基于RST算法的造紙廠污泥脫水控制系統的研究

胡亞南，李明輝，霍蛟飛，豐會萍，王其林

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

0 引言

《“十三五”生態環境保護規劃》以提高環境質量為核心，加強環境治理，加快補齊生態環境短板，為當前的任務核心。水污染是環境污染的主要污染源之一，制漿造紙過程中產生大量的造紙廢水，若廢水不加處理的排放會對自然環境造成嚴重危害。造紙過程廢水的處理主要包括廢水預處理、好氧厭氧處理、深度處理及污泥脫水處理[1]。目前，污泥脫水工藝設備以使用螺旋壓榨脫水機設備最為廣泛，然而受到污泥粘度變化、污泥濃度不穩、污泥纖維含量不同、變直徑和變螺距的設備結構特征等因素使污泥脫水過程存在較強的非線性和時變性，另外，由于污泥由污泥進口到污泥出料口的脫水過程需要一定的時間，使控制過程存在一定的滯后性，所以傳統控制控制策略對污泥干化過程的控制效果不佳，經常發生螺旋壓榨脫水機堵死、脫水機軸向壓力過載等事件發生，甚至造成設備損壞，降低了污泥脫水流程的工作效率和穩態性[2,3]。

RST（雙自由度數字控制器，RS for regulation，T for tracking）分別由R、S、T三個數字控制器組合而成，其可等效為一個向前預測控制器和一個無延時控制器[4,5]。向前預測控制器可以消除系統干擾、負荷波動等干擾因素，針對污泥脫水工段的污泥濃度不穩、廢水內物質粘度不同而造成系統非線性特性具有較好的控制效果；無延時控制器可以解決污泥脫水控制系統的滯后性問題，顯著改善控制系統的響應速度和穩定性。本文針對造紙廠螺旋壓榨污泥脫水機控制系統進行研究，依據污泥脫水控制需求設計RST控制器，運用Simulink軟件對基于RST算法的污泥脫水機控制系統的抗干擾能力、魯棒性進行仿真驗證，以OPC通訊技術實現RST控制控制策略，提高造紙廠污水處理的自動化水平。

1 污泥脫水工藝及設備工作原理

污泥脫水過程是對絮凝處理后的污泥進行干化處理，其目的是濃縮污泥體積、增強污泥硬度，以便對污泥進行運輸、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‰的比例抽取陽離子PAM溶液和污泥溶液進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到20%以上，然后經過螺旋壓榨脫水機在機械力作用下壓榨脫水使污泥濃度達到40%～50%，然后進行裝車運輸進行最終處理。污泥脫水處理前還可增加污泥的改性處理環節，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到55%以上[7]。另外，本項目污泥纖維含量大于4%也可直接使用螺旋壓榨脫水機脫水，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，螺旋壓榨脫水機通過濾網內旋轉的擠壓式變距螺旋將污泥由低壓區向高壓區輸送，且設備低壓區到高壓區的機內體積逐漸變小致使污泥所受壓強逐漸增加，所以，污泥中的液體在壓力作用下從濾網內流出，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溶液混合后進入絮凝罐后以溢流方式進入螺旋壓榨脫水機，則進入脫水機的污泥量由污泥泵頻率直接決定，并反映在螺旋壓榨機的軸向壓力。若進入脫水機的污泥量過大，則導致脫水機堵死甚至設備損壞；若進入脫水機的污泥量過小，則污泥出口濃度過低，且影響污泥脫水效率，所以污泥脫水機的軸向壓力控制精度是出料污泥濃度、脫水機穩定性及工作效率的關鍵控制指標。

圖2 螺旋壓榨脫水機示意圖

2 污泥脫水機RST控制器

2.1 RST控制器

RST數字控制器與傳統PID控制器的主要區別在于RST為雙自由度控制器，RS數字控制器執行調節特征，T數字控制器執行跟蹤特征，實現控制系統的調節功能和跟蹤功能相互分離，達到較高的控制需求。

圖3 RST控制器結構

如圖3所示，由多項式R(z-1)、S(z-1)、T(z-1)構成RST控制器，其中B(z-1)/A(z-1)為被控對象離散傳遞函數，Yr(z-1)為設定值信號，Y(z-1)系統輸出信號，U(z-1)為RST輸出控制信號，E(z-1)為系統干擾信號，ε(z-1)為誤差信號，采樣周期為TS，則控制系統的閉環傳遞函數為：

