DSP在污水處理溶解氧控制方面的應(yīng)用

摘要：針對(duì)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(duì)溶解氧的穩(wěn)定控制。以TMS320LF2812作為主控芯片，通過對(duì)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(duì)溶解氧施以Smith預(yù)估補(bǔ)償控制，消除對(duì)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(jí)處理和二級(jí)處理。一級(jí)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(jí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。