（检测技术与自动化装置专业论文）污水处理中智能控制的应用研究.pdf

摘要 城市污水处理系统的社会效益巨大 但运行成本高 经济效益差 为 了让污水处理技术有效地实现 使系统能够连续稳定运行 保证出水水质 达标 将自动控制技术应用于污水处理中 提高污水处理的自动化水平已 成为污水处理中的关键问题 本文结合工程实例 以大连市泉水污水处理厂的控制系统为研究背景 结合污水处理工艺 探讨p l c 及其网络在污水处理厂中的应用 并充分考 虑在线检测仪表在控制系统中的作用 本系统采用 p c p l c 的控制方案和 p r o f i b u s 现场总线 光纤环网的通信网络方案 文中主要介绍了p l c p r o f i b u s 现场总线 光纤以太环网 污水处理工艺 控制系统硬件 软件 配置以及处理厂自动控制系统的实现 同时 针对污水曝气过程控制的问歇性 非线性 大滞后 直接拧制变 量难以在线测量等控制难点 应用智能控制的方法 讨论了模糊拧制策略 的运用效果 本文选用简单易行的查控制表方法在p l c 上实现模糊控制策 略 并应用在大连市泉水污水处理厂中 关键词 p l c i p c p r o f i b u s 污水处理 智能控制 模糊控制 a b s t r a c t a 1 t h o u g hc i t ys w a g et r e a t m e n ts y s t e mh a sg r e a ts o c i a lb e n e f i t i t sr u n n i n gc o s ti sh i g h a n dt h ee c o n o m i cb e n e f i ti s1 0 w i no r d e r t oi m p l e m e n tt h es w a g et r e a t m e n tt e c h n i q u ee f f e c t i v e l y o p e r a t et h e t r e a t m e n ts y s t e ms t e a d il y g u a r a n t e et h eq u a n t i t yo fo u t p u tw a t e r t h es e l f c o n t r o lt e c h n i q u ea p p l i e di ns w a g et r e a t m e n tt op r o m o t e a u t o m a t i c1 e v e lh a sb e c o m et h ek e yq u e s t j o hi ns w a g et r e a t m e n t t a k ed a lj a no u a n s h u is w a g et r e a t m e n tp l a n ta sb a c k g r o u n d i n c o r p o r a t i o nw i t hs w a g et r e a t m e n tc r a f t t h ea p p l i c a t i o no fp l ca n d i t sn e t w o r ki ns w a g et r e a t m e n tp l a n ti sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r a n dc o n s i d e r e dt h ea c t i o no fo n l i n ed e t e c t i o ni n s t r u m e n ti nc o n t r 0 1 s y s t e ms u f f i c i e n tl y t h ec o n t r o l s c h e m e o fi p c p l ca n d c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks c h e m eo fp r o f i b l sf i e l d b u s f i b r er i n gn e t i sa d o p t e di nt h i ss y s t e m t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e dp i n p r o f i b u s f ie l d b u s f ib r er i n gn e t s w a g et r e a t m e n tc r a f t t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed i s p o s a lo fc o n t r o ls y s t e ma n dt h ea u t o m a t i cc o n t r 0 1 s y s t e m 7 si m p l e m e n t a t i o no f s w a g et r e a t m e n tp l a n t m e a n w h i l e t ot h ed i f f i c u l t i e so fi n t e r m i t t e n c e n o n i