宋啟敏 陸明剛 義 泳 丁云鶴
　(上海大學機械電子工程學院)

　　摘　要 報導了凈水過程中使用計算機實時采集和定量分析絮凝池中絮體圖像，算出絮體沉淀“等效直徑”作為控制混凝劑加注率的目標值，并用進水流量和沉淀水濁度信號自動修正目標設定值。加注量為進水流量與加注率之積。實驗數據表明，該方法能適應水質和其他因素的變化自動調整加注量，達到了穩定沉淀水濁度的目的。
　　關鍵詞 絮體圖像 等效直徑 混凝劑加注量 計算機控制

　　在凈水自動化中，混凝劑加注量的自動控制是一個既關鍵又難解決的問題。因為影響混凝劑加注量的因素很多，如原水濁度、水溫、流量、堿度、氨氮、耗氧量和凈水設備的負荷、狀態等，目前國內外使用的方法尚不完善。因此，需尋求效果好、適用范圍廣、性能先進、運行方便、造價低、維護簡單的自動控制方式。

1 定量分析絮體形狀

　　確定適當的混凝劑加注量，關鍵是要找出一個滯后時間較短，而與沉淀水濁度相關性又較好的參量作為目標值來控制。
1.1 絮體沉淀特性和沉淀水濁度的關系
　　從凈水過程可知，沉淀水濁度與原水加混凝劑后形成的絮體特征和沉淀有關，絮體形成得越好，沉淀越充分，沉淀水濁度越小。在一定沉淀條件下，沉淀水濁度和絮體的沉淀特性密切相關。
　　絮體的沉降規律是比較復雜的，常簡化用顆粒沉降的Stokes公式來描述：

　　v=(ρ_s-ρ)gd_s²/18μ　　　　　　　　(1)
　　式中　v——絮體沉降速度，cm/s
?　　　　ρ_s——絮體體積質量，g/cm³
　　　　　ρ——水的體積質量，g/cm³
　　　　?d_S——絮體直徑，cm
　　　　　μ——水的粘滯系數，g/(cm·s)
　　　　　g——重力加速度，980 cm/s²
　　進一步的研究^［1～6］表明，絮體粒徑增加時，體積質量相應減小，其關系式為：
　　　　　　　　　　?ρ_S-ρ=d_S^-kp 　　　(2)
　　式中kP——系數，1.2～1.5，決定于混凝劑加注率與原水水質

　　v=gds^(2-kp)/18μ　　　　　　　　(3)

　　上述分析均假設絮體為球狀顆粒，而實際絮體基本上是不規則狀態，其沉降速度顯然應比同體積的球狀絮體慢一些。絮體的大小、形狀可反映在絮體圖像上，因此通過分析絮體的圖像，可以得到一個與沉淀水濁度相關性很好的參量。用它作為目標值來控制混凝劑加注量可使滯后時間大大縮短。
1.2 定量分析絮體圖形，計算等效直徑
　　為了從絮體的二維圖形綜合出與絮體沉淀速度有關的參量，給絮體圖形定出了以下四個特征：①表示絮體大小的絮體面積s；②與絮體形狀有關的絮體周長l；③與絮體松散程度有關的絮體中間空出面積s₀；④絮體的長寬比m。這些特征基本表示了絮體的特性，且易于計算。最后按下式折算成稱之為“等效直徑”Φ的參量：

　　Φ=2(s/π)^0.5×[1-k₁(1-2(sπ)/l)]×[1-k₂(1-1/m)]×(1-k₃s₀/s)　　　　(4)

　　式中 k₁、k₂、k₃——周長、長寬比、中空面積的折扣系數，是0～1的小數，為0時不打折扣，為1時折扣最大，可根據實際情況選取Φ越大，沉降速度越快。當絮體為一標準圓形時，式(4)的等效直徑即為實際直徑。?
　　絮體的圖像是通過傳感頭在絮凝池中直接采集的，水不停地流過傳感頭的取樣窗，取樣窗的水域面積為26mm×20mm，厚度僅為3.5mm，以減少二維圖像中兩個絮體重疊的可能性。在該截面中一般包含了數十到上百個絮體。系統每5s采集一幅圖像，按式(4)計算出每個絮體的等效直徑，每5min得到60幅圖像中所有絮體的等效直徑及其數值分布情況，取其分布中某一部分加權平均算出平均等效直徑。試驗表明，在沉淀條件不變的情況下，平均等效直徑與沉淀水濁度有很好的相關性。
1.3 等效直徑控制加注率
　　加注率是等效直徑的實測值與設置值之差，通過數字PID(比例、積分、微分)運算后得到的，其遞推式為：

　　Δp(k)=p(k)-p(k-1)=k_p[e(k)-e(k-1)]+k_ie(k)+k_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]　　　　　(5)
　　式中　Δp(k)——第k次采樣時加注率的修正值
　　　　?p(k-1)——第(k-1)次采樣時的加注率
　　　　?e(k-1)——第(k-1)次采樣時的偏差
　　　　　?p(k)——第k次采樣時的加注率
　　　　　?e(k)——第k次采樣時的偏差
　　　　　　　k_p——比例系數
　　　　　　?k_i——積分系數
　　　　　　?k_d——微分系數
　　由于混凝劑的加注到絮體的形成有一定的滯后，僅用一般的PID算法難以得到較好的動態性能，因此還增加了Smith預估控制，在假設系統為一階慣性純滯后系統的前提下，該方法增加一純滯后補償環節，該補償環節和原系統一起構成的廣義對象不再具有純滯后，利用廣義對象的輸出信號作為反饋信號進行控制，可解決純滯后問題。具體做法是在偏差計算時增加一修正項e_1S(k)：

　　e(k)=e₁(k)+e_1S(k)　　　　(6)?
　　式中　e₁(k)——實際偏差?

