污水处理中智能控制的应用研究

1、分类号： 密级：U D C： 编号：污水处理中智能控制的翁应用研究THE STUDIES OF SWAGE TREATMENT BASED ONINTELLIGENCE CONTROL学位授予单位及代码：长春理工大学 （10186）学科专业名称及代码：检测技术与自动化装置（081102）研究方向：检测技术与过程控制申请学位级别：硕 士 指导教师：许红梅副教授答辩委员会主席：朱明研究员研 究 生：孙 晓 宇论文评阅人： 张丽英 教授论文起止时间：2005. 122006. 12孙灵芳副教授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丈现，使系统能够连续稳定

2、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PLC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IPC+PLC的控制方案和 Profibus现场总线+光纤坏网的通信网络方案。文中主要介绍了 PLC、 Profibus现场总线、光纤以太坏网、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间歇性、非线性、大滞后、直接捽制变 量难以在线测量等控制难点，应用智能控

3、制的方法，讨论了模糊拎制策略 的运用效果。本文选用简单易行的查控制表方法在PLC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：PLC+IPC, PROFIBUS,污水处理,智能控制，模糊控制ABSTRACTAlthough city swage treatment system has great social benefit, it s running cost is high, and the economic benefit is low In order to implement the swage treatment technique effectively, op

4、erate the treatment system steadily, guarantee the quantity of output water, the self-control technique applied in swage treatment to promote automatic level has become the key question in swage treatmentsTake Dalian Quanshui swage treatment plant as background, incorporation with swage treatment cr

5、aft, the application of PLC and it s network in swage treatment plant is discussed in this paper, and considered the action of onTine detection instrument in control system sufficiently The con trol scheme of I PC + PLC and communication network scheme of PROFIBIS Fieldbus + fibre ring net is adopte

6、d in this system. This paper mainly introduced PLC, PROFI BUS Fieldbus, fibre ring net, swage treatment craft, the hardware and software disposal of control system and the automatic control system7 s implementation of swage treatment plantMeanwhile, to the difficulties of intennittence, norrlinearit

7、y, delay, and the online measurement hardness of direct control variable in aeration tank control, using the way of intelligence control, the performing effectiveness of fuzzy control strategy is discussed. This paper implemented fuzzy control strategy on PLC by 1coking-up table, and applied in the

8、Dalian Quanshui swage treatment plant.Keyword: PLC+IPC, PROFIBU5, swage treatment intelligence control, fuzzy control3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。指导导师签名:幷

9、仿枪年仏月1_日长春理工大学学位论文版权使用授权书年a月伽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: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

10、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40年代到50年代是经典控制理论阶段；50年代后 期最具代表性的就是基于模型的现代控制理论；70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

11、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80%-90% 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 DCS或PLC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

12、量。在智能控 制领域，Galluzzo等于1991年描述了 PH过程的模糊控制器，通过利 用BP神经网络为PH过程建立模型；Saint-Donat等于1991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；Tolle和Ersu 于1992年描述了对于PH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

13、飞速发展，我国许多污水处理 厂也开始采用PLC或DCS方式进行控制，并取得了较好的效果，现场总 线也逐渐在这一行业中得到应用。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10年，中国污水处理项目工程建设投资将超过2500亿元，其 中污水处理设备投入约300亿元。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，是推动坏保产业升级，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

14、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，三峡库区的坏境保护，尤其是库区沿江水污染的防 治己陆续启动。到2008年，50万以上人口的城市，污水处理率将达到 60%,工业废水处理率达到90%,达标排放率达到80%。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684个城市中我国仅有200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600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 率目询仅达到20%左右，而发达国家由于采用先进的自动

15、化控制技术， 污水处理率已达到85%以上。这一状况与国家提出“至2000年使水环 境污染不断恶化的趋势得到控制，至2010年使总体坏境质量得到改善” 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15002000元 之间，运行费用在084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1000亿元以上。如果加上市政 管网建设，投资将超过2000亿元，年运行费用250亿元以上。而我国 的城市污水厂建设的资金90%来自于各种贷款。如果每年有200亿元用 于城市污水厂建设，每个项目的平均还贷期为10年，数年后平均每年 偿还的本息将在300亿元以

16、上，仅运行费用及本息就将占我国GDP的l%0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El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55个城市的5000多套工业废水处理设施进行 了大规模的调査。结果表明，运行效果好和比较好的只占24%,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63.8% +2, +3, +4, +5,

