（电气工程专业论文）济南市水质净化一厂鼓风曝气系统自动控制研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：勃翌 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 山东大学硕士学位论文 摘要 本论文结合目前城市污水处理厂鼓风曝气自控系统的研究状况，分析了济南水 质净化一厂现有鼓风曝气系统的现状，重点讨论几种溶解氧控制法如何应用于济南 水质净化一厂现有系统。 i 从工艺要求和节能两个方面说明了城市污水处理厂曝气系统控制的意义和必 要性；阐述了研究的主要内容：p i d 控制虽然在工程上广泛采用，但只能解决线性 系统的调节问题，曝气系统中，虽然能够实现对鼓风机的控制，但对水质处理效果 的控制能力有限，溶解氧控制时，参数的整定需要根据实际情况不断调整，模糊控 制法和增益调度控制法具有更大的优越性。 2 详细阐述了目前流行的2 种调节方案：( 1 ) 单回路定值调节方案。( 2 ) 溶解氧、 流量串级调节方案。同时介绍了3 种控制方法：( 1 ) 常规p i d 控制法。( 2 ) 模糊控 制法( 3 ) 增益调度控制法。 3 介绍了济南水质净化一厂现有鼓风曝气系统的现状，对系统的硬件组成做了 详细介绍，说明现有系统是由控制器、溶解氧检测仪、变频风机组成的单回路定值 调节系统，在加入气体流量计之后可以组成溶解氧、流量串级调节系统，达到更好 控制的目的。 4 结合数学模型具体分析针对溶解氧的串级加纯滞后补偿的p i d 控制策略。 5 以溶解氧浓度d 0 作为控制对象建立数学模型，通过m a t l a b 仿真对p i d 算法、 常规模糊控制算法、模糊p i d 控制算法、增益调度法进行比较，指出模糊p i d 控制 法和增益调度控制法具有更大的优越性。 6 最后指出如果将系统引入溶解氧、流量串级控制，并对该系统采用模糊p i d 控制法或增益调度控制法，有望实现对济南水质净化一厂鼓风曝气系统实现精确控 制和节能的目的。 关键词：鼓风曝气、p i d 控制、模糊控制、增益调度控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i sa n a l y s e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fj i n a nn o 1w a s t ew a t e r t r e a t m e n tp l a n tb l a s ta e r a t i o ns y s t e ma c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hc o n d i t i o n o ft h ec i t yw a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n tb l a s ta e r a ti o nc o n t r o ls y s t e m t h e t h e s i ss t r o n ge m p h a s i sh o wt oa p p l yt h ed i s s o l v e d o x y g e nc o n t r o lt ot h e j i n a nn o 1w a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t 1 、t h et h e s i se x p l a i n st h ei m p o r t a n c ea n de m p h a s i so ft h ec i t yw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ta e r a t i o nc o n t r o l s y s t e mf r o mt w oa s p e c t s ， t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t sa n de c o n o m i z e t h et h e s ise x p l a i n st h em a i n c o n t e n to ft h er e s e a r c h ：a l t h o u g ht h ep i dc o n t r o ls y s t e ma p p l i e sw i d e l yt o t h ep r o j e c t ，i ts o l v e so n l yt h ep r o b l e mo f r e g u l a t i o ni nli n e a r i t ys y s t e m a l t h o u g ht h ep i ds y s t e mc a r lc o n t r o lt h ea i rb l o w e ri nt h ea e r a t i o ns y s t e m ， i tc a n