　　e_1S(k)的算式為：

　　e_1S(k)=K［ν(k)-ν(k-1)］　 　　　　　　　(7)
　　v(k)=(1-T/T_m)v(k-1)+p(k-1)T/T_m　　　　　(8)
　　式中　 T——采樣周期
　　　　　?K——系統增益
　　　　　?T_m——系統慣性時間常數
　　l與系統滯后時間τ的關系為：
　　　　　　　　　　　?τ=lT　　　　　　　　(9)?
　　第k次采樣時的加注量Q(k)為：
　　　　　　　　　　　 ?Q(k)=p(k)×L(k)　　(10)?
　　式中L(k)——第k次采樣時的進水流量
1.4 條件變化的反饋自動調整
　　沉淀條件不變時，等效直徑與沉淀水濁度有很好的對應關系，但當沉淀條件變化時，等效直徑與沉淀水濁度的對應關系會有變化。這時就需要調整等效直徑的設定值，也就是說該方法和前述多數方法一樣，不能模擬沉淀池。為此，當流量有變化時，每次采樣該系統能自動調整等效直徑的設定值，以消除流量變化引起的沉淀條件變化對設定值的影響。一般除流量外，沉淀條件的變化都較緩慢，為此該系統還使用沉淀水濁度反饋來自動調整設定值。做法是每30min將沉淀水濁度的測量值與目標值之差加上Smith預估修正項，經PID運算后改變等效直徑的設定值。

2 控制系統的硬件和軟件

　　系統硬件如圖1所示，586主機通過圖像接口將絮體圖像信號數字化后送入內存；通過模擬接口采集4～20mA進水流量和沉淀水濁度信號，并輸出4～20mA電流信號控制混凝劑加注泵。

　

　　軟件的主要功能是：
　　① 將采集的絮體活動圖像實時顯示在計算機屏幕上；
　　② 對絮體圖像進行邊緣增強、數字濾波、二值化處理、連通性判別，算出每個絮體的s,l,s₀,m,最后按式(4)算出絮體的平均等效直徑；
　　③ 采集進水流量、沉淀水濁度信號；
　　④ 按式(5)～(9)算出混凝劑加注量，并通過模擬接口輸出；
　　⑤ 在屏幕上顯示采集和計算出的各種數據并實時更新；
　　⑥ 各種參數如P、I、D參數，系統延遲時間，慣性時間，等效直徑，沉淀水濁度的設定值，以及絮體圖像的對比度和亮度等，都可通過下拉式菜單自行設定，以適應不同生產設備和工藝的需要；
　　⑦ 所測得和計算出的結果及時間、日期等數據，每5min一次自動存入硬盤，可存10年。

3 試驗結果

　　本系統在上海南匯縣航頭水廠進行了現場試驗，試驗池為15×10⁴t/d的隔板絮凝水平沉淀池，第一階段只記錄絮體數據、沉淀水濁度、進水流量、混凝劑加注量等參數，不控制混凝劑加注量。然后分析這些數據，在使等效直徑與沉淀水濁度相關性最好的前提下，得到計算平均等效直徑的參數和統計方法。第二階段以所得參數和方法計算等效直徑，按式(5)～(9)進行加注量控制。按該廠生產要求，沉淀水濁度控制設定值為5NTU，4～6 NTU為符合要求。圖(2)為1998年4月25日—5月1日一周內進行加注量控制后的沉淀水濁度、流量、絮體等效直徑與加注量的對應關系曲線圖。經每5min一次數據統計，一周內沉淀水濁度高于6 NTU的有72次，占3.57%；低于4NTU的有20次，占0.99%；沉淀水濁度總合格率為95.44%，取得了較好的控制效果。從圖(2)可看出，4月27日、28日和5月1日進水流量無大變化，但加注量卻從加注泵沖程的70%左右降到了50%左右，而沉淀水濁度基本相同，說明本系統能適應水質和其他因素的變化，有效控制加注量，穩定沉淀水濁度。

4 結論

　　① 使用計算機實時采集和定量分析絮體圖像并算出加注率的方法，能有效地控制混凝劑的加注量，將沉淀水濁度穩定在一定范圍內，達到保證水質、降低生產成本的目的。雖然實時圖形分析運算量非常大，但目前計算機技術的發展已完全能滿足運算速度要求，且成本也較低。

　

　　② 從混凝劑加注到絮體形成一般需10～20min，這就是滯后時間，比流動電流測定(SCD)法要長。但因流量因素已單獨處理，滯后時間已能適應水質變化的要求，且使用了Smith預估控制，系統動態性能有一定改善，滿足了使用要求。一般檢測的參量越靠前，滯后時間越短，對該參量后系統的模擬性就越差。SCD的測量在絮凝前，因此不能模擬絮凝和沉淀條件，當絮凝或沉淀條件變化時，設定值都需要改變^［１］。因此選擇檢測參量時，滯后時間應綜合考慮，不能絕對地說越短越好。
　　③ 本文所述的“等效直徑”，只是用較簡單的運算盡可能較準確地來描述絮體沉淀特性的一個參數，并不表示與某直徑物體的沉淀特性“等效”。本系統使用計算機定量分析絨體圖形，可得到各種絮體參數供統計研究使用，隨著生產數據的大量積累，等效直徑的算法也可不斷改進和完善。

參考文獻

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　　作者簡介：宋啟敏 教授 主要從事傳感、測量、自動控制等方面的研究工作
通訊處：200072 上海市延長路149號 上海大學機械電子工程學院(27信箱)
(收稿日期 1998-12-22)