模糊PID控制在煤礦污水集中監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

蔣琪

【摘 要】本文主要對(duì)污水處理監(jiān)控系統(tǒng)中的控制策略進(jìn)行了研究。在信息管理層中，根據(jù)污水處理控制延時(shí)較長(zhǎng)、容易出現(xiàn)超調(diào)等問(wèn)題，采用模糊PID控制算法對(duì)污水處理流程進(jìn)行監(jiān)控，不僅保證了污水處理的質(zhì)量，而且還降低了污水處理成本，是污水處理的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】污水處理；監(jiān)控系統(tǒng)；模糊PID

0 概述

隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)，以及社會(huì)的不斷發(fā)展，社會(huì)水資源需求量越來(lái)越大。污水處理及再利用也成為了一個(gè)重要的研究方向。與一般包括工業(yè)污水的城市污水相比，煤礦污水污染物濃度偏低，污水可生化性好，處理難度小。目前比較流行的污水處理監(jiān)控主要是由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、PLC控制站、中央控制站的三級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在污水處理監(jiān)控過(guò)程中，用戶既可以在PLC控制站直接對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)也可以通過(guò)中央控制室中，遠(yuǎn)程對(duì)污水處理流程中的各種設(shè)備進(jìn)行控制。

1 煤礦污水處理綜合系統(tǒng)

煤礦污水處理綜合系統(tǒng)需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井污水、生活污水以及醫(yī)療污水的處理。但是僅從污水處理的角度來(lái)看三種污水的處理可以抽象為一種污水的處理業(yè)務(wù)。

對(duì)于煤礦污水處理綜合監(jiān)控系統(tǒng)的用戶而言，其具體的業(yè)務(wù)就是對(duì)煤礦三種污水處理的設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，并通過(guò)對(duì)污水處理現(xiàn)狀的描述，來(lái)設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)閾值和參數(shù)，同時(shí)生成必要的污水處理報(bào)表進(jìn)行審核，從而能夠隨時(shí)對(duì)污水處理的現(xiàn)狀進(jìn)行了解。

煤礦污水監(jiān)控系統(tǒng)的重點(diǎn)是設(shè)備的控制，按照污水處理工藝?yán)碚?，污水處理過(guò)程中曝氣需氧量和溶解氧濃度存在滯后，是一個(gè)非線性的關(guān)系，但是可以進(jìn)行分段的線性化。為此，主要采用PID控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行污水處理過(guò)程中的水量、水質(zhì)的控制，從而提高污水處理的曝氣效果和節(jié)能效果。

在單閉環(huán)PID恒值控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)所調(diào)節(jié)的參數(shù)一直保持不變，或者是不超過(guò)某一個(gè)偏差。PID控制方案思路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，如果檢測(cè)到污水中污染物濃度高于排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就以恒定的速度往污水中投放藥物，當(dāng)污染物濃度低于排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就停止藥物的投放。但是，使用PID控制方案控制污水中藥物投放時(shí)，可能會(huì)由于如下兩個(gè)方面的原因?qū)е滤幬锿斗胚^(guò)量：一是，藥物反應(yīng)的延時(shí)導(dǎo)致藥物投放過(guò)量；二是，污水中藥物濃度的不均衡性導(dǎo)致藥物投放過(guò)量。這樣就會(huì)導(dǎo)致當(dāng)污水中污染物的實(shí)際含量達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，繼續(xù)投放藥物，導(dǎo)致藥物浪費(fèi)，增加了煤礦污水處理成本；另外排放后污水中的藥物也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，達(dá)不到煤礦污水處理的目的。

2 模糊PID參數(shù)自整定污水處理控制系統(tǒng)

針對(duì)污水處理PID控制方案所存在的超調(diào)問(wèn)題，采用模糊PID參數(shù)自整定污水處理控制系統(tǒng)來(lái)緩解污水處理過(guò)程中的超調(diào)問(wèn)題。基于模糊PID參數(shù)自整定污水處理控制系統(tǒng)的基本思想是，在進(jìn)行污水處理過(guò)程中，不只考慮當(dāng)前污水處理濃度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮當(dāng)前污水濃度與達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)污水濃度的差值來(lái)實(shí)現(xiàn)藥物的投放量控制。使用模糊PID參數(shù)自整定控制來(lái)進(jìn)行PID控制參數(shù)的調(diào)整，從而進(jìn)一步提高工作效率。如圖1為模糊PID參數(shù)自整定污水處理控制系統(tǒng)組成方框圖。

