當前隨著水資源的不斷減少，水質污染日益嚴重，人類生存受到嚴重威脅。污水處理與再循環(huán)利用已成為解決該危機的有效手段之一。目前。國內外城市污水處理廠處理工藝大都采用一級處理和二級處理。一級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。二級處理則是采用生化方法，主要通過微生物的生命運動等手段來去除廢水中的懸浮性，溶解性有機物以及氮、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的處理工藝，是一種連續(xù)進水式SBR曝氣系統(tǒng)，其生物處理核心是CCAS反應池，除磷、脫氮、降解有機物及懸浮物等功能均在該池內完成；它要求反應池分別工作于好氧、缺氧、厭氧3種不同的時段，使污水在“好氧一缺氧”的反復中完成去碳、脫氮，并在“好氧-厭氧”的反復中完成除磷。由于其曝氣設備一般為羅茨風機和鼓風機，這樣也就使風機根據(jù)好氧、缺氧、厭氧3種不同時段溶解氧DO濃度的需要，起起停停，造成風機頻繁的起動停車，致使設備運行費用高；同時，由于CCAS反應池存在純滯后特征，易使系統(tǒng)控制產生振蕩，致使反應池內溶解氧DO濃度忽高忽低，嚴重影響了出水的質量。
采用TMS320LF2812型DSP作為主控芯片。充分利用它所具有的實時運算能力，豐富電機控制外圍電路和接口資源，對羅茨風機電機實行轉子磁場定向矢量的變頻控制。使電機能根據(jù)溶解氧DO的需要工作于不同的轉速，確保溶解氧DO的濃度恒定；同時，在系統(tǒng)中引入Smith預估控制，從而保證出水水質的要求。
1 污水處理中溶解氧DO的控制原理
污水處理中溶解氧DO的大小是由鼓風機的鼓風量的大小決定的，而鼓風量的大小與風機葉片旋轉的快慢有關，這樣就可以根據(jù)反應池中的溶解氧DO的需要控制風機的轉速，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，實現(xiàn)對溶解氧DO的恒定控制。
速度環(huán)和電流環(huán)作為內環(huán)主要用于對風機電機的轉速和電流進行控制，以適應溶解氧DO環(huán)的需要，風機電機一般采用三相交流異步電動機，在此采用轉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，電機的轉矩方程為：
式中，pm為轉子磁極對數(shù)，ψr為轉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來控制轉矩，實現(xiàn)對電機轉速的變頻控制。
溶解氧DO環(huán)作為外環(huán)主要完成對CCAS反應池內的溶解氧DO的大小進行無靜差控制，由于CCAS反應池屬于大滯后慣性環(huán)節(jié)，為提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，為此引入改進的Smith預估控制環(huán)節(jié)，其原理圖如圖2所示。
圖中G1(S)為主控制器PI的傳遞函數(shù)，G2(S)為輔助控制器PD的傳遞函數(shù)，G(S)為控制對象不含滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，從圖中可以看出：它是在經典的Smith預估器的基礎上，經等效變換后獲得的，改進后的Smith預估控制器可以等效為：先通過Smith預估器將原有的控制對象經PD控制器的反饋修正后，再用PI控制器對等效對象進行控制。由于等效對象中增加了一個開環(huán)零點，使得系統(tǒng)的截止頻率增大，從而可在由PI控制器進行控制時，得到較快的響應；同時，PD控制器可使等效對象的閉環(huán)極點分布在合適的位置，從而得到更好的控制性能。根據(jù)轉速環(huán)的等效傳遞函數(shù)和CCAS反應池的慣性特征，令G(S)=K／(T1S+1)(T2S+1)，T1≥T2，G1(S)=Ki(TiS+1)／TiS，G2(S)=Kd(TdS+1)，則Smith預估控制器所需的參數(shù)為：Ti=Td=T1，Ki=T1T2ωn2／K，Kd=(1．41T2ωn-1)／K，ωn=5．66／Ts。