i n e a r i t y d e l a y a n dt h eo n l i n em e a s u r e m e n th a r d n e s so fd i r e c tc o n t r o lv a t i a b l e i na e r a t i o nt a n kc o n t r o l u s i e gt h ew a yo fi n t e l l i g e n c ec o n t r 0 1 t h e p e r f o r m i n ge f f e c t i v e n e s so ff u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi s d i s c u s s e d t h i sp a p e ri m p l e m e n t e df u z z yc o n t r o ls t r a t e g yo np l cb yl o o k i n g u p t a b l e a n da p p l i e di nt h ed a l j a nq u a n s h u is w a g et r e a t m e n tp l a n t k e 1 v o r d p l c i p c p r o f i b u s s w a g et r e a t m e n t i n t e l l i g e n c ec o n t r o l f u z z yc o n t r o l 4 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的硕士学位论文 污水处理中智能控制的 应用研究 是本人在指导教师的指导下 独立进行研究工作所取得的成 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作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担 作者签名 年丘月上同 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 长春理工大学硕士 博士学 位论文版权使用规定 同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权 长春理工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 也可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文 作者签名 指导导师签 年上月 同 年且月上日 第一章绪论 随着经济的飞速发展和世界人口的持续增加 水需要量也在不断 增大 但地球上的水资源却在萎缩 可利用的水源特别是城市周围水源 污染等因素使得水资源缺乏和水体污染已经成为各国面临的重要问题 之一 为了让污水处理技术有效地实现 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更成为污水处理中的关键问题 自动控制理论和应用技术在工业生产的应用大致经历了四个发展 阶段 从上个世纪4 0 年代到5 0 年代是经典控制理论阶段 5 0 年代后 期最具代表性的就是基于模型的现代控制理论 7 0 年代以来 人们提 高了对被控对象数学建模的精确程度及考虑不确定因素的影响 加强了 对系统的辨识 自适应控制 鲁棒控制等方面的研究 近年来 国内外 学者开始突破传统控制思想的约束 面对实际工业过程的特点 寻求各 种对模型要求低 控制综合质量好 在线计算方便的智能控制算法 智能控制是控制理论发展的新阶段 主要用来解决那些用传统方法 难以解决的复杂系统的控制问题 常用的智能技术包括模糊逻辑控制 圣经网络控制 专家系统 学习控制等 它为污水处理过程的控制提供 了一些应付非线性和不确定过程的方法 1 1 国外污水处理厂自动控制系统发展概况 由于发达国家经济发展较早 水资源不足和污染的问题较早得到了 重视 经过数十年的努力 许多发达国家城市污水处理率达到8 0 9 0 以上 城市水污染问题大大缓解 水体水质明显改善 随着城市污水处 理厂的大规模兴建 污水处理工艺的不断完善和复杂化 国外污水处理 厂自动控制水平也迅速提高 在国外 污水处理控制技术广泛的采用了d c s 或p l c 及现场总线等 先进自动化技术进行控制 有较高的自动化水平和科技含量 在智能控 制领域 g a lt u z z o 等于1 9 9 1 年描述了p h 过程的模糊控制器 通过利 用b p 神经网络为p h 过程建立模型 s a i n t d o n a t 等于1 9 9 1 年发展了 一种通过优化方法计算预测控制效果的预测控制方案 t o l l e 和e r s u 于1 9 9 2 年描述了对于p h 控制的基于预测控制方案的另一种神经网络 1 2 国内污水处理厂自动控制系统发展概况 我国污水处理厂自动控制系统起步较晚 近年来 一大批利用外国 贷款建设的城市污水处理厂相继投入运行 他们为我国污水处理厂成功 的应用自动化技术提供了范例 自动化系统在污水处理过程中所发挥的 重要作用也逐渐被认知 并受到普遍重视 随着自动化控制技术这几年在国内的飞速发展 