tc o n t r o lt h ee f f e c to ft h ew a s t ew a t e rt r e a t m e n t w h e nw ec o n t r o l t h ed i s s o l v e do x y g e n ，w en e e d r e g u l a t i n gt h ep a r a m e t e ra c c o r d i n gt o a c t u a lc a s e r e g u l a r l y ，f u z z y l o g i c c o n t r o la n d g a i n s c h e d u li n g c o n t r o la r es u p e r i o r i t e rt h a no t h e r s 。 2 、t h et h e s i se x p l a i n st w om e d i a t ep l a ni nd e t a i i ：( 1 ) t h er e g u l a t i o n s y s t e mo fs i n g u l a r i t yc i r c u i t a n df i xv a l u e 。( 2 ) d i s s o l v e d o x y g e n 、t h e r e g u l a t i o ns y s t e mo fc o n t a c tc o n t r o li nf l o w 。a st h es a m eti m e ，i ti n t r o d u c e s t h r e ec o n t r o lm e t h o d s ：( 1 ) t h en o r m a lp i dc o n t r o l ( 2 ) f u z z y l o g i cc o n t r o l ( 3 ) g a i n - s e h e d u ii n gc o n t r o l 。 3 、t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dh a r d w a r eo fj i n a n n o 1w a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n tb l a s ta e r a t i o ns y s t e m i te x p l a i n st h a tt h e c u r r e n ts y s t e mi st h er e g u l a t i o ns y s t e mo f s i n g u l a r i t yc i r c u i ta n df i x v a l u e ，a n d i ti sm a d e u pw i t hc o n t r o l l e r 、d i s s o l v e do x y g e ns u r v e y i n g i n s t r u m e n t 、t h eb l o w e ro ff r e q u e n c yc o n v e r t e r 4 、t h et h e s i sa n a l y s e sp i dc o n t r o lp l a no fc o n t a c tc o n t r o lo fd i s s o l v e d o x y g e n ，a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c sm o d e l 5 、e s t a b l i s ham a t h e m a t i c sm o d e lw i t ht h ed o 。t h ec o n s i s t e n c yo fd i s s o l v e d 2 山东大学硕士学位论文 o x y g e n c o m p a r et h ep i dm e t h o dw i t ht h en o r m a l d i mc o n t r o lm e t h o da n d g a i n - s c h e d u l i n g c o n t r o lt h r o u g hm a t l a be m u l a t e ，t h er e s u l ti st h ed i m c o n t r o lm e t h o da n dg a i n - s c h e d u li n gc o n t r o la r eb e t t e rt h a no t h e rm e t h o d 。 