制水混凝加藥控制的模糊PID算法研究

袁卓異

(湖南華博信息技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410035)

在水處理工藝中，混凝是其中最重要的工序之一，混凝結(jié)果直接對(duì)出水水質(zhì)造成很大的影響，同時(shí)也會(huì)影響后續(xù)處理工藝以及制水成本。在實(shí)際的水處理過程中，主要是通過在原水中添加藥劑的方式來提高混凝效果，而藥劑的添加量對(duì)混凝效果影響很大。因此，研究混凝劑投控制方法的目的就是保證混凝劑的投加量處于一種最佳狀態(tài)。但是對(duì)于水處理過程這樣具有較大延時(shí)、動(dòng)態(tài)時(shí)變、復(fù)雜的非線性關(guān)系以及大量干擾的復(fù)雜過程，原水水質(zhì)、原水溫度、原水流量以及“礬液”濃度等因素都會(huì)影響水凝效果。因此，如何保證混凝劑的添加量處于一種“最佳劑量”狀態(tài)以及有效提高出水質(zhì)量，仍然是一個(gè)難題。

為了提高水處理過程的混凝效果，相關(guān)學(xué)者對(duì)混凝過程藥劑添加量的控制進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[3]為了克服原水水質(zhì)、原水流量發(fā)生較大變化對(duì)混凝藥劑投加控制系統(tǒng)帶來的影響，設(shè)計(jì)了一種前饋和反饋相結(jié)合的控制方案，并將其投入實(shí)際的應(yīng)用過程，取得了較好的控制效果。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于PID控制器的混凝劑的加藥量控制方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝藥劑的控制。文獻(xiàn)[5]針對(duì)水處理過程存在較大延時(shí)、動(dòng)態(tài)時(shí)變、復(fù)雜非線性關(guān)系等特點(diǎn)，提出了一種基于分層思想的模糊控制方案，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以有效地提高控制水平。

以上的相關(guān)研究為智能加藥控制器設(shè)計(jì)提供了大量的借鑒。然而，隨著原水的日益污染嚴(yán)重以及水質(zhì)要求的不斷提高，給水處理過程帶來了更多的難點(diǎn)問題。因此，為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率以及水質(zhì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一套基于模糊PID算法的智能加藥控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)混凝過程藥劑添加的精準(zhǔn)控制。

1 水處理工藝及過程工作原理

水處理過程的整個(gè)工藝流程如圖1所示，包括混凝、沉淀、砂濾等幾個(gè)主要工序。其中混凝過程是最重要的工序之一，該過程會(huì)影響沉淀、砂濾以至后續(xù)工序。由于原水中的大顆粒懸浮物質(zhì)以及部分膠體微粒會(huì)影響水處理工藝的效果，因此混凝過程是通過向原水中添加一定量的混凝藥劑，使其中的懸浮物質(zhì)和部分微粒結(jié)合成易沉降的絮狀物質(zhì)，從而與原水分離開來。而混凝藥劑的添加量對(duì)混凝效果影響很大，劑量過多或過少都會(huì)造成最終的結(jié)果不理想。

圖1 水處理工藝流程

對(duì)于涉及大量復(fù)雜反應(yīng)的混凝過程，往往很難通過過程的機(jī)理知識(shí)來建立有效的數(shù)學(xué)模型。而且原水水質(zhì)、原水溫度、原水流量以及“礬液”濃度等因素都會(huì)對(duì)混凝效果造成很大的影響。在正常情況下，原水溫度越低，絮狀物質(zhì)形成速度越慢，導(dǎo)致絮狀物質(zhì)比較疏松，影響后續(xù)工序的處理效果。而且在混凝過程的藥劑投加到最終的處理工序，需要的時(shí)間在2個(gè)小時(shí)左右。因此對(duì)于具有復(fù)雜的非線性關(guān)系以及較大滯后的復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方案難以及時(shí)檢測到可以反映水質(zhì)變化的關(guān)鍵參數(shù)的改變，從而無法快速做出調(diào)整，難以獲得理想的控制效果。

2 基于模糊PID算法的混凝藥劑投加控制系統(tǒng)

