自適應(yīng)模糊PID控制污水處理技術(shù)研究

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(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引言

常規(guī)污水處理工藝流程具有大滯后、非線性、時(shí)變等特點(diǎn),通常的控制方法難以獲得滿(mǎn)意的控制效果[1-2].實(shí)際運(yùn)行過(guò)程稱(chēng)中常憑借操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加藥等操作[3-4].本文將PLC控制和自適應(yīng)模糊PID控制[5]引入到污水處理過(guò)程中,改變了污水處理中相對(duì)落后的控制方法和手段,在保證出水水質(zhì)的前提下降低電耗,減少設(shè)備折舊,提高污水處理效率和效益,提高可操作和運(yùn)行穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)處理流程的規(guī)范化和最優(yōu)化.

1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能

控制系統(tǒng)采用就地操作站與主PLC相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)通訊,提高系統(tǒng)安全性,實(shí)現(xiàn)分布式控制的目的.總體設(shè)計(jì)分為三個(gè)層次:1)中央控制室監(jiān)控系統(tǒng);2)現(xiàn)場(chǎng)操作站主控單元;3)分布于各個(gè)污水處理環(huán)節(jié)的自動(dòng)化檢測(cè)儀表及分控單元.現(xiàn)場(chǎng)主控單元通過(guò)100M冗余工業(yè)以太網(wǎng)與中央控制監(jiān)控系統(tǒng)相連,各分控單元PLC自動(dòng)化檢測(cè)儀表采集各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳送給現(xiàn)場(chǎng)主控單元,再由主控單元完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)的處理、判斷、PLC控制等功能并發(fā)出操作指令,同時(shí)向中央控制監(jiān)控系統(tǒng)交換數(shù)據(jù),中央控制監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)視各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)信息,并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1.

圖1 污水處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 重點(diǎn)自動(dòng)化控制技術(shù)

現(xiàn)在污水處理要求最好能夠兼顧污水處理效率和降低能源消耗.本文重點(diǎn)選取污水處理環(huán)節(jié)中提升泵運(yùn)行控制以及污水處理工程中加藥過(guò)程控制兩個(gè)方面,闡述了自動(dòng)化控制的運(yùn)用.

2.1 提升泵控制技術(shù)

污水提升泵是污水提升的第一環(huán)節(jié),其工作狀態(tài)和性能直接影響污水處理效果.工作要求較快的工作響應(yīng)能力,較強(qiáng)的流量適應(yīng)能力,工作負(fù)荷均衡和設(shè)備自我保護(hù)能力.

傳統(tǒng)污水處理往往只是部分設(shè)備采用較簡(jiǎn)單的自動(dòng)開(kāi)關(guān)甚至單純的手工操作,并且往往只考慮液位的變化,沒(méi)有考慮液位變化率,導(dǎo)致提升泵無(wú)法適應(yīng)頻繁啟動(dòng)和較大的污水流量波動(dòng)的適應(yīng)能力.為了改變這樣的控制弊端,通過(guò)檢測(cè)集水池液位和液位變化率,引入PLC編程控制.控制器通過(guò)采用液位差變量L;液位變化率C;和啟動(dòng)臺(tái)數(shù)N;其中L和C為輸入變量.PLC通過(guò)定時(shí)檢測(cè)液位值L即時(shí)計(jì)算液位變化率并量化,然后通過(guò)PLC傳遞控制信號(hào)啟動(dòng)應(yīng)該啟動(dòng)的提升泵臺(tái)數(shù)N.通過(guò)程序判斷,可以有效的防止對(duì)某些特定提升泵頻繁的進(jìn)行啟停操作,而另外設(shè)備閑置,造成部分提升泵過(guò)分疲勞而提早磨損、報(bào)廢.通過(guò)程序設(shè)定對(duì)每個(gè)提升泵進(jìn)行循環(huán)啟停,從而最大化均衡各臺(tái)設(shè)備的工作量.具體可以通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn):首先初始化對(duì)每臺(tái)提升泵進(jìn)行編號(hào),這個(gè)編號(hào)作為啟動(dòng)具體提升泵的依據(jù),依次為#1,#2,#3,…,#N并按這個(gè)順序啟動(dòng).提升泵工作時(shí),PLC控制最后啟動(dòng)那臺(tái)提升泵時(shí),通過(guò)程序設(shè)置其編號(hào)為#N,其他提升泵編號(hào)依次減一,這樣最后啟動(dòng)的的提升泵的啟動(dòng)次序就被設(shè)置為下一輪的最后一個(gè)啟動(dòng),其他泵臺(tái)依次提前一次啟動(dòng)次序.如此就可以較好的實(shí)現(xiàn)設(shè)備的均衡穩(wěn)定運(yùn)行,提高設(shè)備的使用效率,防止設(shè)備過(guò)度疲勞損壞.

2.2 自適應(yīng)模糊PID加藥控制技術(shù)

2.2.1 模糊控制器基本結(jié)構(gòu)

模糊控制器是運(yùn)用模糊理論,通過(guò)模糊性的語(yǔ)言條件實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制.核心部分為模糊控制器,包括輸入變量模糊化、模糊推理決策、反模糊化3個(gè)部分.圖2為模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖.