其中：

nR、ns、nT、nA、nB為多項式階次。

2.2 參數設計

RST控制器參數設計是對R(z-1)、S(z-1)、T(z-1)多項式系數的確定，R(z-1)和S(z-1)表現調節特性，T(z-1)表現跟蹤特性，即可同時實現控制器的抗干擾能力和跟蹤能力[8]。參數設計的主要過程如下：

1）對象模型離散化。如式(2)為離散化處理后的控制對象模型，有多項式A(z-1)、B(z-1)及時延項z-d組成。

2）確定特征多項式P(z-1)。P(z-1)為控制系統閉環傳遞函數的分母項，決定系統的動態特性。對于二階系統，通過指定上升時間、超調量、調節時間確定系統自然頻率ω0和阻尼比ζ，然后對連續傳遞函數加零階保持器獲得離散傳遞函數，即可得到P(z-1)，進而獲得閉環極點p1和p2。如式(3)為系統連續模型，離散后獲得式(4)系統離散模型，可求出p1=a1和p2=a2[9]。

3）R(z-1)、S(z-1)、T(z-1)系數求解

該步驟通過已求解得出A(z-1)、B(z-1)、P(z-1)多項式系數，然后在此基礎上利用Bezoutd等式，求解調節特征多項式R(z-1)、S(z-1)的系數，由式(1)可得：

僅有當多項式A(z-1)和多項式B(z-1)互質時Bezoutd等式有唯一解，故必須滿足：

將式(5)轉換為矩陣形式得式(9)，對關系矩陣進行逆運算，可求R(z-1)、S(z-1)的系數。

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

由圖3可得，誤差信號ε(z-1)與設定值信號Yr(z-1)的傳遞函數為：

由于消除給定頻率誤差，需在誤差傳遞函數中引入傳輸零點，則誤差傳遞函數中必包括多項式，即：

通過求解式(11)可獲得T(z-1)，式中L(z-1)為某未知多項式。

3 污泥脫水機RST控制系統設計

3.1 控制方案

污泥螺旋壓榨過程受到污泥濃度波動、廢水內物質粘度不同、變螺距變直徑的結構特征的影響及脫水過程需要一定時間，所以脫水機控制系統具有非線性和時滯性，易導致脫水機堵死和出料污泥濃度不穩的問題。本文針對污泥脫水過程進行研究，設計適合于污泥脫水的RST控制方案，如圖4所示。

圖4 污泥脫水機軸向壓力控制系統

由圖4 可得，通過改變污泥泵的轉速調節進入污泥脫水機的污泥量，間接調節污泥脫水機的軸向壓力，以防止污泥脫水機堵死和穩定污泥出料濃度。污泥泵為變頻控制可實現轉速的高精度調節，從而實現污泥脫水機的軸向壓力精確控制。

3.2 參數設計

污泥脫水機RST控制策略參數設計首先要獲得污泥脫水機控制系統的離散數學模型，然后根據RST控制器參數設計步驟確定R(z-1)、S(z-1)、T(z-1)多項式系數，由于污泥脫水機控制系統數學模型較為復雜，本文采用模型辨識的方法求取系統數學模型，模型辨識方案如圖5所示。

圖5中，u(t)表示污泥泵頻率控制輸入，間接表示進入螺旋壓榨脫水機的污泥量；y(t)表示螺旋壓榨脫水機的軸向壓力。進入螺旋壓榨脫水機的污泥量直接影響污泥脫水情況，并通過脫水機軸向壓力反應，因此采集激勵信號和軸向壓力信號即可辨識出污泥脫水機數學模型。辨識獲得數學模型為：

圖5 污泥脫水機控制系統數學模型辨識方案

設置采樣時間TS=1s，加零階保持器對式(12)離散化處理得：

RST參數：

3.3 RST污泥壓榨脫水機控制系統仿真

本文利用MATLAB軟件對RST控制系統和傳統PID污泥脫水控制系統進行仿真研究[10]，RST控制器參數：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：P=1.178、I=0.34、D=0。仿真模型運行時間為200s，在t=100s處加入幅值為0.2的干擾性，分別驗證控制器性、抗干擾能力及魯棒性。

