SPR污水處理系統(tǒng)的智能控制

摘要：針對(duì)SPR污水處理系統(tǒng)工作中所存在的問題，控制出水化學(xué)需氧量COD保持恒定，以保證在各種條件下出水的水質(zhì)，介紹了一種采用混合型模糊控制器控制的SPR污水處理系統(tǒng)的控制原理，并設(shè)計(jì)了模糊控制器、PI調(diào)節(jié)器和控制軟件。仿真表明控制速度快，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能良好，具有較高的魯棒性和性價(jià)比，實(shí)用性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：混合型模糊控制器；化學(xué)需氧量；閥門開度；隸屬度；魯棒性

    現(xiàn)代城市污水處理大多采用傳統(tǒng)的SBR工藝和CCAS工藝，其相應(yīng)的處理系統(tǒng)均存在污水輸送管道長、處理工藝流程長、占地面積大、系統(tǒng)組成龐大、投入大、散發(fā)臭氣、處理后的水不能回用、運(yùn)行費(fèi)用高等問題；隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，新興工業(yè)城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)水資源的需求在不斷地?cái)U(kuò)大，城市可持續(xù)發(fā)展中的水污染和節(jié)水、居住環(huán)境的好壞已越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，特別是那些產(chǎn)生高濁度高濃度污水的高污染企業(yè)，給城鎮(zhèn)人類生存環(huán)境帶來巨大的壓力，人們迫切需要一種專用于高濁度高濃度污水處理的新技術(shù)，SPR污水處理技術(shù)正是應(yīng)這種實(shí)際需求，依靠化學(xué)反應(yīng)、物理吸附、懸浮泥層精細(xì)過濾與流體力學(xué)分離原理的巧妙結(jié)合，可直接進(jìn)行高濁度高濃度污水處理的新技術(shù)，由于SPR污水處理系統(tǒng)具有高效、節(jié)省、占地少、無臭氣散發(fā)、污水凈化后可再生利用等特點(diǎn)，使其成為解決城市水污染和節(jié)水問題的最好途徑之一；但由于SPR污水處理系統(tǒng)出水水質(zhì)和化學(xué)藥劑用量大小是依靠紊流速度、混合時(shí)間和污水凈化罐特有的水力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過污水在瓷球污水凈化罐內(nèi)與藥劑取得最佳混凝凈化效果來保證的，這樣，它們極易受到電機(jī)轉(zhuǎn)速、紊流速度、電網(wǎng)電壓波動(dòng)、輸入污水濁度濃度變化、罐內(nèi)壓力變化的影響，使出水水質(zhì)變差，或因水中含有化學(xué)藥劑成分較大而造成二次污染，降低系統(tǒng)效率；為此，提出一種通過對(duì)藥簡(jiǎn)閥門開度的模糊控制，控制流入泵前管中的化學(xué)藥劑量，達(dá)到控制出水化學(xué)需氧量COD保持恒定的效果，以保證在各種條件下出水的水質(zhì)，達(dá)到合理投藥量的目的。