我国许多污水处理 厂也开始采用p l c 或d c s 方式进行控制 并取得了较好的效果 现场总 线也逐渐在这 行业中得到应用 目前国内许多高校和研究机构都在致 力于污水处理工艺和自动控制方面的研究 并取得了显著成果 1 3 本课题的研究意义 未来1 0 年 中国污水处理项目工程建设投资将超过2 5 0 0 亿元 其 中污水处理设各投入约3 0 0 亿元 采用先进 实用的技术改造传统工艺 在环保工程中广泛采用先进的自动控制技术 是推动环保产业升级 实 现环保发展战略的重要环节 在这种形势下污水处理自动化控制系统无 疑是一个具有巨大的社会效益 环境效益及经济效益的研究课题 下面 将从几个方面阐述自动控制技术研究的形势及意义 1 国家基本政策 环境保护是我国的一项基本国策 随着国家西部大开发战略的推进 和三峡工程的兴建 三峡库区的环境保护 尤其是库区沿江水污染的防 治己陆续启动 到2 0 0 8 年 5 0 万以上人口的城市 污水处理率将达到 6 0 工业废水处理率达到9 0 达杯排放率达到8 0 广泛采用先进的 自动控制技术是提高和保证环保工程各项指标一个重要环节 2 当前形势 目前 在全国6 8 4 个城市中我国仅有2 0 0 余座在建和建成的城市污 水处理厂 并且集中在七八十个城市中 全国大约还有6 0 0 个城市没有 城市污水处理厂 又因为我国的自动化水平比较低 全国城市污水处理 率目前仅达到2 0 左右 而发达国家由于采用先进的自动化控制技术 污水处理率己达到8 5 5 以上 这一状况与国家提出 至2 0 0 0 年使水环 境污染不断恶化的趋势得到控制 至2 0 1 0 年使总体环境质量得到改善 的发展目标是不相称的 3 国民经济 根据已建 在建及拟建污水厂的情况 吨水造价在1 5 0 0 2 0 0 0 元 之间 运行费用在0 8 1 4 元 吨之间 根据这个比例测算我国尚未 投入建设的城市污水厂需要一次性投资1 0 0 0 亿元以上 如果加上市政 管网建设 投资将超过2 0 0 0 亿元 年运行费用2 5 0 亿元以上 而我国 的城市污水厂建设的资金9 0 来自于各种贷款 如果每年有2 0 0 亿元用 于城市污水厂建设 每个项目的平均还贷期为l o 年 数年后平均每年 偿还的本息将在3 0 0 亿元以上 仅运行费用及本息就将占我国g d p 的 2 1 如此庞大的投资及运行费用 在经济尚不够发达的我国是不堪重负 的 因此提高自动化控制水平 采用高科技含量的自动化控制系统是降 低运行管理费 减少操作管理人员数量 提高效率的有效措施 4 自动化控制技术的发展 我国在污水处理自动化控制方面控制水平低 品质也较差 这也是 造成我国和发达国家污水处理各种指标差距的一个重要因素 前几年国 家环境保护总局曾对我国5 5 个城市的5 0 0 0 多套工业废水处理设施进行 了大规模的调查 结果表明 运行效果好和比较好的只占2 4 而建成 后没能运行或处理能力达不到设计能力一半的设施竞占6 3 8 可见我 国的污水处理技术仍处于较低的水平 为了改变我国污水处理技术的这种现状 中央政府 有关决策职能 部门和研究机构都倾注了较大的注意力 十分重视开展这方面的研究 2 0 0 1 年国家自然科学基金列出专项 支持开展污水处理厂自动控制系 统的研究 1 4 本课题研究的内容及目的 目前 城市污水处理大都采用生物氧化法 生物氧化处理过程是非 线性的 时变的 不确定的 大时滞的系统 其过程的控制难以实现 污水处理控制技术的难点主要体现在以下几个方面 1 污水处理厂的规模大 工艺复杂 控制方式各异 并且各工艺 过程地理分布相距较远 2 污水处理中的s b r 工艺 间歇性活性污泥法 是一个批次生产过 程 废水分批进入反应池中反应 而批次进水给控制带来许多困难 每 次进水都有一个控制点的切入问题 往往会有很大的超调量 而且 控 制过程比较短暂 系统刚达到稳定 过程就结束了 3 污水处理前后工序之间存在互锁关系 而有些参数的在线检测 仪存在滞后 误差较大及价格昂贵等问题 这样会影响控制的实时性和 控制精度 因此选择合适的控制参数 才能保证预期的控制质量 4 污水处理涉及到生化反应过程 如污水的曝气过程就是一个大 滞后过程 在解决这个问题时 有的控制策略过于复杂 如采用神经网 络控制 有的过于简单 如单回路定值调节 不能满足控制要求 5 污水处理厂的设备都是大功率 大能耗设备 有必要考虑设备 的保护和合理配置使用 以及节能问题 6 污水处理厂的工作环境恶劣 干扰频繁 抑制或消除干扰源也 是一个难点 7 污水处理厂控制系统中存在网络通信 如何实现较高的通信速 率和通信质量 开放型的通信接口 建立完整 可靠的综合自动化系统 也是需要考虑的问题 综合以上几个方面的因素 今后污水处理过程控制的发展趋势必然 是用智能控制来构造完善控制 使其向着自适应 自组织 自学习方向 发展 使得系统的控制性能不断完善 达到最佳控制效果 本文以大连市泉水污水处理厂的控制系统为研究背景 结合污水处 理工艺 探讨模糊控制在污水处理厂曝气系统的应用 并充分考虑在线 检测仪表在控制系统中的应用 利用p l c 进行系统控制设计 从而实现 计算机在线控制 提高污水处理的自动化水平 污水处理是一个多参量 多任务 多设备 且具有随机性 时变性 和耦合性的复杂系统 基于该系统的复杂性 本文主要讨论以下几个内 容 1 