给水流量和源水浊度扰动时，MFA反馈闭环系统控制效果较差。因此，为了达到更优的控制效果，在闭环反馈系统中加入前馈控制环节，提前进行控制量补偿，减少流量干扰对控制效果的影响。

2.3.1 前馈参数的设计

MFA控制器前馈模块的参数主要有两个，Kff和T。其中，Kff为前馈控制器的增益，由扰动通道的静态增益和过程增益决定，通常取Kff的值为干扰增益和被控对象增益的比值，再进行微调直至控制效果稳定为止。T为前馈时间常数，其数值与干扰影响过程的过程变量快慢有关。

2.3.2 自动投加控制系统抗干扰能力测试

运用以上所提的方法计算，给水流量干扰时，应设置前馈作用参数：Kff=0.6，T=30s。在系统控制效果稳定的情况下，人为地加流量扰动，这里通过改变给水流量的变频器频率来实现，使得给水流量增加，得到在给水流量干扰时的控制响应曲线如图3所示。

同样的计算方法，设置前馈系数为0.4，前馈作用时间为30s。人为地把高浓度的泥浆送入源水泵来制造源水浊度干扰，运用前馈―反馈控制，得到响应曲线如图4所示。

2.3.3 双前馈-反馈控制效果实验

试验还测试了当给水流量干扰和源水浊度干扰同时存在时，MFA控制系统的控制效果。双前馈控制系统需要分别设定不同干扰通道的前馈系数，同样的计算方法，设置流量前馈系数为0.6，源水浊度前馈系数为0.4，手工操作使得源水浊度增加60%，流量增加15%，得到双前馈控制响应曲线如图5所示。

由图5可以看出，加入前馈控制后，前馈模块的超前校正功能能马上对干扰作用进行控制量的补偿，减小干扰的影响，在一定程度上提高了控制质量。

3 结论

本文采用无模型自适应控制器MFA来设计控制自来水厂净水中的混凝加药过程，并应用于自来水厂的工程试验中。试验表明，无模型自适应控制器MFA不需要系统辨识和复杂的参数整定，就可以达到较好的控制效果，具有较好的稳定性和鲁棒性。

参考文献：

[1] 博软.水厂制水过程MFA自动加药控制[J].净水技术，2010，2

9（2）：11-13.

[2] 王伟.MFA与PID控制器的实验比较研究[J].自动化仪表，2008，29（5）：27-29.

[3] 刘桂香，朱学峰，王伟.基于MFA与PID控制器的串级控制系统的实验比较[J].自动化与信息工程，2007，28（4）.

[4] 通控博软公司.抗滞后MFA控制器[EB/OL].[2007-08-10].http：∥.cn.

[5] 罗永恒，李展峰，徐廷国.水厂混凝剂投加MFA控制与SCM控制的研究与实践[J].净水技术，2010，29（1）：68-69，78.

[6] 王树青.工业过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，2003.