1 藥筒閥門開度的控制原理
    SPR污水處理工藝流程為：已被送入污水池的高濁度高濃度污水經(jīng)水泵泵前管道、藥筒流入處、水泵葉輪和蛇形管道以一定的流速被送入瓷球污水凈化罐內(nèi)，化學(xué)藥劑通過泵前吸藥管道、高速旋轉(zhuǎn)的水泵葉輪的攪拌、蛇形反應(yīng)管的紊流切割和瓷球反應(yīng)罐內(nèi)球面趨膚效應(yīng)等途徑后得以充分的混合，使污水中處于溶解狀態(tài)的有機(jī)污染物、重金屬離子和有害的鹽類從水中析出，成為有固相界面的微小顆粒，并依靠污水凈化罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)凝聚吸附，在罐體的中上部形成一個(gè)幾十厘米厚、致密的懸浮泥層，對(duì)出水進(jìn)行過濾，輸出達(dá)標(biāo)的處理水；對(duì)罐內(nèi)的污泥處理，當(dāng)罐內(nèi)形成的懸浮泥層達(dá)到一定量后，依靠渦流形成的向心力、過濾水力學(xué)形成的牽引力和自身的重量，被快速引入污泥濃縮室沉降分離，當(dāng)污泥濃縮室蓄滿時(shí)被定期排出。
    從上面的工藝流程中可以看出，藥筒閥門開度的大小在整個(gè)污水處理過程中起著很關(guān)鍵的作用，開度過小，隨污水流入的藥量小，不足以達(dá)到化學(xué)反應(yīng)所需的藥量，不能保證出水的COD指標(biāo)；開度過大，隨污水流入的藥量大，造成投入浪費(fèi)和二次污染；為了使閥門開度能根據(jù)流入污水的實(shí)際情況和處理的效果有合理的開度，選擇處理后水中的化學(xué)需氧量COD大小作為衡量出水水質(zhì)好壞的標(biāo)準(zhǔn)，通過監(jiān)測(cè)出水COD大小，控制藥筒閥門的開度及化學(xué)藥劑的流入量，使出水COD基本保持不變，從而組成了COD閉環(huán)控制系統(tǒng)模式；由于在SPR污水處理工藝流程中存在物理、化學(xué)、流體力學(xué)等過程，使整個(gè)過程非常復(fù)雜，此對(duì)象為一個(gè)非線性、大滯后、時(shí)變不確定環(huán)節(jié)，因而，采用二維模糊控制器和傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器相結(jié)合，構(gòu)成混合型模糊控制器的控制形式，組成無差模糊控制系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)的工作原理為：首先，通過COD在線檢測(cè)儀測(cè)定出水的COD參數(shù)與給定的COD參數(shù)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)e，送到積分調(diào)節(jié)器，同時(shí)，將偏差信號(hào)和一個(gè)采樣周期后該偏差的變化量ec作為模糊控制器的輸入變量，經(jīng)各自的量化因子，送到二維模糊控制器進(jìn)行計(jì)算、判斷與決策、非模糊化處理，經(jīng)比例因子Kuf得到控制變量uf，與經(jīng)過PI運(yùn)算和強(qiáng)弱因子Kui處理的ui相加，得到藥筒閥門開度的控制變量u，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中COD的無靜差控制，提高處理后的水質(zhì)。

2 模糊控制器和積分調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)
2．1 模糊化處理
    為了提高系統(tǒng)的性能，模糊控制器采用二維模糊控制器，其輸入信號(hào)分別為COD偏差信號(hào)e和偏差的變化量ec，閥門開度控制信號(hào)uf，其對(duì)應(yīng)的模糊變量分別為E、EC、Uf。
    模糊化處理就是將輸入變量、輸出變量、控制變量由基本論域轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模糊論域。而基本論域一般由實(shí)際要求決定，模糊論域由經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，其量化因子、比例因子及實(shí)際輸入值的計(jì)算公式為：
   
    式中，x為輸入輸出變量的實(shí)際值，a、b為其基本論域的上下限，c、d為模糊集論域的上下限，k為量化因子或比例因子。
    根據(jù)SPR污水處理工藝的實(shí)際情況，通常出水COD一般要求為40 mg／L以下，本系統(tǒng)中出水COD要求基本穩(wěn)定在30 mg／L，設(shè)偏差e的基本論域?yàn)閇-30，30]，其模糊量E的模糊論域?yàn)閇-6，6]，則模糊量化因子Ke=0．2；誤差變化率ec的基本論域?yàn)閇-6，6]，模糊量EC的模糊論域?yàn)閇-6，6]，則模糊量化因子Kec=1；控制量uf的基本論域?yàn)閇-78°，78°]，其模糊量Uf的模糊論域?yàn)閇-6°，6°]，則比例因子Ku=13。為了提高穩(wěn)態(tài)精度，E的模糊集取8個(gè)元素，有NO和PO之分；EC及Uf的模糊集取7個(gè)元素，它們是NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、NO(負(fù)零)、ZO(零)、PO(正零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。
    各變量隸屬函數(shù)的確定是由實(shí)際具體情況和設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來選擇的，不同形狀隸屬函數(shù)所代表的控制含義不同，系統(tǒng)的性能不同，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，隸屬度函數(shù)均取為三角形函數(shù)，表1為COD偏差E的隸屬度列表，其他列表在此省略。