智能加藥控制器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)主要包括混凝藥劑控制器以及實(shí)際水處理對(duì)象。其中，混凝藥劑控制器是該系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，經(jīng)過該控制器的調(diào)節(jié)之后，可以保證整個(gè)水處理過程的出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，并節(jié)省水廠的生產(chǎn)成本。而在實(shí)際的水處理過程中，濁度可以較好地反映原水水質(zhì)的變化情況，因此該系統(tǒng)的被控量為濁度。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異?；虍a(chǎn)生突變干擾(原水流量、原水溫度、原水水質(zhì))時(shí)，濁度的變化將快速地反饋到控制器，控制器通過濁度的變化情況來實(shí)時(shí)調(diào)整藥劑添加量。

圖2 智能加藥控制器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混凝藥劑添加過多或過少都會(huì)影響混凝效果，因此需要保證混凝藥劑處于一種“最佳投加量”狀態(tài)。而對(duì)于水處理這樣存在較大延時(shí)以及復(fù)雜非線性關(guān)系的復(fù)雜過程，傳統(tǒng)的控制方案難以及時(shí)檢測到可以反映水質(zhì)變化的關(guān)鍵參數(shù)的改變，從而無法快速做出調(diào)整，因此本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID 的混凝藥劑投加控制器，實(shí)現(xiàn)混凝藥劑的合理添加，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

2.1 模糊PID控制簡介

由于PID控制器的結(jié)構(gòu)簡單且易實(shí)現(xiàn)，因此被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)過程控制系統(tǒng)，該方法的結(jié)構(gòu)如下所示：

(1)

其中，，，為PID控制器的調(diào)節(jié)參數(shù)；和d/d分別為PID的兩個(gè)輸入。

模糊PID結(jié)合了PID和模糊控制二者的優(yōu)點(diǎn)，通過建立相應(yīng)的模糊規(guī)則來實(shí)現(xiàn)保證PID的相關(guān)參數(shù)處于一個(gè)最佳狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)框圖具體如圖2所示。

2.2 混凝藥劑模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊控制方法在工業(yè)過程優(yōu)化控制中被廣泛使用，該方法將復(fù)雜的工業(yè)過程信息進(jìn)行簡單的模糊處理，模擬人工控制過程，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程的智能化。在簡單控制系統(tǒng)中，PID控制器就能達(dá)到較好的控制效果，但是對(duì)于水處理這樣存在較大延時(shí)以及復(fù)雜非線性關(guān)系的復(fù)雜過程，PID控制器的控制效果較差。而模糊PID具有模糊控制器和PID控制器二者共同的優(yōu)點(diǎn)，因此采用模糊PID控制方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝藥劑投加量的控制，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊 PID 控制框圖

在設(shè)計(jì)混凝藥劑模糊PID控制器時(shí)，首先要對(duì)濁度偏差e、偏差變化率ec以及輸出變量u進(jìn)行模糊化處理。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程及專家經(jīng)驗(yàn)，混凝過程輸入變量模糊量一般選取5個(gè)或者7個(gè)，根據(jù)實(shí)際處理過程，輸入模糊量選取{LL，L，M，H，HH} ={“很低”，“低”，“正?！?，“高”，“很高”}，則形成了5個(gè)模糊子集。為了保證對(duì)混凝藥劑添加量的控制精度，輸出量的模糊子集要選取更加精細(xì)，輸出模糊量選取為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}={“負(fù)大”，“負(fù)中”，“負(fù)小”，“零”，“正小”，“正中”，“正大”}，輸出變量形成了7個(gè)模糊子集。同時(shí)，為了便于后續(xù)的系統(tǒng)仿真，假設(shè)輸入變量e的基本論域?yàn)閧-10，10}，ec 的基本論域?yàn)閧-5，5}、u 的基本論域?yàn)閧-15，15}，則有 =410 =04、=45 = 08、= 615 =04，本文選取三角形函數(shù)作為隸屬度函數(shù)。

模糊規(guī)則獲取需要深入了解水處理過程原理和具備良好的設(shè)備操作經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過知識(shí)的總結(jié)，將其轉(zhuǎn)化成語義規(guī)則，才能供模糊控制器使用。知識(shí)獲取方式有兩種，第一種知識(shí)獲取方法是過程操作實(shí)踐的過程數(shù)據(jù)分析，對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行提?。坏诙N知識(shí)獲取方法是總結(jié)不同工況下專家調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)及操作員描述性回答形成模糊控制規(guī)則。在本節(jié)中，模糊規(guī)則通過第二種方法獲取。對(duì)于本設(shè)計(jì)的模糊PID控制器的參數(shù)整定原則如下：