6 、t h et h e s i sp o i n t so u ti nt h ee n dt h a ti fm a k et h es y s t e ml u r e i n t o d i s s o l v e do x y g e na n dc o n t a c tc o n t r o lo ff l o w ，a n da p p l yt h eg a i n s c h e d u l i n g c o n t r o la tt h es a et i m e ，j i n a nn o 1w a s t ew a t e rt r e a t m e n tp l a n tc o n t r o l t h eb l a s ta e r a t i o ns y s t e mb e t t e r t h ek e yw o r d ：b l a s ta n da e r a ti o n 、p i d c o n t r o l 、f u z z yl o g i cc o n t r o l 、 g a i n - s c h e d u li n gc o n t r o l 3 山东大学硕士学位论文 1 绪论 雠 囊1 研究的意义 水是经济发展和社会可持续发展的一个重要因素。随着城市规模的不断扩大和 人口的增加，水环境污染成了一大难题。如何把污水中的污染物分离出来，或者将 其转化成无害无毒的稳定物质是污水处理的主要任务。到目前为止，世界各国己经 研究出各种不同的污水处理方法，如何让这些方法有效地发挥作用，使系统能连续 稳定运行，保证出水水质达标，将自动控制技术应用于污水处理中以提高污水处理 的自动化水平，具有重要的意义。现代控制理论的发展，特别是智能控制理论的产 生，为污水处理工业提供了良好的发展前景。 近年来，由于未达标的污水排放对生态的破坏日益严重，各地政府正在投入大 量资金兴建污水处理厂，城市污水的处理工艺一般都包括生物处理阶段。生物处理 过程是个复杂的生化反应过程，曝气是其中的一个十分重要的环节，不同的处理工 艺，曝气的方法也有所差异。典型的曝气过程是这样的：污水连续进入曝气池，沿 廊道向一个方向流动，直至出口，污水从入口到出1 ：3 所经历的时间( 停留时间) 通常 几个小时，在这段时间内，鼓风机通过密布在池底的曝气头向池中的污水充气。从 水处理的生物过程来看，曝气作用的一种直观解释为：污水中的菌胶团( 一种经驯化 的细菌) 在生存期内可以吸附并吃掉污水中的细菌，将有机物分解，而曝气就是为了 向菌胶团提供充足的氧气，满足其生存并大量繁殖的需要。 在传统活性污泥工艺系统中，曝气系统必须进行控制，这是因为：第一，必须 适时提供菌胶团生存和繁殖所需的氧气量。氧气量在生物处理中有一定的适用范围， 少了会降低细菌分解的效果，延长处理时间，甚至导致生物处理失效；多了会发生 细菌的过氧化，同样降低活性，不利于处理。第二，鼓风机是污水厂的主要供气供 氧设备，一年四季长期运行，耗电量所占的比重很大，一般能占到整个污水厂运行 电费的4 0 6 0 ，在满足充氧要求的前提下尽量降低电耗，对减少运行成本起 到重要作用。 9 貔课题的来源、目的及研究的主要内容 曝气控制的首要问题是如何确定鼓风量。对于城市污水，在其停留时间内，亦 即曝气时间内需要多少氧气( 或空气) 与下列污水的水质指标有关：b o d ( 生物需氧 量) 、c o d ( 化学需氧量) 、s s ( 悬浮物) 、水量及其温度等。根据工艺理论，鼓风量的 4 山东大学硕士学位论文 理论值可以由下列经验公式q a = c f o * ( b o d 广- b o d 。) 捆 ( 3 0 0 e 。) 计算得到，其中 f 0 为耗氧指数，指单位b o d 被去除所消耗的氧量，b o d i 为曝气池入流污水的b o d 5 ( m g 1 ) ，b o d 。为出流污水的b o d 5 ，q 为入流污水量；而在实际运行当中，鼓风量 应根据进水水质、水量的变化相应地调整。但是存在这样的问题，污水水质指标大 多依靠实验测定，而测定时间需要数小时，甚至数天，这对实时控制的作用不大， 在线的水质检测设备价格昂贵，目前国内还缺少成功运行的例子，所以，污水在曝 气池进行生物反应的过程当中，各种指标的变化，包括氧的需求量的变化很难实现 定量的描述，微生物耗氧的速率怎样变化还不能在线确定。 为了从宏观上控制曝气效果，减小盲目性，引入了”溶解氧”这一中间参数，溶 解氧参数可以通过仪表在线监测。工程上认为，对于连续流的曝气池，无论水质、 水量、水温等扰动如何变化，只要污水在曝气池出口的溶解氧浓度保持在某一设定 值( 如2 r a g 1 ) ，就能从宏观上恰当地满足菌胶团繁殖、有机物分解的需要，保持污泥 活性，实现污水的连续处理。这样一来，自控系统就变得容易实现了。参数间最基 本的控制关系是这样的：在鼓风量理论计算值的基础上，污水中溶解氧含量的偏差与 鼓风机风量的增量( 或减量) 成反比，即溶解氧值偏小，风量向大调，溶解氧值偏大， 风量向小调。 在实际控制中，鼓风机的风量设定值为工艺理论值，这一值经溶解氧反馈信号 比较后，根据偏差实时调节风量的增减，最终使污水的溶解氧值稳定在设定值。在 理论上，从风量的调节到溶解氧反馈信号的变化对自控系统来说是典型的纯滞后过 程，滞后时间t 大约数分钟以上。 工程上为了便于运行管理，曝气系统通常采用3 种控制模式， ( 1 ) 风量恒定控制 ( 2 ) 曝气倍率控制 ( 3 ) d o ( 溶解氧) 控制 其中模式( 1 ) 是人为地设定鼓风机流量并保持恒定送风，这种方式在水量和水质 稳定的情况下，能够满足处理要求，但是曝气效果不稳定，不便于节能控制。 