2．2 模糊控制規(guī)則
    模糊控制規(guī)則建立的原則是必須保證引入模糊控制器能使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能達(dá)到最佳，根據(jù)總結(jié)的實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行情況，建立的糊控控制規(guī)則可用21條模糊條件語句來描述，具體以表2的形式來表示。

2．3 解模糊化
    根據(jù)模糊控制規(guī)則表2，運(yùn)用模糊推理合成規(guī)則，可求出輸出模糊量，采用最大隸屬度法進(jìn)行解模糊化計(jì)算，即可得到藥筒閥門開度控制的模糊控制量表，如表3所示。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，只要知道E和EC的值，按此表所對(duì)應(yīng)的數(shù)值乘上比例因子Kuf，即可得到藥簡(jiǎn)閥門開度的實(shí)際控制量，通過對(duì)流入藥量的控制，實(shí)現(xiàn)最終COD的控制。

2．4 PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)
    為了提高系統(tǒng)的靜態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度，系統(tǒng)在采用模糊控制的同時(shí)，又引入傳統(tǒng)的PI控制，組成了混合型模糊控制器的形式，PI調(diào)節(jié)器采用位置式數(shù)字PI算法，其參數(shù)KPI、TI按典I系統(tǒng)的二階最佳系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)(具體過程省略)，ui的變化范圍為[-12°，12°]，強(qiáng)弱因子Kui=0．133 3，它與uf相加共同完成對(duì)藥簡(jiǎn)閥門開度的控制。

3 模糊控制的軟件設(shè)計(jì)
    鑒于常規(guī)的SPR污水處理系統(tǒng)一般均采用PLC對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行開關(guān)量控制，為了節(jié)省硬件資源，降低成本，根據(jù)PLC內(nèi)部資源的使用狀況，在允許的條件下，可在系統(tǒng)硬件方面增加A／D模塊、D／A模塊、COD在線檢測(cè)儀及變送電路、藥筒電閥門進(jìn)行硬件改造；也可采用PLC+單片機(jī)的模式進(jìn)行控制。
    在軟件方面，設(shè)計(jì)時(shí)將增加硬件初始化、軟件初始化，參數(shù)Ke、Kec、Kuf、T、KPI、TI的預(yù)置和各變量的量化，模糊控制表及量化預(yù)置、計(jì)算、判斷等內(nèi)容，其模糊控制子程序流程圖如圖2所示。

4 模糊控制仿真與結(jié)論
    鑒于本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象為電磁閥和污水凈化罐，根據(jù)它們的電磁物理過程和實(shí)際運(yùn)行情況，其傳遞函數(shù)可以用2個(gè)慣性環(huán)節(jié)來等效，為了分析該模糊控制系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)情況，在MATLAB中，用FUZZY工具箱構(gòu)造模糊控制器，建立了模糊控制系統(tǒng)仿真模型，仿真參數(shù)設(shè)置如下：電磁閥的慣性時(shí)間常數(shù)T1=0．05 s，比例系數(shù)K1=4．8；污水凈化罐的慣性時(shí)間常數(shù)T2=0．5 s，比例系數(shù)K2=0．44，采樣時(shí)間T=0．1 s，通過對(duì)出水COD的給定設(shè)置(30 mg／L)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。從仿真曲線可以看出，控制速度快，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能、靜態(tài)性能和較高的魯棒性。