针对污水处理厂的实际环境 分析比较控制方式 最终确定 p l c i p c 在污水处理厂的应用 并以德国西门子公司的s t e p 7 编程软件 作为控制平台的系统编程软件 2 对目前控制系统多种网络形式进行比较分析 确定p r o f i b u s 现 场总线 光纤环网在污水处理厂的应用 3 在污水处理的曝气环节中 控制系统存在大滞后问题 本文采 用智能控制的方法 在实验数据基础上 给出了p i d 控制策略 s m i t h 预估控制策略 模糊控制策略几个智能控制应用的仿真结果 并进行比 较分析 4 研究污水处理厂现场控制站的软 硬件实现 4 第二章污水处理工艺介绍 2 1 城市污水的污染指标 污水的污染指标是用来衡量水在使用过程中被污染的程度 也称污 水的水质指标 1 生化需氧量b o d 生化需氧量b o d 是在指定的温度和指定的时间段内 微生物在分 解 氧化水中有机物的过程中所需要的氧气量 一般采用以2 0 c 和培 养5 天的时问作为标准 以b o d 表示 通常用m g l 或p p m 作为b o d 的 量度单位 2 化学需氧量c o d c r c o d e r 是在高温 有催化剂及强酸环境下 强氧化剂氧化有机物所 消耗的氧量 单位为m g l 3 悬浮固体s s 悬浮固体s s 也称悬浮物 是水中未溶解的非胶态的固体物质 反映污水汇入水体后将发生的淤积情况 其含量的单位为m g l 4 p h 值 反映污水的酸度和碱度 用p h 值来表示 5 总氮t n 氨氮n h 一n 和总磷t p 氮和磷是植物性营养物质 会导致湖泊 海湾 水库等缓流水体富 营养化 而使水体加速老化 总氮是污水中各类有机氮和无机氮的总和 氨氮是无机氮的一种 总磷是污水中有机磷和无机磷的总和 6 有毒化合物和重金属 这类物质对人体和污水处理中的生物都有一定的毒害作用 如氰化 物 砷化物 汞 锡 铅等有直接毒害作用和无机污染物 2 2 城市污水处理工艺 城市污水处理方法主要有物理法 化学法和生物法 物理法主要利用物理作用来分离或回收废水中的悬浮物 它只适应 于作废水的预备处理或初级处理 化学法主要利用化学反应来处理或回 收废水中的溶解物或胶体物 如酸碱中和等 生物法主要利用生物的作 用来处理废水 有机物经过生物法处理后转变为c o 与无机盐 生物法 具有净化能力强 费用低廉 运行可靠性好等优点 是废水处理的主要 方法 3 城市污水处理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 根据处理热舞的不同 被划分为三级处理流程 典型 的污水处理系统 其流程如图2 i 所示 1 预处理和一级处理 物理处理 预处理由格栅和沉砂池组成 再 加上初沉池组成一级处理系统 主要去除污水中大的泥沙颗粒和呈悬浮 念的固体污染物 一般可去除5 0 左右的悬浮物和2 5 左右的b o d 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 二级处理 生化处理 主要处理对象是废水中的胶体态和溶解态 有机物 经过二级处理后的污水已能够达到标准的排放标准 根据生化 反应中氧气的需求与否可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 而是厌氧生物处理法 又分为污 泥消化法 厌氧接触法等 在实际中若废水有机物浓度低于1 0 0 0 m g l 比较适于采用好氧生物处理 浓度更高时 则应该采用厌氧生物处理 城市生活污水中的有机物浓度不是太高 且水温较低 一次采用好氧生 物处理方法就可以了 三级处理 深度处理和再利用系统 甘的有二 是污水会用 其次是防止水体富营养化 当前广泛应用的是利用活性污泥法或生物魔 法的生物脱氮脱磷技术 另外就是污泥处理和污泥最终处置 主要包括浓缩 消化 脱水 堆肥和卫生填埋 k 二塑熊墨 k 三堡墼堡 k 三堡壁壅一 承 图2 i 城市污水典型处理流程 目前 国内外最普遍流行的是以传统活性污泥法为核心的二级处理 技术 它集物理化学处理和生物处理于一体 活性污泥法工艺具有较高 的处理率 运行稳定可靠 活性污泥工艺有很多种型式 应用最广泛的 主要有四类 1 传统活性污泥工艺和其改进型a o a 2 o 工艺 6 2 a b 工艺 3 s b r 及其改进工艺 4 氧化沟及其改进工艺 在本工程中 采用的工艺形式即为s b r 工艺 2 3 大连泉水污水处理厂工艺 大连市泉水污水处理厂于2 0 0 5 年开始投入一期建设 占地1 0 公顷 是一座处理规模为3 5 万 3 d 的活性污泥法二级污水处理系统 设计 进水水质为c o d o l o o o m g 1 s s o 1 0 0 0 m g 1 出水要求达到国家二 级处理排放要求 整个污水处理厂的工艺流程图如图2 2 所示 图2 2 大连泉水污水处理厂处理工艺流程 污水厂进口设置粗格栅间 用于去除可能阻塞水泵机组及管道阀门 的较大固体颗粒 污水提升泵房设置了提升水泵用于提升水头 以保证 污水可以靠重力流过后续各个处理构筑物 后面污水进入细格栅和旋流 沉砂池处理掉更为细小的杂质和悬浮物后进入曝气生化池中 经过预处理的废水在生化池中与池内活性污泥混合成混合液 然后 在池中停留 连续充分的曝气 一方面使活性污泥处于悬浮状态 废水 与活性污泥充分接触 另一方面 