模式( 2 ) 是人为地设定鼓风机流量与进水流量的倍率，按倍率调节鼓风机流量， 是一种开环控制方法。在水质稳定的情况下能够满足处理要求。上述两种模式控制 简单，运行中对设备的磨损较小。 山东大学硕士学位论文 模式( 3 ) 是一种闭环调节的自动控制模式，根据溶解氧的偏差来调整鼓风机流 量。这种模式可以在现有条件下实现关于水量、水质的最优控制，曝气效果最佳， 节能效果最显著。 济南市水质净化一厂鼓风曝气系统设计时采用的就是根据溶解氧的偏差来调整 鼓风机流量闭环调节的自动控制模式，属于一个单回路定值调节系统，该控制系统 由下列设备构成：9 台罗茨风机，其中2 台为变频调速风机，7 台为普通风机，因为 送风管压力变化较小，风机具有恒转矩输出的特性，流量和转速成正比例关系，轴 功率和转速也成正比例关系，与离心风机相比较，在控制上更容易把握。送风管路 装设压力计、温度计，并以标准信号上传至曝气系统的控制装置。曝气池上根据氧 的理论分布装设6 台溶解氧检测仪，信号上传至曝气系统的控制装置。为变频风机 配备了无速度反馈的u f 可调的变频器，变频器具备p i d 调节功能的模块，曝气控 制装置的反馈和控制信号可下传到变频器。曝气系统的控制装露由位于中控室的 p l c ( 可编程逻辑控制器) 和相应的上位机统一控制，p l c 具有包括p i d 等丰富的操 作指令，并配有全面和安全的输入输出接口，上位机可以通过文字和图形动态地反 映在线数据，如压力、温度、溶解氧值、频率及设备状态等，操作人员可以进行即 时的参数修改、分布操作或模式选择。在实施自动控制时，对于鼓风曝气系统，根 据溶解氧的偏差来实时调节送风量，变频风机以1 0 的流量变化进行调节，当调节 流量达到一台风机的额定流量时，增加或减少一台普通风机。 从工艺和控制理论看，以上控制方案存在如下缺点，首先由于从风量的调节到 溶解氧反馈信号的变化存在着典型的滞后过程，其次由于曝气所需的风量与溶解氧 的关系是非线形的，难以建立精确的数学模型，造成现有系统难以达到很好的控制 效果。为解决以上问题，现在设计广泛采用的是串级加纯滞后补偿的p i d 控制，也就 是溶解氧作为主调参数，它是工艺要控制的指标，曝气流量是副调参数，它是为了 稳定主参数而引入的辅助参数，主调节器和副调节器串接工作，主调节器的输出作 为副调节器的给定值，由副调节器直接调节风机流量，组成串级调节系统，同时， 引入滞后补偿，如s m i t h 预估器，以补偿风量的调节到溶解氧反馈信号的变化存在 的滞后过程。 以上控制虽然在工程上广泛采用，但在实践中需要积累大量的控制器综合及工 程参数整定经验，由于污水的生物处理过程具有大滞后、非线性、随机性和多变量 6 山东大学硕士学位论文 的特点，工艺理论建立的模型也是经验的、定性的、有条件的，只能解决线性系统 的调节问题，曝气系统中，虽然能够实现对鼓风机的控制，但对水质处理效果的控 制能力有限，d o 控制时，参数的整定需要根据实际情况不断调整。因此，固定参 数的p i d 控制器很难保证控制作用的时时最优，针对不同的工况，相应调整控制参 数，尤其是在系统参数变化及非线性情况下很难保持设计时的性能指标，单纯依靠 理论模型建立的经典控制方法已经不能很好地满足人们的需要。为此，国内外许多 参考文献撰文讨论了新的控制策略：模糊控制法和增益调度控制法，在仿真环境下 试验表明，增益调度控制法具有更大的优越性，但未见有应用于工程实践的文章， 它的基本思想是：对一个实际系统( 非线性) ，在各平衡工作点附近进行泰勒级数展 开，得到一个近似于原非线性系统的线性化系统，再对该线性化系统进行控制系统 的设计和分析，确保在工作点附近闭环控制系统达到期望的性能指标。在控制系统 运行时，根据运行条件调度各个控制器，使得整个控制系统能较好地工作，从而实 现对非线性系统的控制。由于溶解氧的设定值在较长时间内保持不变( 或变化缓慢) 以及该设定值总在某一特定的区间内，因此选择溶解氧的设定值作为调度变量是合 适的。因此，如果我们将济南水质净化一厂现有系统引入溶解氧、流量串级控制， 并采用增益调度控制法，以溶解氧为调度变量，结合实际，以适当的方法设计增益 调度控制中的线性控制器，并根据运行条件调度各个控制器，就能使整个系统由细 节到宏观实现对水质处理过程的全面控制，达到较好控制工艺和节能的目的。 以上控制方式均属于定d o 控制方式，近来有不少文献提出变d o 的最优控制 策略，并在控制系统中引入前馈控制以提高系统性能，随着污水在线检测仪表的不 断普及性能的不断提高，这种控制方式越来越引起关注，成为研究的重点。 骝 霪鼓风曝气自控系统研究现状 2 1 城市污水处理的基本方法和原理 污水处理技术发展至今，已有百余年的历史，经过人们的努力，己形成了一套 行之有效的典型的处理流程。一般来说，城市生活污水和工业废水中所含的污染物 质是多种多样的，因此不能期望只用一种方法就能够把所有的污染物质去除殆尽， 往往需要通过由几种方法组成的处理系统处理以后，才能使其达到所要求的国家标 准。 