經過以上的考慮及設計，就組成了帶Smith預估控制器的三環(huán)系統(tǒng)結構，系統(tǒng)工作時，首先，通過氧濃度傳感器將DO轉化為電信號，然后經過運放及運放調節(jié)電路轉換成0～5 V的電壓信號與DO給定相比較，經PI運算輸出速度給定信號nref，然后與檢測到轉子速度的微分信號相比較，經PI運算輸出控制轉矩的電流分量isqref，電流分量給定信號與經過坐標變換的電機實際電流分量比較，通過電流調節(jié)器的PI運算，其輸出量經Park逆變換，得到Vsαref、Vsβref，空間SVPWM模塊根據(jù)這2個信號計算PWM的占空比，生成PWM波，驅動逆變器，產生可變頻率和幅值的三相正弦電流輸入電機定子，驅動電機以一定的轉速運行，對污水進行鼓風加氧，調節(jié)溶解氧DO的大小，從而達到控制反應池內溶解氧DO大小的目的，控制出水水質。
2 系統(tǒng)的硬件電路與功能
該系統(tǒng)主要由主電路、DSP控制電路、檢測反饋與保護電路來組成，其系統(tǒng)組成的原理框圖如圖3所示。主電路由整流器、IPM逆變器、電機組成。IPM采用三菱公司智能功率模塊PM20CSJ060，其內部有高速低損耗IGBT共6只，組成三相全橋逆變電路，并且內部集成有驅動電路，過電壓、過電流、過熱及欠電壓等故障保護電路，當故障時IPM發(fā)出信號，通過TMS320F2812的外部中斷PDPINT封鎖DSP輸出PWM脈沖，從而保護IPM免受損壞。為避免電機制動時產生過高的泵生電壓，設有能耗制動時的能量泄放控制。
控制電路主要由上位機、TMS320F2812、輸入／輸出接口電路等組成，TMS320F2812采用高性能的靜態(tài)CMOS技術，主頻達150MHz(時鐘周期6．67 ns)，提高了系統(tǒng)實時控制的能力，片內128 Kxl6位的Flash，128 Kxl6位ROM，18 Kxl6位的SARAM，1 Kxl6位一次可編成的存儲器OT-P。12位A／D轉換器達16個，PWM輸出通道達12個，使控制系統(tǒng)的價格大大降低而且體積縮小，可靠性提高。
電機相電流檢測是通過電流型霍爾傳感器和電阻采樣后轉換為電壓信號，再經AC-DC變換為0～3 V的電壓信號接入DSP的A／D通道1引腳。系統(tǒng)采用的光電編碼器為每周2 500脈沖，有20針的標準接口，提供6路脈沖信號。脈沖經QEP電路4倍頻，用來計算轉子位置和轉速。CCAS反應池內溶解氧DO的檢測由插入污水中的COS4型溶解氧傳感器完成，經COM252型溶氧變送器將其轉換為O～5 V的電壓信號接入DSP的A／D通道2引腳，用來反映實際的溶解氧DO大小。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件部分的設計主要由主程序、運行控制子程序等組成，如圖4和圖5所示。主程序完成硬件、軟件初始化、故障檢測及處理、通信、運行等，硬件初始化主要完成DSP的設置，如看門狗、時鐘、計時器、ADC、SCI、I／O、事件管理(EV)等的設置，軟件初始化主要對軟件變量賦予初值，DSP通過SCI串口與上位機(微機)保持通信，接收上位機傳送的命令，更新變量和標志，實現(xiàn)實時追蹤控制。運行控制子程序主要是通過電動機的FOC矢量變頻控制，實現(xiàn)對CCAS反應池內溶解氧DO大小進行監(jiān)測和閉環(huán)控制。
4 實驗仿真
應用Matlab建立控制系統(tǒng)仿真模型，仿真參數(shù)設置如下：
一般情況下厭氧池的DO小于O．1 mg／L，缺氧池的DO小于0．5 mg／L，耗氧池的DO控制在2～3 mg／L之間，通過對CCAS反應池內溶解氧DO的給定設置(2、0．5、O．1 mg／L)并進行仿真，仿真結果如圖6所示。從仿真曲線可以看出，隨系統(tǒng)設置給定的變化，在不同階段系統(tǒng)控制輸出信號上升較快，調節(jié)時間較短，參數(shù)穩(wěn)定，克服了時滯大慣性緩解對系統(tǒng)性能的影響，實時控制及時，穩(wěn)定效果較好。
5 結論
該系統(tǒng)通過采用TMS320LF2812控制芯片組成控制系統(tǒng)，完成對風機的矢量變頻調速控制，節(jié)能、控制效果好，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應性能和靜態(tài)性能；通過引入的Smith預估補償控制，提高了系統(tǒng)的響應速度和系統(tǒng)的魯棒性，并使系統(tǒng)具有硬件簡單和性價比高等優(yōu)點。