模糊PID參數(shù)自整定控制方案流程如圖1所示：

整個(gè)控制流程的重點(diǎn)在于找出PID控制流程中e與ec之間的模糊關(guān)系，并通過(guò)不斷的進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)模糊控制原理，靈活修改Kp，Ki和Kd三個(gè)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流程的動(dòng)態(tài)控制。

模糊PID參數(shù)自整定控制方案的設(shè)計(jì)流程為：

1）確定PID模糊控制器的輸入/輸出變量，從而確定模糊控制器的控制位數(shù)。模糊控制器的輸入變量為偏差e和偏差變化率ec，其輸出為PID控制器參數(shù)Kp，Ki，Kd。

2）根據(jù)實(shí)際的污水處理情況，進(jìn)行輸入/輸出變量范圍的確定，并且確定這些變量的比例因子、量化因子以及等級(jí)。

3）對(duì)于每一個(gè)變量定義模糊子集，確定模糊子集的個(gè)數(shù)，并確定模糊子集的語(yǔ)言變量，為各語(yǔ)言變量選擇合適的隸屬度函數(shù)。

4）確定模糊控制規(guī)則，即根據(jù)煤礦污水處理實(shí)際情況，在控制操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)上，進(jìn)行總結(jié)，并得到的模糊條件語(yǔ)句集合。

5）求出模糊控制表，根據(jù)所確定的模糊控制規(guī)則，確定模糊控制的輸出，并將這些輸出以表格的形式進(jìn)行輸出。

6）根據(jù)模糊控制規(guī)則表，選擇合適方式將模糊的規(guī)則表轉(zhuǎn)換成為具體的PID參數(shù)。

7）PID控制方案根據(jù)所得到的PID參數(shù)進(jìn)行控制，從而提高PID控制方案的靈活性。

為了實(shí)現(xiàn)模糊控制器的標(biāo)準(zhǔn)化，在本文所研究的礦井污水處理中，主要采用瑪達(dá)尼所提出的模糊控制器標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，將[-6，6]之間連續(xù)變化的輸入誤差E，以及誤差變化△E離散化，從而構(gòu)成了一個(gè)包含了如下13個(gè)整數(shù)的離散集合：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，并且將[-6，6]區(qū)間內(nèi)的連續(xù)變量劃分為8個(gè)模糊狀態(tài)，即“負(fù)大”（NB），“負(fù)中”（NM），“負(fù)小”（NS），“負(fù)零”（NO），“正零”（PO）、“正小”（PS），“正中”（PM），“正大”（PB），并且PLC控制的每一個(gè)模糊狀態(tài)對(duì)應(yīng)了其中的一個(gè)模糊集A={A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8}。將所示的“正零”和“負(fù)零”合并之后，將[-6，6]區(qū)間內(nèi)浮動(dòng)的誤差分成7個(gè)模糊狀態(tài)，分別為“負(fù)大”（NB），“負(fù)中”（NM），“負(fù)小”（NS）， “零”（ZO）、“正小”（PS），“正中”（PM），“正大”（PB）。

對(duì)于負(fù)誤差情況，如果誤差為 NB 或 NM，而且誤差變化也是負(fù)的（NB，NM 或NS），那么選擇 PB 作為控制量，以便更快消除誤差。足夠快的加速控制響應(yīng)；如果誤差變化為正，這表明誤差趨于減小，應(yīng)選擇較小的控制量，即誤差變化為 PS 時(shí)，控制量取 PM，而誤差變化為 PM 或 PB 時(shí)，可不增加控制量，所取控制量為 ZO。當(dāng)誤差較小時(shí)，主要問(wèn)題是使控制系統(tǒng)盡快趨向穩(wěn)定，并防止發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象。這時(shí)的控制量是根據(jù)誤差變化確定的。例如，若誤差為 NS，誤差變化為 PB，則取控制量為 NS。根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，當(dāng)控制系統(tǒng)的誤差和誤差變化同時(shí)改變正負(fù)號(hào)時(shí)，控制量也必須變號(hào)。因此，對(duì)于正誤差，控制量可被對(duì)稱地確定。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)污水集中監(jiān)控系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行探究，通過(guò)借助模糊PID參數(shù)自整定污水處理控制系統(tǒng)來(lái)提高污水控制處理的精準(zhǔn)性。通過(guò)采用模糊PID算法能過(guò)減少藥物投放量，降低污水處理成本，減少排放污水的藥物含量，提高污水處理的能力和節(jié)能效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王洪臣.煤礦污水處理廠運(yùn)行控制和維護(hù)管理[M].科學(xué)出版社，2009（11）.

[2]馬衛(wèi)衛(wèi)，王社平.煤礦污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)特性[J].給水排水，2013.26（1）.

[責(zé)任編輯：田吉捷]