城市污水处理的目的在于最经济合理地解决城市污水的管理、处理和利用问题， 7 山东大学硕士学位论文 根据处理任务的不同，被划分为三级处理流程，如图2 1 所示 注f ( 1 ) 曩有时不蔫蔓也可能移至飒砂詹。毫与均化结青 ( 2 3 在小型污米厂中，可酣辨使用均化 ( 3 ) 韧雨径漉一般且烛理到韧沆为止： ( i ) 在育条件的地方，可结台采甩穗窟塘夏或) 土地赴曩 圈2 1 壤市污术处理系统 ( 1 ) 预处理和一级处理( 物理处理) 预处理由隔栅和沉砂池组成，再加上初沉池组成一级处理系统，主要去除污水 中里悬浮态的固体污染物。一级处理出水中还含有较多溶解性有机污染物质，一般 不宜直接排放，仅作为二级处理的预处理。 ( 2 ) 二级处理( 生化处理) 二级处理是在一级处理的基础上进行的，对象是废水中的胶体态和溶解态有机 物。在我国的城市污水处理厂中二级处理是比较常用的方法，经过二级处理后的污 水己经能够达到排放的标准。根据生化反应中氧气的需求与否可以将二级处理分为 两大类：一是好氧生物处理法，常用的是活性污泥法和生物膜法：二是厌氧生物处理 法：又分为污泥消化法、厌氧接触法、厌氧污泥床等。在实际中若废水有机物浓度低 于1 0 0 0 m i g l 。比较适于采用好氧生物处理：浓度更高时，则应该考虑采用厌氧生物处 理。城市生活污水中的有机物浓度不是太高，而且水温较低，因此采用好氧生物处 理方法就可以了。 ( 3 ) 三级处理( 深度处理和再利用系统) 污水进行深度处理目的有二：一是污水回用：其次是防止水体富营养化。当前广 8 山东大学硕士学位论文 泛应用的是利用活性污泥法或生物膜法的生物脱氮除磷技术。随着城市污水与工业 生产的发展，供水量与需水量之问的供求矛盾越来越大，在缺水的城镇，污水深度 处理和再利用技术将有较快的发展。 2 2 活性污泥法原理、性能指标及影响其性能的环境因素 活性污泥法就是采用人工曝气的手段，使得活性污泥均匀分散并悬浮于曝气池 中，和污水充分接触，并在有溶解氧的条件下，对污水中所含的有机底物进行合成 和分解的代谢活动，如图2 。2 所示： 图2 2活性污泥法处理系统 活性污泥系统能够正常、有效地运行与污水和污泥的性质有关。处理的污水中 应含有足够的溶解性有机物，污水与污泥的混合液中应含有足够的溶解氧，活性污 泥浓度适当，并能与污水进行充分接触，同时活性污泥中不能含有抑制微生物活动 的有毒物质。因此，一些能够对活性污泥系统产生影响的因素就显得非常重要了， 例如溶解氧( d o ) ，水温、营养物质、p h 值、有毒物质等。 d 0 是活性污泥法高效运行的重要条件，是影响活性污泥法处理效果的关键因 素，d 0 的浓度是通过曝气装置进行控制的。由于经预处理后的污水的浓度不同，因 此，所需的溶解氧浓度也不同，要求的曝气时问也就不同如果曝气时间过长，则生 化池内溶解氧浓度高，导致有机污染物分解过快，从而使微生物缺乏营养，活性污 泥易于老化，结构松散，易发生污泥膨胀现象，而且浪费能源，在经济上也不适宜： 曝气时间过短，出水则难以达标。在污水处理过程中，不同时刻有机污染物的含量 不同，并且随着时间不断地发生变化。如按传统的时间程序控制法，则排放的水质 波动较大。一股来讲，为了保持活性污泥系统良好的净化作用，曝气池出口处的混 合液中的溶解氧浓度应保持一定的浓度：如何控制曝气池中的溶解氧浓度，是污水处 理过程控制中自动调节系统的主要任务之一。下面是几种常见的控制方案。 2 3 单回路定值调节方案 图2 3 所示是一个单回路定值调节系统 9 山东大学硕士学位论文 管毫红 稿乏l 所谓定值调节，是指在整个生产过程中所要控制的参数始终恒定不变，保持一 定的值，所以又叫恒值调节。在污水处理工艺中，曝气池中的溶解氧浓度在一定的 时间范围内，工艺要保持不变。图2 3 所示的系统是由溶解氧分析仪、p i d 调节器、 执行器及曝气池和送风管路组成的单回路定值调节系统。由溶解氧分析仪将溶解氧 浓度测量出来并作为测量信号送入调节器，在调节器内部同工艺要求的给定值进行 比较，比较的结果即为偏差信号，调节器将此偏差信号进行p i d 运算后输出去控制 执行器( 风阀或变频装置) ，从而控制曝气池内的溶解氧浓度。 2 4 溶解氧、流量串级调节方案 污水处理厂的规模较大，曝气池容积较大时，上面介绍的单回路定值调节系统 往往不能满足自动调节的要求，因此对于大型污水处理厂的溶解氧控制，常用图2 4 所示的串级调节系统。 1 0 山东大学硕士学位论文 图2 4 图2 5 是该串级系统的方框图 - t - 扰i铷 图z5 由串级调节系统的方框图可以看出，主调节器和副调节器串接工作，主调节器 的输出是作为副调节器的给定值，由副调节器控制调节阀动作。这样的结构在自动 调节系统中称为串级调节系统。在这里，溶解氧作为主调参数，它是工艺要控制的 指标。曝气流量是副调参数，它是为了稳定主参数而引入的辅助参数。主调节器按 照主参数与工艺给定值的偏差进行工作，其输出作为副调节器的给定值，主调节器 在该系统中起主导作用。副调节器按照流量着一幅参数与来自主调节器的给定值的 偏差进行工作，其输出直接控制执行器。 山东大学硕士学位论文 现在对该串级系统作一简单分析。 