基于RST算法的造紙廠污泥脫水控制系統(tǒng)的研究

胡亞南，李明輝，霍蛟飛，豐會(huì)萍，王其林

（1.西京學(xué)院，西安 710021；2.陜西科技大學(xué)，西安 710021；3.陜西西微測(cè)控工程有限公司，咸陽(yáng) 720000）

0 引言

《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》以提高環(huán)境質(zhì)量為核心，加強(qiáng)環(huán)境治理，加快補(bǔ)齊生態(tài)環(huán)境短板，為當(dāng)前的任務(wù)核心。水污染是環(huán)境污染的主要污染源之一，制漿造紙過(guò)程中產(chǎn)生大量的造紙廢水，若廢水不加處理的排放會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成嚴(yán)重危害。造紙過(guò)程廢水的處理主要包括廢水預(yù)處理、好氧厭氧處理、深度處理及污泥脫水處理[1]。目前，污泥脫水工藝設(shè)備以使用螺旋壓榨脫水機(jī)設(shè)備最為廣泛，然而受到污泥粘度變化、污泥濃度不穩(wěn)、污泥纖維含量不同、變直徑和變螺距的設(shè)備結(jié)構(gòu)特征等因素使污泥脫水過(guò)程存在較強(qiáng)的非線性和時(shí)變性，另外，由于污泥由污泥進(jìn)口到污泥出料口的脫水過(guò)程需要一定的時(shí)間，使控制過(guò)程存在一定的滯后性，所以傳統(tǒng)控制控制策略對(duì)污泥干化過(guò)程的控制效果不佳，經(jīng)常發(fā)生螺旋壓榨脫水機(jī)堵死、脫水機(jī)軸向壓力過(guò)載等事件發(fā)生，甚至造成設(shè)備損壞，降低了污泥脫水流程的工作效率和穩(wěn)態(tài)性[2,3]。

RST（雙自由度數(shù)字控制器，RS for regulation，T for tracking）分別由R、S、T三個(gè)數(shù)字控制器組合而成，其可等效為一個(gè)向前預(yù)測(cè)控制器和一個(gè)無(wú)延時(shí)控制器[4,5]。向前預(yù)測(cè)控制器可以消除系統(tǒng)干擾、負(fù)荷波動(dòng)等干擾因素，針對(duì)污泥脫水工段的污泥濃度不穩(wěn)、廢水內(nèi)物質(zhì)粘度不同而造成系統(tǒng)非線性特性具有較好的控制效果；無(wú)延時(shí)控制器可以解決污泥脫水控制系統(tǒng)的滯后性問(wèn)題，顯著改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。本文針對(duì)造紙廠螺旋壓榨污泥脫水機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，依據(jù)污泥脫水控制需求設(shè)計(jì)RST控制器，運(yùn)用Simulink軟件對(duì)基于RST算法的污泥脫水機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾能力、魯棒性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以O(shè)PC通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)RST控制控制策略，提高造紙廠污水處理的自動(dòng)化水平。

1 污泥脫水工藝及設(shè)備工作原理

污泥脫水過(guò)程是對(duì)絮凝處理后的污泥進(jìn)行干化處理，其目的是濃縮污泥體積、增強(qiáng)污泥硬度，以便對(duì)污泥進(jìn)行運(yùn)輸、填埋及焚燒等[6]。污泥脫水工藝流程如圖1所示，由污泥泵和PAM加藥泵按照3‰～8‰的比例抽取陽(yáng)離子PAM溶液和污泥溶液進(jìn)行均勻混合后在絮凝池完成污泥顆粒累積，絮凝后使污泥濃度達(dá)到20%以上，然后經(jīng)過(guò)螺旋壓榨脫水機(jī)在機(jī)械力作用下壓榨脫水使污泥濃度達(dá)到40%～50%，然后進(jìn)行裝車運(yùn)輸進(jìn)行最終處理。污泥脫水處理前還可增加污泥的改性處理環(huán)節(jié)，其目的是消除污泥黏性、增大污泥顆粒及污泥的脫水性能，可使脫水后污泥濃度達(dá)到55%以上[7]。另外，本項(xiàng)目污泥纖維含量大于4%也可直接使用螺旋壓榨脫水機(jī)脫水，脫水后污泥濃度約為45%。