(1)當(dāng)|e|變化較大時(shí)，為了保證系統(tǒng)可以快速回到穩(wěn)定狀態(tài)，Δ應(yīng)該設(shè)置一個(gè)較大的值；同時(shí)為了避免偏差突然變大，造成微分過飽和，應(yīng)設(shè)置一個(gè)較小的Δ；為了防止積分快速達(dá)到飽和，造成系統(tǒng)的超調(diào)量很大，Δ值應(yīng)該設(shè)置為零。

(2)當(dāng)||和||變化不是很大時(shí)，為了盡可能減少系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量，Δ應(yīng)該設(shè)置一個(gè)較小的值。同時(shí)Δ和Δ的值要適當(dāng)，從而保證系統(tǒng)快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)當(dāng)濁度偏差||較小時(shí)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)盡可能地增加Δ和的值；同時(shí)為了避免系統(tǒng)在調(diào)整過程中出現(xiàn)較大的振蕩以及系統(tǒng)干擾產(chǎn)生的影響，應(yīng)設(shè)置一個(gè)合適的Δ值；當(dāng)||較小時(shí)，Δ值的值應(yīng)盡可能較大，當(dāng)||較大時(shí)，Δ值應(yīng)盡可能小一些。

(4)當(dāng)||的值越大時(shí)，Δ的值應(yīng)盡可能小，Δ的值應(yīng)盡可能大。

通過總結(jié)不同狀況下專家調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)及操作員描述性回答，可以得到Δ、Δ、Δ三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)調(diào)整規(guī)則如表1所示。

表1 ΔKp、ΔKi 、ΔKd模糊控制規(guī)則表

模糊控制器的輸出量是模糊量，而模糊判決需要將其變成精確量。因此本文采用基于“Mamdani”的模糊推理方法用于模糊推理過程，可以得到三個(gè)相應(yīng)PID修正參數(shù)Δ、Δ、Δ的實(shí)際調(diào)整值，從而實(shí)現(xiàn)混凝劑控制器的參數(shù)修正。

3 水處理中混凝過程藥劑投加控制系統(tǒng)仿真

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異?；虍a(chǎn)生突變干擾(源水流量、原水溫度、原水水質(zhì))時(shí)，濁度的變化將快速反饋到控制器，模糊PID控制器通過濁度的變化情況來實(shí)時(shí)調(diào)整PID的相關(guān)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝藥劑添加量的調(diào)整。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的模糊PID控制器的性能，本文利用MATLAB進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)仿真分析。

3.1 仿真模型的建立

通過分析水處理過程的工藝特性，本次實(shí)驗(yàn)選取的對(duì)象模型為：

混凝過程模型為：

(2)

沉淀過程模型為：

(3)

在Simulink中搭建的模糊PID控制系統(tǒng)的結(jié)果如圖4所示。為了模擬實(shí)際生產(chǎn)過程的時(shí)滯特性，在仿真系統(tǒng)中加入了延遲環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的輸入信號(hào)為階躍信號(hào)。

圖4 模糊PID控制仿真框圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了對(duì)比控制性能，本文分別采用了常規(guī)的PID控制器和本文設(shè)計(jì)的模糊PID控制來模擬混凝過程藥劑添加過程，仿真結(jié)果如圖5所示。圖中實(shí)線是PID控制器，虛線為模糊PID控制。從圖5中可以看到，PID控制器的超調(diào)量為47%，上升時(shí)間為8s，調(diào)節(jié)時(shí)間為80s。而模糊PID控制器的超調(diào)量16%，上升時(shí)間為3s，調(diào)節(jié)時(shí)間為17s。模糊PID控制器的控制性能在各方面都得到了較大的提升，既可以實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，同時(shí)也保證系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，避免了系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)大幅度振蕩。仿真結(jié)果表明，對(duì)于水處理過程這樣的復(fù)雜工業(yè)過程的控制，模糊PID控制器可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的快速恢復(fù)，同時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量得到了明顯的改善，具有較好的控制精度和穩(wěn)定性。

圖5 階躍輸入信號(hào)仿真對(duì)比

4 結(jié) 論

針對(duì)水處理過程的非線性、大時(shí)滯等特性，設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID算法的混凝藥劑投加控制器，保證混凝藥劑處于一種“最佳投加量”狀態(tài)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相較于PID控制器，模糊PID控制器可以將指標(biāo)參數(shù)穩(wěn)定控制在合適的范圍內(nèi)，并保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。