在稳定情况下，假设进水水量、水质、水温等条件都不变，鼓风机出口压力、 曝气量也不变，耗氧速率和充氧速率基本平衡，溶解氧浓度稳定在给定值上。 干扰发生时破坏了上述平衡状态，调节器进行工作。由于干扰进入的位里不同， 现分三种情况进行分析。 1 ) 干扰进入副回路。 假如由于某种原因，例如鼓风机的出口压力或流量发生了变化，或由于其它回 路的调节作用使该回路的曝气量发生了变化，副回路的流量计立即测量到了这个变 化，反应到副调节器的输入端，这时副调节器及时进行调节，改变调节阀的开度以 保持曝气流量不变。这样，如果干扰量较小，经过副回路调节后，在干扰未影响到 主参数之前即被克服了。若干扰较大时，其大部分影响被副同路所克服，波及到主 参数时已是强弩之末了，再由主回路进一步调节，彻底消除干扰影响使主参数回复 到给定值。 2 ) 干扰进入主回路。 假如供气系统稳定，而进入曝气池的水量或水质等发生了变化，破坏了原来的 平衡，使主参数发生了波动，这时由主回路起调节作用。这时副回路不能直接克服 干扰，但是由于副回路的存在，这两台调节器串联使用，总的放大倍数为这两台调 节器放大倍数的乘积，显然加快了调节作用。在串级回路中，干扰影响造成主参数 的偏差，在一般情况下比单回路要小2 5 倍。 3 ) 干扰同时进入主、副回路。 假如干扰使主参数( 溶解氧浓度) 、副参数( 流量) 向同一方向变化，即主、副 参数同时升高或降低，此时主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，加快了调 节作用，使超前作用显著，有利于调节质量的改善。 假如干扰使主、副参数向相反方向变化，即一个增加、另一个降低，假设因进 水量增加使主参数( 溶解氧) 降低，这时将要求调节阀开大；而副回路出现干扰使 送气流量增加，要求调节阀关小，以减少流量。在这种情况下，似乎主、副调节器 要求矛盾，出现对峙局面，系统将如何动作? 我们知道，主参数的稳定是必须要保 证的，调节作用必须按照主参数要求进行工作，而副参数是不需要保持定值的，于 是主调节器因主参数( 溶解氧浓度) 降低而使输出增加，送到副调节器与增加了的 1 2 山东大学硕士学位论文 流量进行比较。如果恰巧两者相等，则副调节器的偏差为零，调节阀不需动作。即 使两个信号不相等，偏差也不大，只要调节阀开度稍稍变动，即可使系统达到稳定。 以上控制是目前污水处理厂使用较为普遍的一种方法，跟踪误差达到设定值后 就动作。以上两种控制方案都用到了常规p i d 控制法，下面我们对几种常用的控制 算法作一下介绍。 2 5 常规p i d 控制算法 2 5 1 传统的闭环控制系统 传统的闭环控制系统如图图2 6 所示，一般是由控制器、执行器、被控对象及 反馈组成。而数字控制系统仅是用计算机代替了图2 6 中的模拟式控制器，以及在 回路中增加了a 刀和d a 两个基本单元，如图2 7 所示。 图2 6 2 5 2p i d 控制原理 图2 7 在传统的控制理论中，最基本同时也是最常用的调节规律就是p i d 调节，这种 控制算法的特点是可包容非线性因素。如图2 8 所示，p i d 控制器是一种比例、积 分、微分并联控制器，可以用下式表示： 嗣= 印h i 带i 眦财刳 眨t ， 山东大学硕士学位论文 其中：u ( t ) 控制器输出 e ( t ) 控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号 k p 、t i 、t d 分别为控制器的比例系数、积分时间和微分时间 2 5 3 数字p i d 控制算法 图2 8 数字p i d 控制算法最常用的是位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。 a 位置式p i d 控制算法 根据模拟p i d 控制算法的公式( 2 i ) ，以一系列的采样时刻点k t 代表连续时 间t ，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换： t = k t ( k = 0 , 1 ，2 j r e o = r 萎8 ( f ) = 丁善s o ) 2 2 d e ( t ) e ( k t ) - e ( k - 1 ) r ：e ( k ) - e ( k - 1 ) 出rr 式中，t 采样周期 很显然，上述离散化过程中，采样周期1 、必须足够短，才能保证有足够的精 度。为书写方便，将e ( k t - ) 简化表示为f 伍) ，省去r 。将式( 2 2 ) 式代入式( 2 1 ) 可以得到离散的p i d 表达式为： 个t，r “0 ) = 置，叠仁) + 争e o ) + 等p ( 七) 一e 伍一1 ) 】) ( 2 3 ) 1 ij = o 1 i 或“( 七) = k e e ( k ) + k 。p ( ，) + 置。p ( ) - e ( k - 1 ) 】 ( 2 4 ) 1 = 0 1 4 山东大学硕士学位论文 式中，七一采样序号，七= 0 ，1 ，2 ，； u ( k ) 一第k 次采样时刻的计算机输出值； e ( k ) 一第t 次采样时刻输入的偏差值； e ( t 一1 ) 一第( k 一1 ) 次采样时刻输入的偏差值； k ；一积分系数，k ，= k ，r ，i ； 置。