通过曝气向活性污泥供氧 保持好氧 条件 使微生物正常生长和繁殖 通过微生物的新陈代谢使有机物无机 化 有毒物质无毒害化 净化的废水经过消毒接触池后达到排放标准可 以排出 至此生物处理的过程结束 污水处理厂产生的大量污泥由于含有有毒有害物质 会对周围环境 产生不利影响 在污泥脱水间对污泥进行脱水处理 使之减量 稳定 无害化及能综合利用 2 4s b r 工艺介绍 活性污泥法就是采用曝气的手段 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 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 s b r 间歇活性污泥法 也称序批式活性污泥法 它由一个或多个 s b r 池组成 按照传统的时间程序控制法 运行时 废水分批进入池中 依次经历进水 曝气反应 沉淀 排水 闲置五个独立阶段 进水 排 水用水位控制 反应和沉淀用时间控制 一个运行周期的时间依负荷及 出水要求而异 但是在污水处理过程中 不同时刻有机污染物的含量不 同 并f t 随着时间不断发生变化 如按传统控制方法 则排放的水质波 动比较大 s b r 工艺的处理效果主要取决于其运行参数 其中主要参数包括各 反应段时间以及曝气强度 d 0 是活性污泥法高效运行的重要条件 是 影响活性污泥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 由于经过预处理后的污水浓度不同 因此 所需的溶解氧浓度也 不同 要求的抛弃时间也就不同 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 且浪费能源 曝气时间 过短 则出水难以达标 一般地 为了保持活性污泥系统良好的净化作用 曝气池出口处的 混合液中溶解氧浓度应保持在2 m g 1 由于溶解氧的控制无法建立准确 的数学模型 因此难于用经典的控制理论方法来实现 第三章智能控制在污水处理曝气过程中的应用研究 3 1 智能控制的应用 智能控制的应用主要有三大类 1 模糊控制 f u z z yc o n t r 0 1 能将操作者或专家的控制经验和知 识表示成语言变量抽述的控制规则 然后用这些规则去控制系统 因此 模糊控制特别适用于数学模型未知的 复杂的非线性系统的控制 2 基于人工神经网络的控制 a n b a s e dc o n t r 0 1 简称神经控制 n e u r a lc o n t r 0 1 神经网络是又大量人工神经无广泛联结而成的网 络 具有很强的自适应性和学习能力 非线性映射能力和容错能力 3 专家控制 e x p e r tc o n t r 0 1 是智能控制的一个重要分支 又 称专家智能控制 所谓专家控制 是把专家系统的理论和技术同控制理 论 方法与技术相结合在未知环境下仿效专家的智能实现对系统的控 制 在本文中 将主要讨论模糊拧制在污水处理厂中的应用 3 2 曝气过程控制参数的选择 污水处理的鼓风曝气过程复杂并且具有非线性 时变 滞后等特征 无法建立精确的数学模型 模糊控制是典型的智能控制方法之一 对此 类对象有优越的控制性能 在活性污泥反应中参与污水处理的是以好氧菌为主体的微生物 决 定其处理效果的关键因素是生化池中的溶解氧浓度 d o 由此 可见溶解氧浓度是污水处理进程中的主要影响因素之一 并且由于d o 的在线检测简单 可靠 因此把d o 作为有机污水处理过程和处理终点 的控制参数 3 3 曝气过程仿真模型的建立 由于活性污泥法污水处珲系统本身属于复杂的动念工程系统 无法 用精确的数学模型束揣述 所以在建立s b r 反应过程动态仿真模型时 要设定一些假设 假设1 s b r 曝气过程在时问上呈理想的推流变化 在空问上呈完 全混合状念 假设2 在一个周期内 合成的微生物量与总生物量相比可以忽略 不计 即反应池中总生物量近似不变 假设3 一个周期丌始前 反应池中底物浓度 即上一周期出水浓 9 度 与原水浓度相比可以忽略不计 假设4 反应期的反应速率为一级 就是对既定的废水假设反应速 率为常数 根据溶解氧浓度的物料平衡算式 溶解氧d o 浓度变化率 d o 输入率一d 0 输出率一d 0 消耗率 可以建立 如下活性污泥动态模型 d r v 口 晶一口 g v k c 3 1 其中 畦反应池容积 凸反应池中溶解氧浓度 o空气流量 c 鼓入空气的溶解氧浓度 膏 反应速率常数 c 尾气中溶解氧浓度为 对式3 1 做拉普拉斯变换得 6 例 箬 篇v s s k 溉 令 品一g 矿 尼则式5 2 变为占幺j 牙豳咄j 是一个惯性环节 由于常用的溶解氧浓度测量方法是隔膜电极法 根据d 0 分析仪的 测定原理及电化学方程式有 口 嬲 r a 1 一 3 3 其中d o r t 时刻d 0 的实测值 单位m g 1 觚 t 时刻水样中实际d o 浓度值 f i t 位m g 1 a d o 仪氧电极响应速度的参数 单位为r a i n 微生物耗氧速度 单位m g 1 m i n 可知d 0 的检测是非线性的 具有滞后特性 对模型做纠正 将检 测滞后用纯滞后t 来表示 则式3 2 纠正为 g s r 吣 吣毛 t 3 4 上式可近似认为是曝气过程的近似仿真模型 根据实验数据和经 验 可以得到仿真模型中的r 1 5 2 4 k o 0 1 5 7 t 1 3 