污泥深度脫水的加藥模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

摘 要：介紹了污泥深度脫水控制系統(tǒng)的基本原理，并設(shè)計(jì)了污泥調(diào)理加藥模糊控制系統(tǒng)算法，利用模糊專家控制技術(shù)建立控制模型對(duì)調(diào)理加藥過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備按需運(yùn)行，通過仿真分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性，該研究結(jié)果對(duì)于降低污泥深度脫水系統(tǒng)整體能耗、節(jié)省運(yùn)行成本具有一定的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：污泥脫水;模糊控制;加藥

0? ? 引言

城市污水處理必然會(huì)產(chǎn)生污泥，很多有害物質(zhì)也會(huì)殘存在污泥中，所以需要對(duì)剩余污泥進(jìn)行處理處置，否則會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

目前污泥處理技術(shù)仍以能源干化和機(jī)械脫水為主，由于污泥干化處理的有機(jī)物含量、含水率及工藝環(huán)境存在不確定性，每批次的污泥量及泥質(zhì)等各種參數(shù)都是不確定的，所以污泥調(diào)理配方及攪拌方式也不可能是一成不變的。

目前國(guó)內(nèi)已有的工藝方案由于不具備自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，往往會(huì)采用多加藥劑和放大保險(xiǎn)系數(shù)的辦法，使出泥含水率達(dá)標(biāo)，無法實(shí)現(xiàn)藥劑和工藝運(yùn)行按需分配，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本增加。若要保證污泥處理系統(tǒng)的調(diào)理工藝及配方之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，就需要?jiǎng)討B(tài)地調(diào)節(jié)調(diào)理系統(tǒng)中的各種參數(shù)。然而在整個(gè)工藝系統(tǒng)中輸入?yún)?shù)和控制對(duì)象眾多，還存在非線性、大時(shí)滯的問題，這就需要使用智能控制技術(shù)來解決。通過對(duì)每批次污泥量及泥質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)控制，利用模糊專家控制技術(shù)建立控制模型對(duì)調(diào)理過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備按需運(yùn)行，達(dá)到降低系統(tǒng)整體能耗、節(jié)省運(yùn)行成本的目標(biāo)。

1? ? 控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由上位機(jī)采用高級(jí)語言編程開發(fā)，執(zhí)行子系統(tǒng)由PLC與控制電機(jī)組成，通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)模糊控制軟件和現(xiàn)場(chǎng)PLC的通信。污泥深度脫水系統(tǒng)工藝流程與控制流程圖如圖1所示。調(diào)理系統(tǒng)是污泥深度脫水系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，調(diào)理藥劑需根據(jù)調(diào)理池中污泥含水率的情況進(jìn)行計(jì)算，按提供泥藥比例及投加順序進(jìn)行投加。調(diào)理藥劑成本也占到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行成本的一半以上，因此，按需投藥、降低成本，是本模糊控制系統(tǒng)的目標(biāo)。

投藥量控制方法如下：投藥量以含水率控制作為主要控制手段。即在線監(jiān)測(cè)和控制污泥調(diào)理過程中的含水率，在線監(jiān)測(cè)進(jìn)入泥量、含水率，并采樣分析每批泥的泥質(zhì)情況輸入控制系統(tǒng)，在調(diào)理池中設(shè)置含水率檢測(cè)反饋，通過模糊控制算法對(duì)加藥量進(jìn)行精確控制。

2? ? 模糊控制算法

具體算法如下：加藥量1# L和2# kg分別是加藥的核心被控制變量，需要制定控制規(guī)則，下面分別對(duì)其進(jìn)行模糊規(guī)則的制定。

2.1? ? 確定輸入?yún)?shù)

根據(jù)關(guān)鍵控制參數(shù)的研究成果，對(duì)于1# L和2# kg取得以下兩個(gè)輸入?yún)?shù)：

Eratio：調(diào)理池內(nèi)混合液含水率與設(shè)定值的偏差;

CEratio：調(diào)理池內(nèi)混合液含水率與設(shè)定值的偏差變化率。

對(duì)以上各個(gè)參數(shù)通過模糊化變換成模糊量，再根據(jù)由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)得出的模糊知識(shí)庫(kù)對(duì)模糊輸入量進(jìn)行模糊推理，得到相應(yīng)的模糊控制量，經(jīng)模糊判斷將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確控制量輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量（加藥量1# L和2# kg）的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)調(diào)理池內(nèi)混合液含水率。

2.2? ? 模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇

所謂“模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇”，就是確定模糊控制器的輸入、輸出變量。模糊控制器的結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有較大影響，必須根據(jù)被控對(duì)象的具體情況合理選擇。對(duì)于加藥量1# L和2# kg，該系統(tǒng)采用“二輸入-單輸出”二維模糊控制器，輸入變量分別為Eratio和CEratio，輸出變量為加藥量1# L和2# kg。

2.3? ? 模糊語言變量及論域的確定和模糊化

模糊規(guī)則是由若干語言變量構(gòu)成的模糊條件語句，它們反映了人類的某種思維方式。在確定模糊變量時(shí)，首先確定其基本的語言值，再根據(jù)需要生成若干個(gè)語言子值。一般來說，一個(gè)語言變量的語言值越多，對(duì)事物的描述就越準(zhǔn)確，可能得到的控制效果就越好。但是過細(xì)的劃分會(huì)使控制規(guī)則變得復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來更困難，因此應(yīng)根據(jù)具體情況而定。對(duì)于各個(gè)輸入量和輸出量，其模糊子集規(guī)定為：{負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟S），零（ZO），正?。≒S），正中（OM），正大（PB）}。

2.4? ? 模糊控制規(guī)則的確定和模糊控制表的建立

在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器的性能對(duì)系統(tǒng)的控制特性影響很大，而模糊控制器的性能在很大程度上取決于模糊控制規(guī)則的確立及其可調(diào)整性。采用經(jīng)驗(yàn)歸納法，根據(jù)對(duì)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的收集和分類，總結(jié)出對(duì)1# L和2# kg控制的各條規(guī)則，其形式為：

IF Eratio = … and IF CEratio = …， then 1# L =…

IF Eratio = … and IF CEratio = …， then 2# kg =…

根據(jù)以上的規(guī)則語句，對(duì)輸入變量采用最大隸屬度法進(jìn)行反模糊化，經(jīng)過離線計(jì)算得到每一個(gè)狀態(tài)的模糊控制器輸出，制成相關(guān)的控制規(guī)則。

3? ? 模糊控制算法仿真驗(yàn)證

使用MATLAB9.0進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過調(diào)節(jié)投藥量，將污泥含水率維持在設(shè)定值，仿真結(jié)果如圖2所示。仿真結(jié)果表明，模糊控制方法可以有效地穩(wěn)定污泥含水率。

4? ? 結(jié)語

模糊邏輯控制器的應(yīng)用可以改善污泥脫水壓榨系統(tǒng)，以降低運(yùn)行成本;模糊控制策略可以更有效地減少藥劑的投加量，得到穩(wěn)定的污泥脫水效果。本文研究結(jié)果對(duì)于污水廠污泥深度脫水系統(tǒng)有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2020-03-30

作者簡(jiǎn)介：羅?。?976—），男，湖南邵陽人，博士，副教授，主要從事自動(dòng)化控制研究和教學(xué)工作。