一微分系数，k 。= k ，乙i t 。 这种算法的缺点是每次输出均与过去所有时刻的状态有关，计算的时候要对 e ( k ) 进行累加，计算机运算量大。而且因为计算机输出的“( t ) 对应的是执行机构的 实际位置，如果计算机出现故障，“( i ) 的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度 变化，这种情况是生产过程中决不允许的，很可能会造成重大的生产事故，因此人 们对其加以改进，产生了增量式p i d 控制算法。 b 增量式p i d 控制算法。 所谓增量式p i d 是指数字控制器的输出只是控制量的增量血g ) ，可由式( 2 4 ) 导出提供增量的p i d 控制算式，根据递推原理可得： k - i u ( k 1 ) = j 【，e ( t 1 ) + 置。p ( 力+ 置。 e ( k - 1 ) - e ( k - 2 ) 】 ( 2 5 ) 用式( 2 4 ) 减去式( 2 5 ) 可得， “( _ i ) = k ，k ( 七) 一e ( k 一1 ) 】+ 置l e ( 七) + 置dp ( 七) 一2 p ( 七一1 ) + 已( 七一2 ) 】 = k ，p ( 蠡) + 置；p 0 ) + 置。【( 七) 一f ( 七一1 ) 】 ( 2 6 ) 式中，e 伍) = 。 ) 一e ( k 一1 ) 式( 3 6 ) 可以进一步改写为 a u ( k ) = a e ( k ) 一b e ( k - 1 ) + c e ( k 一2 ) ( 2 7 ) 式中，a = x ，( 1 + i t + - ) , b = k e ( 1 + 2 争，c = x ，t 当采用恒定的采样周期t 时，一旦确定了k ，、k 。、k 。，只要使用前后三次 山东大学硕士学位论文 测量值的偏差，即可由式( 2 5 ) 或者式( 2 6 ) 求出控制增量。 增量式控制虽然只是在算法上做了点改进，却带来了不少优点：降低了误动 作时的影响，便于实现无扰动切换，算式中不需要累加。但增量式控制的积分截断 效应大，有静态误差，溢出的影响大。 2 6 模糊控制法 2 6 1 模糊控制器的控制原理与设计 模糊控制在研究复杂被控对象时，特别是对那些难以建立精确数学模型的系统 与过程，可通过下列方法得到令人满意的控制效果： a ) 用语言变量作为系统的输入输出变量或状态变量： 用语言规则表示这些语言变量之间的映射关系； c ) 用模糊合成推理来表述被控系统输入一输出变量间复杂关系的算法特征； d ) 通过模糊关系方程的求解获取合适的输出控制量。 图2 8 给出了模糊控制器的基本结构图，它包括四大部分：模糊化接口、知识 库、模糊推理机和解模糊接口。此外，有时还要加上规则修改、隶属的数修改和控 制状态显示模块。 山东大学硕士学位论文 图2 8 ( 1 ) 模糊化接口的功能是测量输入变量( 设定输入) 和受控系统的输出变量，并 将其映射到一个合适的相应论域的量程实现模糊化，将输入数据转换成相应语言 变量，并构成模糊集合： ( 2 ) 知识库包含应用领域的知识和相应控制目标的知识，由数据库和语言控制 规则库两部分组成：数据库用来定义f l c 中语言控制规则和模糊数据操作；语言 控制规则库则是通过一系列语言控制规则来表征控制目标和该领域专家的控制 策略，它是根据被控系统的行为特征和专家的控制经验写成的； ( 3 ) 模糊推理机是f l c 的核心，它能模仿人的模糊概念和运用模糊蕴涵运算以 及模糊逻辑推理规则对模糊控制作用的推理进行决策，求解模糊关系方程，获得 模糊输出； “) 解模糊接口则将输出变量的量值范围转化为相应的论域，从推理所得的模糊 控制作用中产生精确的控制作用； ( 5 ) 模糊规则修正、隶属函数修正和控制状态显示模块的作用是根据系统本身和 山东大学硕士学位论文 环境的变化来对控制规则进行修正，从而进一步对隶属函数也要做适应性修正， 并随时显示当前控制状态，以达到自组织、自适应控制的目的。 蚰一嗣轩阿喝 fq 丕p i 图2 9 要实现语言控制的逻辑控制器，就必须解决三个基本问题：第一是精确量的模 糊化或者模糊量化；第二个是模糊控制规则的形成和推理：第三个是模糊输出量的 解模糊判决。图2 9 所示的是一个双输入单输出的简单模糊控制器。 ( 1 ) 连续变量的量程转换和量化 在模糊控制应用中，输入信号的基本论域记为- x ，工 ，输入信号对应的模糊集 合的论域为x = - n ，一n + 1 ，o ，矗一1 ， 1 ，其中x 表征误差大小的精确量，n 是在o x 范围内连续变化的误差离散化后分成的档数。可以通过量化因子七，进行论域变换， k ，= 兰 ( 2 8 ) 若输入信号工取k ，6 】上的量，可用公式 驴甚( 止字 眨。， 取整，把工【口，6 量化到七，x ，此公式称为离散化公式。 对于系统控制量的变化1 1 ，则定义 | i ：兰 。n ( 2 1 0 ) 为其比例因子。其中【_ h ，“】为控制量的基本论域；n 为基本论域的量化档数。 ( 2 ) 语言变量值的模糊化 山东大学硕士学位论文 语言变量论域上的模糊子集由隶属函数g ) 来描述，隶属函数g ) 可以通过模 糊统计方法或者分析定义来确定，在分析定义中，常用的是三角形函数或正态型函 数作为隶属函数。在n = 6 的论域上定义7 个语言变量值( p b ，p m ，p s ，z o ，n s ，n m ，n b ) 时，人们习惯上将具有最大隶属度“1 ”的元素取为： 。g ) = 1 工= + 6g ) = 1 工= h g ) = l 工= 0。g ) = 1 工= - 2 ( 2 i i ) m g ) = l 工= - 4。g ) = l 工= - 6 在选定模糊控制器的语言变量及其所取的语言值，并确定了语言变量在各自论 域上的模糊子集之后，就可以为语言变量分别建立用以说明各语言值从属于各自论 域程度的表格。然后根据确定数一及其量化因子求取 在基本论域上的量化等级n 。， 查找语言变量的赋值表，找出在元素仉上与最大隶属度对应的语言值所决定的模糊 集合，该模糊集合便代表确定数的模糊化。 ( 3 ) 模糊控制规则库的建立 在建立模糊控制规则之前必须确定模糊控制器的结构，常见的模糊控制器如图 2 1 0 所示，其中双入单出模糊控制器是最典型最基本的模糊控制器，也是应用最广 泛的控制器。 x l x 2 】m u l u 2 u n 图2 1 0 模糊控制器的结构确定下来以后，就可以着手建立模糊规则库。模糊控制规则 决定了整个控制器的性能和控制效果，一般要由若干条结构相同、但语言值不同的 模糊条件语句构成。也可以将模糊条件语句表达的控制规则总结为模糊控制状态表。 每一条模糊条件语句均可根据公式( 2 1 2 ) 计算出其模糊关系r ( f = 1 , 2 ，m ) ，然 后利用公式( 2 1 3 ) 可求出描述整个系统控制规则的总模糊关系。 1 9 山东大学硕士学位论文 置= 伍吾尸o ( 2 1 2 ) 蠢= 置v 是v y r 2 当局 ( 2 1 3 ) ( 4 ) 输出信息的解模糊 模糊控制器的输出是一个模糊集合，它反应控制语言不同取值的一种组合。如 果被控过程只能接受一个控制量，这就需要从输出的模糊子集判决出执行机构所能 接受的精确量。解模糊算法的选择还没有一个系统规范的方法和原则，常用的有以 下几种： a 、最大隶属度法 这个方法是在输出模糊集合中选取隶属度最大的论域元素作为判决结果，如式 ( 2 1 4 ) 。如果隶属函数有多个最大值时，则取其平均值作为判决结果，如式( 2 1 5 ) 所示，n 为最大隶属函数个数。 疗瓴) 2 学坼) ( 2 1 4 ) 刮i y1 4 l 铲喜詈 亿 这种方法的优点是简单易行，缺点是概括的信息量较少。 b 、取中位数法 为了充分利用输出模糊集合所包含的信息，将描述输出模糊集合的隶属函数曲 线与横坐标围成的面积均分点对应的论域元素作为判决结果。对于连续论域的情况 设控制作用痧的支集s u p p 扩：k ，“：】，那么解模糊结果k ，口z 】满足： c 疗。m 2 辑疗。协 ( 2 1 6 ) 对于离散论域的情况，设控制作用u 论域上有r 个点缸。，“：，口，) 为u 的支集 s u p p ，论域为规范形的定义，即u = - n ，一n + l o ，玎一1 ，l ，那么解模糊结果 ( 1 k r ) 满足： 蕃k = l u 。r ) = 圭喜疗。 ( ：。，) c 、重，c p 法 2 0 山东大学硕士学位论文 重心法也称加权平均法，是采用得比较多得一种方法。它以控制作用论域的点 “u 对控制作用模糊集的隶属度疗( ) 为权系数进行加权平均而求得解模糊结 果。对于离散论域的情形，设u = 每唐= 1 ，2 ，棚) 有： 窆疗( “) “。 2 筘 眨 对于连续论域的情形： 铲髂 眨 2 6 2 模糊p i d 复合控制器 常规的双入单出模糊控制器是以误差和误差变化率作为输入变量，相当于耐 控制器。由于缺少积分作用，模糊控制器消除系统稳态误差的性能比较差，难以达 到较高的控制精度，尤其是在离散有限论域设计时更为明显。考虑典型的模糊控制 器，把误差输入信号转化为误差论域上的点，即 一= 胛瓴f + o 5 ) ( 2 2 0 ) 式中p 为某时刻的输入误差，k l 是误差的量化凼于，n 为转化到误差论域上的点。 由上式可见，当n = 0 时，仍有： i o 5 ( 2 2 1 ) 即： 川 0 5 。 ( 2 2 2 ) 由式( 2 8 ) 可将式( 2 2 2 ) 变为： 0 5 e 川 了 ( 2 2 3 ) 一股规范化的离散论域形式中常常取n = 7 ，因此大约有： 川 模拟量输入信号：运行电流，三相电压，三相电流，有功电度，无功电度， 功率因数等； 其他信号：风机运行时间统计等。 ( 2 ) 其他监控对象清单 开关量输入信号：变频器手动自动状态，变频器工频变频状态，变频器 本地远程状态，变频器报警信号等； 开关量输出信号：变频器手动自动状态，变频器工物变频转换开关，变 频器本地远程转换开关，故障复位开关，紧急停止开关等： 模拟量输入信号：主送风管空气流量、压力和温度等。 3 2 4 基于p i d 的串级补偿控制方案分析 山东大学硕士学位论文 曝气所需的风量