污水處理加藥系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡衛(wèi) 王福斌

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)和農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，給自然環(huán)境帶來(lái)的污染日益嚴(yán)重，尤其是水污染已逐漸受到各界人士的關(guān)注[1]。我國(guó)的污水處理廠大多仍在沿用老式系統(tǒng)[2]，工藝技術(shù)低，缺乏系統(tǒng)性，對(duì)人工操作的依賴(lài)性很大。根據(jù)此情況，本文對(duì)天津第一污水處理廠水處理過(guò)程中的加藥系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)加藥系統(tǒng)的智能控制。

2 加藥過(guò)程分析

在污水處理過(guò)程中，因金屬而產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕難以避免。這不但導(dǎo)致了水路管道的損壞，還會(huì)損壞相關(guān)的設(shè)備。因此必須重視金屬的電化學(xué)腐蝕。系統(tǒng)的供水，需要在低氧的環(huán)境下，且PH值以中性為佳[3]。在水處理中這一環(huán)節(jié)都是通過(guò)加藥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。加聯(lián)胺可以除去污水中的CO2和O2，加氨可以提高PH值，一般PH值調(diào)節(jié)至8.8-9.3為宜。

測(cè)量污水的PH值一般在給水泵之后展開(kāi)，氨的加入點(diǎn)則在給水泵之前、除氧器之后。系統(tǒng)首先在給水泵之后采取樣本，測(cè)定PH值后再根據(jù)PH值的大小確定所加藥的用量，之后再用變頻器改變加藥泵的頻率，進(jìn)一步控制加藥量。

3 自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

測(cè)量裝置有聯(lián)胺儀和PH表，分別可以測(cè)量給水的PH值與聯(lián)胺含量。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有聯(lián)胺泵和加氨泵，能夠按照具體的控制需求對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的水展開(kāi)聯(lián)胺、加氨處理。通過(guò)上述分析能夠發(fā)現(xiàn)：加藥控制系統(tǒng)具有非線(xiàn)性和時(shí)滯性。

常規(guī)PID控制通常用作線(xiàn)性不變系統(tǒng)，假如PID參數(shù)一定，在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變后PID難以及時(shí)調(diào)整，這些都會(huì)對(duì)控制質(zhì)量有影響，因此必須對(duì)現(xiàn)有的控制方式進(jìn)行改變。

給水的加藥往往通過(guò)人工來(lái)實(shí)現(xiàn)。工人們不斷積累經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)加藥過(guò)程詳細(xì)了解和學(xué)習(xí)，已可以靈活處理加藥時(shí)的各種問(wèn)題。對(duì)智能控制器的設(shè)定不但應(yīng)當(dāng)要應(yīng)對(duì)好一般的穩(wěn)定跟蹤控制問(wèn)題，更要讓其在特殊情況發(fā)生后得以自主的進(jìn)行調(diào)整。

模糊控制，把過(guò)往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為控制規(guī)則，可以有效地運(yùn)用人們?cè)趯?shí)踐中得到的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)能力、適應(yīng)性和容錯(cuò)性都很優(yōu)越。對(duì)非線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用表現(xiàn)良好。在本系統(tǒng)中，模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制互相綜合起來(lái)，更加有效地完成了對(duì)加藥系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。

3.1 模糊控制

模糊集理論是由Zadeh教授在1965年創(chuàng)立，而第一個(gè)模糊控制器則是在1974年由Mamdani教授在實(shí)踐得以投入使用，在此之后，模糊控制技術(shù)的應(yīng)用范圍變得越來(lái)越廣，在當(dāng)下早已成為智能控制過(guò)程當(dāng)中的不可或缺的組成成分。

模糊控制主要用于具有極強(qiáng)的非線(xiàn)性、數(shù)學(xué)模型難以建立且控制對(duì)象復(fù)雜可變的系統(tǒng)中，它以模糊集合論作為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，模糊控制器的設(shè)計(jì)方法依賴(lài)于操作者的經(jīng)驗(yàn)，這與傳統(tǒng)控制器依賴(lài)于系統(tǒng)行為參數(shù)有所不同。模糊控制系統(tǒng)性能的優(yōu)化一般是通過(guò)改變模糊規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)，亦即工作人員在實(shí)際操作中積累的經(jīng)驗(yàn)。

模糊控制系統(tǒng)如圖1。

模糊控制的作用在于把專(zhuān)家在實(shí)際工作中得到的經(jīng)驗(yàn)落實(shí)到控制工作中，但對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)，以往的經(jīng)驗(yàn)并非一定正確，也可能會(huì)在應(yīng)用中出現(xiàn)錯(cuò)誤。而且模糊控制不具備自主學(xué)習(xí)的功能，無(wú)法自行適應(yīng)系統(tǒng)的控制。因此模糊控制本身是有欠缺的。

3.2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅有自學(xué)習(xí)功能，而且也具備容錯(cuò)性和自適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。不僅如此，其也有一些缺點(diǎn)，假如經(jīng)驗(yàn)內(nèi)容表現(xiàn)出特定的規(guī)則，則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難以把這些內(nèi)容投入到網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中。

所以，筆者最終決定把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制兩者綜合起來(lái)，讓兩個(gè)算法互相補(bǔ)充，這種將兩種算法——模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合的產(chǎn)物，我們將其稱(chēng)為：模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

3.2.1 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，一般分為五層：輸入層，歸一化層，模糊化層，模糊規(guī)則層，以及去模糊化層。在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，模糊化層能夠把數(shù)據(jù)模糊化，并經(jīng)過(guò)歸一化層與模糊規(guī)則層的運(yùn)算，最后經(jīng)過(guò)去模糊層對(duì)推理所得展開(kāi)去模糊化處理。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2） 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算過(guò)程

按照?qǐng)D2，從左到右，按照從輸入層到輸出層的順序，對(duì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖逐層加以分析。

輸入層，其最重要的功能是通過(guò)輸入層把輸入量信息傳遞給模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)輸入的概念表示為x=[x1，x2，…，xn]，下標(biāo)n代表輸入量的數(shù)量。

模糊化層，能夠把輸入量模糊化處理，利用函數(shù)公式把精確量數(shù)值轉(zhuǎn)變?yōu)槟：浚鞠到y(tǒng)中采用高斯函數(shù)處理輸入量的模糊化，再將模糊化后的輸入量轉(zhuǎn)移至與之相關(guān)的模糊集中。

4 小結(jié)

以自動(dòng)加藥系統(tǒng)的非線(xiàn)性、時(shí)滯特性為基礎(chǔ)對(duì)特定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、控制算法模糊控制展開(kāi)了論述。綜合了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩類(lèi)算法的優(yōu)點(diǎn)，得到模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了污水處理加藥系統(tǒng)的智能控制。

參考文獻(xiàn)

[1]2016～2017年度全國(guó)電力供需形勢(shì)分析預(yù)測(cè)報(bào)告（節(jié)選）[J].中國(guó)電力企業(yè)管理，2017，（01）：94-96.

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