4 曝气过程智能控制的研究 有了曝气过程的近似仿真模型 下面分别用p i d 控制算法 s m i t h 预估算法及模糊控制算法对曝气过程加以研究 呻1 3 4 1p i d 控制 在工业过程控制中 常用的控制算法是p i d 算法 p i d 控制器是按 偏差的比例 积分和微分进行控制的调节器 这种控制算法的特点是可 包容非线性因素 是连续系统中技术成熟 应用最广泛的一种调节器 它的结构简单 参数易于调整 工作稳定 鲁棒性较强 一般在s b r 法中采用p i d 调节 以溶解氧浓度作为控制参数 由溶 解氧分析仪表和电动调节阀组成串级调速回路来控制整个污水处理过 程 如图3 1 根据式3 4 得到的近似仿真模型 在m a t l a b 中运用s i m u l i n k 模拟 工具箱建立p t d 控制系统方框图 如图3 3 所示 图3 1 一般曝气系统控制原理图 图3 2曝气过程p i d 控制系统方框图 设定p i d 的三个整定参数k l k o 2 k d o 输入为阶跃信号 输出用示波器显示 模拟结果如图3 3 0 1234 5 67 891 0 时问 i 图3 3p i d 仿真结果图 l l 结论 存带有滞后特性的过程中 p i d 控制器对于给定值的阶跃变 化 被控变量的变化有延迟 且系统在设定值附近振荡 可以看出 p i d 控制的品质并不好 3 4 2s m l t h 预估控制 在过程纯滞后系统中 s m i t h 预估算法是最著名的方法之一 在 s m i t h 预估补偿方案中 把对象的数学模型引入到控制回路之内 设法 取得更为及时的反馈信息 以改进控制品质 下面用s m i t h 预估控制仿 真 查看其控制效果 在m a t l a b 中输入s m i t h 控制方框图3 4 得到 控制仿真效果如图3 5 所示 图3 4s m i t h 预估控制方框图 图3 5s m i t h 控制效果图 结论 在s m i t h 预估控制算法效果图中可以看出 系统仍存在一定 时延的滞后 但是在平稳阶段 稳定性就好多了 但是s m i t h 预估对模 型误差较敏感 如果对时滞估计有误 则控制品质会下降许多 3 4 3 模糊控制 活性污泥法污水处理系统属于动态工程系统 依照前面内容的过程 建立的系统仿真数学模型是比较粗糙的 并且 实际上流入污水处理厂 的废水流量和废物浓度都在显著变化 有时相差几倍或几十倍 而且反 应器中的活性污泥的性质也随时问和状态变化 这样根据设定时间来控 制 在进水浓度高时 反应时间不足 达不到出水要求 而进水浓度较 低时 反应时间过长 浪费能源 极易发生污泥膨胀 以溶解氧作为模 糊控制对象 采用模糊控制 可以较准确地反映污水水质变化 合理控 制曝气量 节省运行费用 模糊控制工程是模糊理论在控制工程中的运用和发展 是模糊理论 实用化的一个重要分支及成功应用的典范 模糊 是人们对于模糊集 合理论 模糊控制这样一类技术术语的一种简称 图3 6 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 隶属函数修改和控制 状态显示模块 1 模糊化接口 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 数据库用来定义模糊控制f l c 中语 言控制规则和模糊操作 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 f l c 的核心 它能模仿人的模糊概念和运用模 糊蕴含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 4 解模糊接口 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是根据系 统本身和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 要做适应性修改 并随时显示当前控制状态 以达到自组织 白适应的 目的 图3 6 模糊控制器的结构框图 针对曝气装置设计一个双输入单输出的模糊控制器 输入变量分别 为曝气池d o 的偏差e 和d o 的偏差变化量e c 输出变量为曝气机曝气 增量u 系统框图如图3 7 所示 e 习可翻 厂 二一被控l 垭乎输 倒 图3 7 模糊控制器系统框图 建立一个模糊控制系统 需要经过精确量模糊化 建立模糊控制规 则 模糊推理 模糊量非模糊化几个步骤 1 论域的量化 模糊控制中 离散论域的元素一般取5 1 5 个 取元素太少 离散 模糊量的隶属函数的表达过于粗糙 取元素太多 对隶属函数进行关系 运算时所用到的单点过多 导致运算过于复杂 在量化过程中 量化论 域中的元素个数称为量化级数 般而言 量化级数的多少对控制灵敏 度有影响 量化级数越小 控制越灵敏 但控制越粗糙 但量化级数减 少到2 时 则接近开关控制 量化级数多至无穷时 则成了连续论域 由于有量化过程 则模糊控制器具有离散性质 故而对系统状态标量的 4 小突变不敏感 本控制系统结合污水中的d o 浓度的变化情况 把e 和u 的量化等 级定为1 3 e c 的量化等级定为9 即他们的离散论域分别为 e 0 一5 一4 一3 一2 一l 0 1 2 3 4 5 6 e c 4 一3 一2 一1 0 1 