圖6 RST和PID污泥脫水控制系統仿真模型

1）控制器性能對比

如圖7所示，RST控制器的超調量、調節時間、響應速度分別為5%、60s、30s；PID控制器的超調量、調節時間、響應速度分別為22%、70s、20s。對比分析可得，RST控制雖響應速度稍慢，但具有超調量小、調節時間短的優勢。在系統運行t=100s時添加20%的干擾信號，處于穩定狀態的響應曲線于110s處出現曲線波動，RST的波動量約為1%，PID的波動量約為4%，表明RST的抗干擾能力強于PID。綜上所得，RST控制器具有較好的穩定性和抗干擾能力，控制器性能較好。

圖7 RST和PID控制器性能對比曲線

2）魯棒性對比

因污泥脫水過程多種因素的干擾，精確數學模型建立困難，為驗證RST控制器的模型失配魯棒性能力，將對象模型時間常數和靜態增益分別擴大20%，進行仿真對比。如圖8所示，RST控制器的超調量、調節時間、響應速度分別為7%、65s、30s；PID控制器的超調量、調節時間、響應速度分別為40%、85s、20s，并在初始階段出現震蕩。對比模型失配前后，RST的超調量增加2%，PID的超調量增加18%，由此可見，RST抗對象模型失配能力較強，更適應應用于非線性和時滯性污泥脫水機控制系統。

4 控制策略的實現與應用

4.1 RST控制策略的實現

圖8 控制系統模型失配器魯棒性對比曲線

RST污泥脫水機算法的實現的途徑有兩種方法：1）編程人員在上位機或下位機代碼開發；2）利用OPC通訊，實現MATLAB程序與控制軟件通訊[11]。采用OPC通訊技術，以WinCC OPC為服務器，MATLAB OPC為客戶端，通過OPC實現MATLAB子程序與WinCC數據交換，相比直接在STEP7軟件FB塊開發代碼無需復雜程序編寫和差錯，只需進行接口設置更易實現RST控制策略（如圖9所示）?；贠PC技術的RST污泥脫水機控制策略實現步驟如下：

1）對WinCC OPC Server組態，在Simatic OPC Scout中建立項目，并對相關參數設置。

2）調用Simulink中OPC Toolbox，同時添加OPC Configuration、OPC Read、OPC Write模塊，將PIC304_SP（污泥脫水機軸向壓力設計值）和PIC304_PV（污泥脫水機軸向壓力采樣值）分別連接2個OPC Read模塊，將PIC304_LMN（污泥泵頻率）連接OPC Write模塊，設置模式Synchronous，采樣時間0.2秒。

3）建立MATLAB中RST控制器，并激活WinCC OPC Server，設置仿真時間為inf，點擊運行。

圖9 RST控制算法實現

4.2 現場應用與測試

本文所述基于RST算法的污泥脫水機控制系統與XWCK合作，已成功應用于安徽省某瓦楞紙造紙廠。如圖10所示，利用WinCC軟件開發污泥脫水HMI系統，該界面包含設備運行信息、報警信息、參數設置、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程的自動化程度。

圖10 污泥脫水流程HMI畫面

圖11 螺旋壓榨脫水機軸向壓力曲線

污泥螺旋壓榨脫水機控制在使用RST控制器前，螺旋壓榨脫水機軸向壓力控制在±0.3Mpa左右（設定值為1.5Mpa）偏差，當污泥濃度波動時經常出現污泥脫水機堵死事件，嚴重影響污泥脫水工序的穩定運行。如圖11所示，螺旋壓榨脫水機軸向壓力控制在±0.08Mpa，控制精度在5.4%以內，極大避免因污泥濃度波動、污泥黏性改變等因素造成的螺旋壓榨脫水機的堵死，減少設備維修頻率和提高系統運行的穩定性。

5 結論

針對造紙污泥干化過程中具有非線性和時滯性，致使螺旋壓榨脫水機經常堵死的問題，提出一種基于RST的污泥脫水機控制系統。文中對污泥脫水工藝進行研究，分析螺旋壓榨機堵死的原因，設計含RS調節控制器和T追蹤控制器的RST控制對污泥脫水系統，并與PID控制進行Simulink仿真對比研究，且利用OPC通訊技術實現RST污泥脫水控制策略，避免因污泥濃度不穩、污泥黏性變化等因素引起的螺旋壓榨機堵死事件，提高了污泥脫水系統的穩定性和自動化程度?，F場運行結果：螺旋壓榨脫水機軸向壓力控制在±0.08Mpa，控制精度在5.4%以內，該系統能夠精確控制脫水機軸向壓力，設備運行穩定，具有一定的應用價值。