圖1 造紙污泥脫水處理工藝圖

由圖2可知，螺旋壓榨脫水機(jī)通過(guò)濾網(wǎng)內(nèi)旋轉(zhuǎn)的擠壓式變距螺旋將污泥由低壓區(qū)向高壓區(qū)輸送，且設(shè)備低壓區(qū)到高壓區(qū)的機(jī)內(nèi)體積逐漸變小致使污泥所受壓強(qiáng)逐漸增加，所以，污泥中的液體在壓力作用下從濾網(wǎng)內(nèi)流出，使污泥濃度逐步提高，最終被壓榨后的污泥從污泥出口排除[7]。污泥溶液和PAM溶液混合后進(jìn)入絮凝罐后以溢流方式進(jìn)入螺旋壓榨脫水機(jī)，則進(jìn)入脫水機(jī)的污泥量由污泥泵頻率直接決定，并反映在螺旋壓榨機(jī)的軸向壓力。若進(jìn)入脫水機(jī)的污泥量過(guò)大，則導(dǎo)致脫水機(jī)堵死甚至設(shè)備損壞；若進(jìn)入脫水機(jī)的污泥量過(guò)小，則污泥出口濃度過(guò)低，且影響污泥脫水效率，所以污泥脫水機(jī)的軸向壓力控制精度是出料污泥濃度、脫水機(jī)穩(wěn)定性及工作效率的關(guān)鍵控制指標(biāo)。

圖2 螺旋壓榨脫水機(jī)示意圖

2 污泥脫水機(jī)RST控制器

2.1 RST控制器

RST數(shù)字控制器與傳統(tǒng)PID控制器的主要區(qū)別在于RST為雙自由度控制器，RS數(shù)字控制器執(zhí)行調(diào)節(jié)特征，T數(shù)字控制器執(zhí)行跟蹤特征，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能和跟蹤功能相互分離，達(dá)到較高的控制需求。

圖3 RST控制器結(jié)構(gòu)

如圖3所示，由多項(xiàng)式R(z-1)、S(z-1)、T(z-1)構(gòu)成RST控制器，其中B(z-1)/A(z-1)為被控對(duì)象離散傳遞函數(shù)，Yr(z-1)為設(shè)定值信號(hào)，Y(z-1)系統(tǒng)輸出信號(hào)，U(z-1)為RST輸出控制信號(hào)，E(z-1)為系統(tǒng)干擾信號(hào)，ε(z-1)為誤差信號(hào)，采樣周期為TS，則控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中：

nR、ns、nT、nA、nB為多項(xiàng)式階次。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

RST控制器參數(shù)設(shè)計(jì)是對(duì)R(z-1)、S(z-1)、T(z-1)多項(xiàng)式系數(shù)的確定，R(z-1)和S(z-1)表現(xiàn)調(diào)節(jié)特性，T(z-1)表現(xiàn)跟蹤特性，即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制器的抗干擾能力和跟蹤能力[8]。參數(shù)設(shè)計(jì)的主要過(guò)程如下：

1）對(duì)象模型離散化。如式(2)為離散化處理后的控制對(duì)象模型，有多項(xiàng)式A(z-1)、B(z-1)及時(shí)延項(xiàng)z-d組成。

2）確定特征多項(xiàng)式P(z-1)。P(z-1)為控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母項(xiàng)，決定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于二階系統(tǒng)，通過(guò)指定上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間確定系統(tǒng)自然頻率ω0和阻尼比ζ，然后對(duì)連續(xù)傳遞函數(shù)加零階保持器獲得離散傳遞函數(shù)，即可得到P(z-1)，進(jìn)而獲得閉環(huán)極點(diǎn)p1和p2。如式(3)為系統(tǒng)連續(xù)模型，離散后獲得式(4)系統(tǒng)離散模型，可求出p1=a1和p2=a2[9]。

3）R(z-1)、S(z-1)、T(z-1)系數(shù)求解

該步驟通過(guò)已求解得出A(z-1)、B(z-1)、P(z-1)多項(xiàng)式系數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上利用Bezoutd等式，求解調(diào)節(jié)特征多項(xiàng)式R(z-1)、S(z-1)的系數(shù)，由式(1)可得：

僅有當(dāng)多項(xiàng)式A(z-1)和多項(xiàng)式B(z-1)互質(zhì)時(shí)Bezoutd等式有唯一解，故必須滿足：

將式(5)轉(zhuǎn)換為矩陣形式得式(9)，對(duì)關(guān)系矩陣進(jìn)行逆運(yùn)算，可求R(z-1)、S(z-1)的系數(shù)。