2 3 4 u 6 一5 一4 一3 一2 1 0 1 2 3 4 5 6 2 模糊的划分 在模糊控制中 无论是输入论域 或是输出论域 都要取恰当的模 糊量 对于一个给定的有限论域 在这个论域中确定模糊量数量的过程 称模糊划分 所以模糊划分的本质就是在论域中划分模糊子集 模糊划分尚未有一种确定的方法 主要是根据经验而进行划分的 在进行模糊划分时 主要考虑数量的选择以及宽度划分 在一个论域中 模糊量数量的划分一般取5 1 0 条较为合适 在实际中 模糊划分和量 化是有直接关系的 即论域中元素的个数应是模糊量的1 5 2 倍 对 于本控制系统 d o 的偏差e 论域的元素为1 3 个 则模糊量的个数应取 7 划分宽度是指在论域中一个模糊量所涉及的元素的多少 划分宽度 的选择是以量化之后论域的0 元素为原点开始考虑的 划分宽度以0 元 素处的 零 模糊量开始 往正负方向对称非线性 也即是对于零开始 负小 j 下小的宽度大一些 接着负中 正中的宽度大一些 负大 正大 更大一些 划分的非线性和控制中人们的思想方式吻合 模糊量划分的 宽度是随模糊量与0 元素的距离而非线性增大的 本控制系统中 定义他们的模糊子集分别为 e 的模糊集为 n b n m n s z o p s p m p b e c 的模糊集为哺b n s z o p s p b u 的模糊集为 n b n m n s z o p s p m p b 模糊语言变量的意义 n b n e g a t i v eb i g 负大 p b p o s i t i v eb i g 正大 n m n e g a t i v em e d i u m 负中 p m p o s i t i v em e d i u m 正中 n s n e g a t i v es m a l l 负小 p s p o s i t i v es m a l l 正小 z o z e r o 零 3 模糊表达 在论域中模糊量的隶属函数形状称为该模糊量的模糊表达 模糊表 达的目的在于取得最适合于控制目的的隶属函数 模糊量可以是对称 的 非对称的 三角的 梯形的或其它形状的 目前 尚未能证明什么 形状的隶属函数对某一控制目标是最优的 因此 隶属函数大多依赖经 验或考虑处理方便而选取 根据实验数据和经验 确定隶属函数的分辨率 从而确定了模糊隶 属函数曲线的形状 本文假定隶属曲线宽度为1 顶点在各论域点 可 得d 0 的e e c u 的模糊状态隶属函数曲线分别如图3 8 3 9 3 1 0 所示 将确定的隶属函数曲线离散化 就得到了有限个点上的隶属度 构成相应模糊变量的模糊子集 黝獬一 图3 8d o 偏差e 的隶属函数 图3 9d o 偏差变化e c 的隶属函数 谰擞一 图3 1 0 输出量u 隶属函数 j 6 1 建立模糊控制规则 模糊控制是以模糊控制规则去实施控制的 模糊控制规则表达了人 对被控对象执行控制时的模糊思维和判别过程 模糊控制规则在本质上 是人们的模糊推理规则 以模糊条件语句表达 条件语句的前后条件都 是模糊量 一个模糊控制系统 其控制规则可以以条件语句集来表示 也可以以控制规则表来表示 模糊控制规则的格式为 i faa n dbt h e nc 模糊控制规则是根据人的思维方式对一个被控制系统治性控制而 总结出来的带有模糊性的控制规则 取得模糊控制规则有各种不同的途 径 但不外乎是两种最基本的方法 一种是根据人对被控系统的实际操 作求取控制规则 另一种是根据对象的特点通过数学处理求取控制规 则 对于本控制系统 同时根据曝气过程中可能遇见的情况和系统运行 数据 考虑d 0 的偏差e 取7 个模糊量 n b n m n s z 0 p s 雕 p b d 0 偏差变化率e c 取5 个模糊量 n b n s z 0 p s p b 输出控制u 取 7 个模糊量 n b n s z o p s p m p b 得到如下模糊控制规则表 3 一l 表3 1 曝气过程模糊控制规则 e un bn mn sz pp sp mp b e c n bp b p b p m p m p sz oz o n sp bp bp mp sz 0n s姒 z o p bp m p s z o n s n mn b p sp mp sz on sn mn bn b p b z o z 0n s n mn mn b n b 有 将上述模糊控制规则用模糊条件语句来描述 例如 当e n b 时 e c n b e c n m e c n s e c z o e c p s e c p b t h e nu p b t h e nu p b t h e nu p b t h e nu p b t h e nu p m t h e nu z o 1 7 d d d d d d n n n n n n a a a a a a b b b b b b n n n n n n l l e e e b e e f f f f f f 第一条可以解释为 如果 偏差 为 负大 且 偏差变化 为 负 大 则 曝气量u 为 正大 意味着当d o 的误差及误差变化均为 负大时 反应器内的d o 浓度很低 而且有进一步减低的趋势 要尽快 提高d o 浓度 必须增大曝气量 所以u 取正大 当e 取n b 慨 n s z o p s p m p b 时各有5 条这样的条件语句 共有3 5 条 