DSP在污水处理溶解氧控制方面的应用

摘要：针对连续循环曝气系统(CCAS)污水处理中溶解氧浓度控制存在的实时性差、溶解氧浓度波动范围偏大、运行费用较高等问题，建立溶解氧DO环、速度环和电流环组成三闭环的系统模式，达到对溶解氧的稳定控制。以TMS320LF2812作为主控芯片，通过对风机施以FOC的矢量变频调速控制以控制风机的鼓风量；同时对溶解氧施以Smith预估补偿控制，消除对溶解氧控制的滞后，提高系统的鲁棒性。在不同阶段溶解氧参数稳定效果好，出水水质指标明显提高。系统具有良好的动态性能，系统硬件电路简单经济、性价比高，有较高的实用价值。
关键词：连续循环曝气系统(CCAS)；溶解氧；Smith预估器；磁场定向控制(FOC)；矢量变频调速

当前随着水资源的不断减少，水质污染日益严重，人类生存受到严重威胁。污水处理与再循环利用已成为解决该危机的有效手段之一。目前。国内外城市污水处理厂处理工艺大都采用一级处理和二级处理。一级处理是采用物理方法，主要通过格栅拦截、沉淀等手段去除废水中大块悬浮物和砂粒等物质。二级处理则是采用生化方法，主要通过微生物的生命运动等手段来去除废水中的悬浮性，溶解性有机物以及
氮、磷等营养盐。连续循环曝气系统(Continuous Cycle Aeration System，CCAS)工艺，它是现阶段在污水处理工艺中一种较先进的处理工艺，是一种连续进水式SBR曝气系统，其生物处理核心是CCAS反应池，除磷、脱氮、降解有机物及悬浮物等功能均在该池内完成；它要求反应池分别工作于好氧、缺氧、厌氧3种不同的时段，使污水在“好氧一缺氧”的反复中完成去碳、脱氮，并在“好氧-厌氧”的反复中完成除磷。由于其曝气设备一般为罗茨风机和鼓风机，这样也就使风机根据好氧、缺氧、厌氧3种不同时段溶解氧DO浓度的需要，起起停停，造成风机频繁的起动停车，致使设备运行费用高；同时，由于CCAS反应池存在纯滞后特征，易使系统控制产生振荡，致使反应池内溶解氧DO浓度忽高忽低，严重影响了出水的质量。
采用TMS320LF2812型DSP作为主控芯片。充分利用它所具有的实时运算能力，丰富电机控制外围电路和接口资源，对罗茨风机电机实行转子磁场定向矢量的变频控制。使电机能根据溶解氧DO的需要工作于不同的转速，确保溶解氧DO的浓度恒定；同时，在系统中引入Smith预估控制，从而保证出水水质的要求。

1 污水处理中溶解氧DO的控制原理
污水处理中溶解氧DO的大小是由鼓风机的鼓风量的大小决定的，而鼓风量的大小与风机叶片旋转的快慢有关，这样就可以根据反应池中的溶解氧DO的需要控制风机的转速，通过建立溶解氧DO环、速度环和电流环组成三闭环的系统模式，实现对溶解氧DO的恒定控制。
速度环和电流环作为内环主要用于对风机电机的转速和电流进行控制，以适应溶解氧DO环的需要，风机电机一般采用三相交流异步电动机，在此采用转子磁链定向的矢量变频控制，其控制原理如图1所示。

只要保持is与d轴垂直，电机的转矩方程为：

式中，pm为转子磁极对数，ψr为转子磁场在定子上的耦合磁链，isd、isq为定子电流矢量is在d、q轴的分量；通过控制isq来控制转矩，实现对电机转速的变频控制。
溶解氧DO环作为外环主要完成对CCAS反应池内的溶解氧DO的大小进行无静差控制，由于CCAS反应池属于大滞后惯性环节，为提高系统的动态性能，为此引入改进的Smith预估控制环节，其原理图如图2所示。