式中：xT=[1,s1…snS,r0…rnR]；pT=[1,p1…pnp,0…0]。

由圖3可得，誤差信號(hào)ε(z-1)與設(shè)定值信號(hào)Yr(z-1)的傳遞函數(shù)為：

由于消除給定頻率誤差，需在誤差傳遞函數(shù)中引入傳輸零點(diǎn)，則誤差傳遞函數(shù)中必包括多項(xiàng)式，即：

通過(guò)求解式(11)可獲得T(z-1)，式中L(z-1)為某未知多項(xiàng)式。

3 污泥脫水機(jī)RST控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制方案

污泥螺旋壓榨過(guò)程受到污泥濃度波動(dòng)、廢水內(nèi)物質(zhì)粘度不同、變螺距變直徑的結(jié)構(gòu)特征的影響及脫水過(guò)程需要一定時(shí)間，所以脫水機(jī)控制系統(tǒng)具有非線性和時(shí)滯性，易導(dǎo)致脫水機(jī)堵死和出料污泥濃度不穩(wěn)的問(wèn)題。本文針對(duì)污泥脫水過(guò)程進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)適合于污泥脫水的RST控制方案，如圖4所示。

圖4 污泥脫水機(jī)軸向壓力控制系統(tǒng)

由圖4 可得，通過(guò)改變污泥泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)進(jìn)入污泥脫水機(jī)的污泥量，間接調(diào)節(jié)污泥脫水機(jī)的軸向壓力，以防止污泥脫水機(jī)堵死和穩(wěn)定污泥出料濃度。污泥泵為變頻控制可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的高精度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)污泥脫水機(jī)的軸向壓力精確控制。

3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

污泥脫水機(jī)RST控制策略參數(shù)設(shè)計(jì)首先要獲得污泥脫水機(jī)控制系統(tǒng)的離散數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)RST控制器參數(shù)設(shè)計(jì)步驟確定R(z-1)、S(z-1)、T(z-1)多項(xiàng)式系數(shù)，由于污泥脫水機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，本文采用模型辨識(shí)的方法求取系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，模型辨識(shí)方案如圖5所示。

圖5中，u(t)表示污泥泵頻率控制輸入，間接表示進(jìn)入螺旋壓榨脫水機(jī)的污泥量；y(t)表示螺旋壓榨脫水機(jī)的軸向壓力。進(jìn)入螺旋壓榨脫水機(jī)的污泥量直接影響污泥脫水情況，并通過(guò)脫水機(jī)軸向壓力反應(yīng)，因此采集激勵(lì)信號(hào)和軸向壓力信號(hào)即可辨識(shí)出污泥脫水機(jī)數(shù)學(xué)模型。辨識(shí)獲得數(shù)學(xué)模型為：

圖5 污泥脫水機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型辨識(shí)方案

設(shè)置采樣時(shí)間TS=1s，加零階保持器對(duì)式(12)離散化處理得：

RST參數(shù)：

3.3 RST污泥壓榨脫水機(jī)控制系統(tǒng)仿真

本文利用MATLAB軟件對(duì)RST控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)PID污泥脫水控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究[10]，RST控制器參數(shù)：R=[0.7924 -0.9531 0.2932]、S=[0.189 0.0852 -0.0334-0.0145 -0.2705]、T=[1 -1.3742 0.4868]；PID控制器參數(shù)：P=1.178、I=0.34、D=0。仿真模型運(yùn)行時(shí)間為200s，在t=100s處加入幅值為0.2的干擾性，分別驗(yàn)證控制器性、抗干擾能力及魯棒性。

圖6 RST和PID污泥脫水控制系統(tǒng)仿真模型

1）控制器性能對(duì)比

如圖7所示，RST控制器的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、響應(yīng)速度分別為5%、60s、30s；PID控制器的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、響應(yīng)速度分別為22%、70s、20s。對(duì)比分析可得，RST控制雖響應(yīng)速度稍慢，但具有超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)。在系統(tǒng)運(yùn)行t=100s時(shí)添加20%的干擾信號(hào)，處于穩(wěn)定狀態(tài)的響應(yīng)曲線于110s處出現(xiàn)曲線波動(dòng)，RST的波動(dòng)量約為1%，PID的波動(dòng)量約為4%，表明RST的抗干擾能力強(qiáng)于PID。綜上所得，RST控制器具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，控制器性能較好。

圖7 RST和PID控制器性能對(duì)比曲線

2）魯棒性對(duì)比

因污泥脫水過(guò)程多種因素的干擾，精確數(shù)學(xué)模型建立困難，為驗(yàn)證RST控制器的模型失配魯棒性能力，將對(duì)象模型時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)增益分別擴(kuò)大20%，進(jìn)行仿真對(duì)比。如圖8所示，RST控制器的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、響應(yīng)速度分別為7%、65s、30s；PID控制器的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、響應(yīng)速度分別為40%、85s、20s，并在初始階段出現(xiàn)震蕩。對(duì)比模型失配前后，RST的超調(diào)量增加2%，PID的超調(diào)量增加18%，由此可見，RST抗對(duì)象模型失配能力較強(qiáng)，更適應(yīng)應(yīng)用于非線性和時(shí)滯性污泥脫水機(jī)控制系統(tǒng)。