圖2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 模糊控制

在污水處理實(shí)際過(guò)程中,影響污水處理指標(biāo)有諸多因素，如：藥劑溶液濃度、pH值、污水輸入流量、污水水質(zhì)等.通過(guò)采集污水輸入流量和水質(zhì)作為前饋?zhàn)兞?采集凈化池出口水質(zhì)作為反饋?zhàn)兞?結(jié)合污水處理工藝流程、控制要求和設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)情況,將復(fù)雜控制過(guò)程分解為并行工作的簡(jiǎn)單子系統(tǒng).解決過(guò)程控制過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,及時(shí)調(diào)劑藥劑投放量及投放配比,通過(guò)模糊自整定PID參數(shù),優(yōu)化設(shè)定污水水質(zhì)、pH值、藥劑用量等設(shè)定值,使得檢測(cè)水質(zhì)參數(shù)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),既保證出水質(zhì)量,又節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用.

綜合控制精度、控制算法和控制穩(wěn)定性要求,模糊控制器采用3個(gè)模糊變量,選取誤差E(R(k)與C(k)的偏差),誤差變化率EC(取E(k)域R(k-1)的偏差)為模糊控制器輸入量量,選取控制量U(k)為輸出變量,模糊集及論域定義如下:{NB,NM,MS,ZO,PS,PM,PB},論域{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}.設(shè)E、EC和kp,ki,kd均服從正態(tài)分布則,可得出各模糊子集的隸屬度.本控制結(jié)構(gòu)為較典型的雙輸入單輸出控制器.其模糊控制規(guī)則的形式為“IF E=… AND IF EC=… THEN U=…”,在通過(guò)總結(jié)操作人員和專(zhuān)家實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工作情況可總結(jié)出多條模糊控制規(guī)則.

2.2.3 自適應(yīng)模糊PID控制

通過(guò)偏差E和偏差率EC作為輸入,利用上述的控制規(guī)則在線對(duì)PID進(jìn)行整定,構(gòu)成以E和EC為輸入變量以比例系數(shù),積分系數(shù)和微分系數(shù)(分別以kp,ki,kd,表示)為輸出的雙輸入三輸出自適應(yīng)模糊PID控制.模糊控制器是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和工作情況建立控制規(guī)則表的,因此PID的參數(shù)必須考慮在不同時(shí)刻kp,ki,kd的相互關(guān)系.考慮E和EC時(shí),被控對(duì)象參數(shù)一般要求歸納為: 1)誤差|E|較大時(shí),誤差的絕對(duì)值較大,不論誤差的變化趨勢(shì)如何,控制器的kp應(yīng)該取較大值,以提高響應(yīng)的快速性,為防止|EC|瞬時(shí)過(guò)大,ki應(yīng)該取較小值;2)誤差|E|在中等大小時(shí),為保證系統(tǒng)的相應(yīng)速度并控制超調(diào)應(yīng)減小kp,增大ki值,kd取適中;3)誤差|E|較小時(shí),為保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性,應(yīng)加大kp和ki的取值,同時(shí)為避免產(chǎn)生振蕩,kd的取值應(yīng)該考慮|EC|.模糊自適應(yīng)在PID算法基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差E和誤差變化率EC,利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理,查詢(xún)模糊矩陣表進(jìn)行.根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表,查出修正參數(shù)代人如下公式計(jì)算:

在線運(yùn)行過(guò)程中,控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算,完成對(duì)PID參數(shù)的在線自校正,工作流程圖如圖3.

圖3 參數(shù)自校正流程圖

圖4 自適應(yīng)模糊PID控制仿真圖

2.2.4 系統(tǒng)仿真

為了比較傳統(tǒng)PID控制和自適應(yīng)模糊PID的調(diào)節(jié)性能,利用MATLAB中的Simulink和Fuzzy工具箱,對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行仿真(圖4).由系統(tǒng)辨識(shí)得到近似模型為一個(gè)二階大滯后系統(tǒng),用傳遞函數(shù)近似表示為:

按ITSE原則進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后,通過(guò)系統(tǒng)仿真可以看出傳統(tǒng)PID控制器超調(diào)量為18.5%,調(diào)整時(shí)間為410s,而自適應(yīng)模糊PID沒(méi)有超調(diào),調(diào)節(jié)時(shí)間為110s.自適應(yīng)模糊PID控制藥明顯優(yōu)于普通PID控制,達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,能夠有效地利用于污水處理控制,提高生產(chǎn)效率.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文將自適應(yīng)控制、模糊控制和PID控制結(jié)合起來(lái),設(shè)計(jì)出新型的自適應(yīng)模糊PID控制,并用于污水處理系統(tǒng),MATLAB仿真結(jié)果表明本文所涉及的控制器,超調(diào)量小,調(diào)節(jié)時(shí)間短,動(dòng)態(tài)性能好,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制;并且優(yōu)于采用提升泵的負(fù)載均衡控制有效的減少了機(jī)械疲勞,延長(zhǎng)電氣設(shè)備的壽命,有效了提升了污水處理的效率和效益.

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