也就是这3 5 条模糊控制规则共同构成了曝气系统得模糊控 制基 3 模糊判决方法 通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合或者隶属函数 但在实际 使用中 特别是在模糊逻辑控制中 必须用一个确定的值才能去控制伺 服机构 在推理得到的模糊集合中取一个相对最能代表这个模糊集合的 单值的过程就称作反模糊或模糊判决 d e f u z z i f i c a t i o n 模糊判决可以采用不同的方法 用不同的方法所得到的结果也是不 同的 理论上重心法比较合理 但是计算比较复杂 因而在实时性要求 较高的系统不宜采用这种方法 最简单的方法是最大隶属度方法 这种 方法取所有模糊集合或者隶属函数中隶属度最大的那个值作为输出 但 是这种方法未考虑其它隶属度较小的值的影响 代表性不好 所以它往 往用于比较简单的系统 介于这两者之脚的还有几种平均法 如加权平 均法 隶属度限幅元素平均法等 4 模糊控制算法 模糊控制算法和模糊推理有很大关系 一般采用m a m d a n i 模糊推 理 模糊推理控制算法有很多 但基于m a m d a n i 推理的控制算法有三种 这就是关系矩阵法 查表法及解析式法 关系矩阵法在执行中实时性较 差 查表法可以克服繁琐的计算从而提高实时性 而解析式法可以节省 内存空间 本控制系统采用查表法 查表法依赖于控制表 控制表是根据控制 规则和推理方法所形成的输入量值与输出量化值的关系表格 在控制表 中 给出的是输入论域元素与输出论域元素的关系 查表法关键在于建 立控制表 建立控制表的步骤如下 1 求模糊关系r 尼 e x e c x 3 5 t 庐u r f 3 6 2 求输入偏差及偏差变化率量化后对应的模糊量 e l 2 7 e c j 1 2 5 3 求输出的控制精确量并形成控制表 根据模糊控制规则表取定的每一条模糊条件语句都可以计算出相 应的模糊控制量u 运用模糊推理合成规则 可求出输出模糊量 u i i t e l x e c i r 3 7 并采用最大隶属度法迸行反模糊化 则可得精确控制量u u i 坍觎灿 l u 3 8 于是得到以偏差e 论域元素为行 偏差变化率e c 的论域元素为列 两者元素交点为输出精确值的控制表3 2 表3 2 模糊控制表 e u 6 5 4 3 2 10l23456 e c 466663331 51 50000 366663331 51 500 0 0 26666331 50o 1 5一l 5 3 3 一l6666331 500一1 5 1 5 3 3 o66331 51 50 1 5一1 5 3 3 6 6 i331 5 l500 1 5 3 3 6 6 6 6 2331 51 5001 5 3 3 6 6 6 6 3o00o 1 5一1 5 3 3 3 6 6 6 6 4 oo00 一1 5 1 53 3 3 6 6 6 6 4 用p a t l a b 生成模糊控制器 m a t l a b 仿真软件自1 9 8 4 年由美国的m a t h w o r k s 公司推出以来 已 越来越引人注目 i 姒t l a b 现已成为国际上公认的最优秀数值计算和仿 真分析软件之一 m a t l a b 软件中的模糊推理系统工具箱内容丰富 基 本包括了模糊集合理论的各个方面 其功能强大和方便易用的特点得到 了用户的广泛欢迎 在模糊逻辑工具箱中有5 个基本工具箱图形用户界面 g u i 工具用 于建立 编辑和观察模糊推理系统 f i s 它们分别为模糊推理系统编 辑器 隶属度函数编辑器 规则编辑器 规则观察器和面观察器 5 动态仿真 对前面建立的模糊推理系统 首先单击模糊逻辑工具箱5 个g u i 界 面中的一个f i l e 文件 将其保存到b l a t l a b 工作区中 然后在打开的 s i m u l i n k 库建立s i i u l i n k 仿真模型 对采用的模糊控制方法 在 s i m u l i n k 库的 f u z z yl o g i ct o o l b o x 项中 选择 f u z z yl o g i c c o n t r o l l e r 作为我们的模糊控制模块 在仿真模型中双击 f u z z y l o g i cc o n t r o l l e r 的图标 在弹出的对话框中的 f i sm a t r i x 文本 框中输入前面保存到m a t l a b 的工作区中的模糊推理系统的名称 将工 作区的f i s 结构与该模糊控制器连接起来 选择模糊控制器的类型为 m a m d a n i 型 然后建立输入e e c 和u 的隶属函数 然后添加模糊控制 规则 确定f i s 编辑器中选项 与 a n d 为m i n 或 o r 为l n a x 推理方 法 i m p l i c a t i o n 为m i n 合成方法 a g g r e g a t i o n 为m a x 非模糊化方 法 d e f u z z i f l o a t i o n 为加权平均 c e n t o i d 这样就建立了一个模糊推 理系统 为了观察该模糊控制系统对输入阶跃响应的反应输出 用 s i m u l i n k 工具箱仿真 建立图3 1 1 所示的仿真框图 仿真结果如图5 1 2 所示 结论 模糊控制策略不需要得