4 控制策略的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 RST控制策略的實(shí)現(xiàn)

圖8 控制系統(tǒng)模型失配器魯棒性對(duì)比曲線

RST污泥脫水機(jī)算法的實(shí)現(xiàn)的途徑有兩種方法：1）編程人員在上位機(jī)或下位機(jī)代碼開發(fā)；2）利用OPC通訊，實(shí)現(xiàn)MATLAB程序與控制軟件通訊[11]。采用OPC通訊技術(shù)，以WinCC OPC為服務(wù)器，MATLAB OPC為客戶端，通過(guò)OPC實(shí)現(xiàn)MATLAB子程序與WinCC數(shù)據(jù)交換，相比直接在STEP7軟件FB塊開發(fā)代碼無(wú)需復(fù)雜程序編寫和差錯(cuò)，只需進(jìn)行接口設(shè)置更易實(shí)現(xiàn)RST控制策略（如圖9所示）。基于OPC技術(shù)的RST污泥脫水機(jī)控制策略實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）對(duì)WinCC OPC Server組態(tài)，在Simatic OPC Scout中建立項(xiàng)目，并對(duì)相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

2）調(diào)用Simulink中OPC Toolbox，同時(shí)添加OPC Configuration、OPC Read、OPC Write模塊，將PIC304_SP（污泥脫水機(jī)軸向壓力設(shè)計(jì)值）和PIC304_PV（污泥脫水機(jī)軸向壓力采樣值）分別連接2個(gè)OPC Read模塊，將PIC304_LMN（污泥泵頻率）連接OPC Write模塊，設(shè)置模式Synchronous，采樣時(shí)間0.2秒。

3）建立MATLAB中RST控制器，并激活WinCC OPC Server，設(shè)置仿真時(shí)間為inf，點(diǎn)擊運(yùn)行。

圖9 RST控制算法實(shí)現(xiàn)

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與測(cè)試

本文所述基于RST算法的污泥脫水機(jī)控制系統(tǒng)與XWCK合作，已成功應(yīng)用于安徽省某瓦楞紙?jiān)旒垙S。如圖10所示，利用WinCC軟件開發(fā)污泥脫水HMI系統(tǒng)，該界面包含設(shè)備運(yùn)行信息、報(bào)警信息、參數(shù)設(shè)置、歷史曲線、流量累積等功能，極大的提高了造紙廠污泥脫水過(guò)程的自動(dòng)化程度。

圖10 污泥脫水流程HMI畫面

圖11 螺旋壓榨脫水機(jī)軸向壓力曲線

污泥螺旋壓榨脫水機(jī)控制在使用RST控制器前，螺旋壓榨脫水機(jī)軸向壓力控制在±0.3Mpa左右（設(shè)定值為1.5Mpa）偏差，當(dāng)污泥濃度波動(dòng)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)污泥脫水機(jī)堵死事件，嚴(yán)重影響污泥脫水工序的穩(wěn)定運(yùn)行。如圖11所示，螺旋壓榨脫水機(jī)軸向壓力控制在±0.08Mpa，控制精度在5.4%以內(nèi)，極大避免因污泥濃度波動(dòng)、污泥黏性改變等因素造成的螺旋壓榨脫水機(jī)的堵死，減少設(shè)備維修頻率和提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

針對(duì)造紙污泥干化過(guò)程中具有非線性和時(shí)滯性，致使螺旋壓榨脫水機(jī)經(jīng)常堵死的問(wèn)題，提出一種基于RST的污泥脫水機(jī)控制系統(tǒng)。文中對(duì)污泥脫水工藝進(jìn)行研究，分析螺旋壓榨機(jī)堵死的原因，設(shè)計(jì)含RS調(diào)節(jié)控制器和T追蹤控制器的RST控制對(duì)污泥脫水系統(tǒng)，并與PID控制進(jìn)行Simulink仿真對(duì)比研究，且利用OPC通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)RST污泥脫水控制策略，避免因污泥濃度不穩(wěn)、污泥黏性變化等因素引起的螺旋壓榨機(jī)堵死事件，提高了污泥脫水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果：螺旋壓榨脫水機(jī)軸向壓力控制在±0.08Mpa，控制精度在5.4%以內(nèi)，該系統(tǒng)能夠精確控制脫水機(jī)軸向壓力，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。