17、 +6；Ec：-4,亠3 一2, T, 0t +L +2, +3, +4；U：卜6, -5, -4, 一3,T, 0, +L +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510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

18、. 52倍。对 于本控制系统，D0的偏差E论域的元素为13个，则模糊量的个数应取7o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、正小的宽度大一些；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, E的模糊集为Ec的模糊集为 U的模糊集为定义他们的模糊子集分别为：MB, NM, NS, Z0, PS, PM, PB；NB, NS, Z

19、0, PS, PB；NB, NM, NS, Z0, PS, PM, PB.模糊语言变量的意义：NB = Negative Big （负大）PB = Positive Big （正大）NM = Negative Medium （负中）PM = Positive Medium （正中）NS = Negative Small （负小）PS = Positive Small （正小）Z0 = Zero （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

20、 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DO的E、Ec. U的模糊状态隶属函数曲线分别如图3& 3.9、330 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。图3.8 DO偏差E的隶属函数图3.9 D0偏差变化Ec的隶属函数图3.10输岀量U隶属函数1、建立模糊控制规则模糊控制是以模糊控制规则去实牖控制的。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

21、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：if A and B then C=1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DO的偏差E取7个模糊量：NB、NM、NS、ZO、P

22、S、PM、PB； DO偏差变化率Ec取5个模糊量：NB、NS、ZO、PS、PB：输出控制U取 7个模糊量：NB、膩NS Z0 PS、PM、PB,得到如下模糊控制规则表表3-1曝气过程模糊控制规则EUEcNBNMNSZPPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONSPBPB 1PMPSzoNSNMzoPBPMPSzoNSNMNBPSPMPSzoNSNMNBNBPBZOZONSNMNMNBNB将上述模糊控制规则用模糊条件语句来描述，例如，当E = NB时, 有：IF E=NB AND EC二NBIF E二NB AND Ec=NMIF E二NB ANDIF E二NB ANDIF E二NB ANDE

23、c 二 NSEc 二 ZOEc 二 PSIF E-NB AND Ec二PBTHEN 1PBTHEN U=PBTHEN U二PBTHEN U二PBTHEN U二PMTHEN U=ZO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DO的误差及误差变化均为负大时，反应器内的DO浓度很低，而且有进一步减低的趋势，要尽快 提高DO浓度，必须增大曝气量，所以U取正大。当E取NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB时各有5条这样的条件语句,共有35条，也就是这35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

24、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(Defuzzification)。=1模糊判决可以釆用不同的方法，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。介于这两者之间的还有几种平均法:

25、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Mamdani模糊推 理。模糊推理控制算法有很多，但基于Mamdani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。本控制系统釆用査表法。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，给岀的是输入论域元素与输出论域元素的关系。査表法关键在于建 立控制表。建立控制表的步骤如下：(1)求模糊关系R& 二ExEC/Uh(3. 5)

26、(2)求输入偏差及偏差变化率量化后对应的模糊量 El (y =1, 2,，7)EC心込,2,5)(3求输出的控制精确量并形成控制表根拥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，可求出输出模糊量妁：UtJ = (EixECj) R(3.7)并采用最大隶属度法进行反模糊化，则可得精确控制量U：/=)(3.8)于是得到以偏差E论域元素为行，偏差变化率EC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 o表3-2模糊控制表EUEc-6- 54-3-2-1012346666663331.5150000-36666333L5L50000-266

27、6633L500-1.5-33666633L500-1.5-1.5-3-3066331-51.507 5-L5_36-6133L51.500L5_3-3亠6_6_62331.5L5001.53-3-6_6_6_630000-L5-3_3-3_66-6-640000-L5-L5-3_3_3-6_6_6_64. 用MATLAB生成模糊控制器MATLAB仿真软件自1984年由美国的Mathworks公司推出以来，已 越来越引人注目。MATLAB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。MATLAB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

28、用的特点得到 了用户的广泛欢迎。创在模糊逻辑工具箱中有5个基本工具箱图形用户界面(GUI)工具用 于建立、编辑和观察模糊推理系统(FIS),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GUI界 面中的一个File文件，将其保存到MATLAB工作区中。然后在打开的 SIMULINK库建立SIMULINK仿真模型。对采用的模糊控制方法，在 SIMULINK 库的Fuzzy Logic Toolbox项中，选择Fuzzy Logic Controller”作为我们的模糊控制模块。在仿真模型中双击

29、Fuzzy Logic Control 1 erw的图标，在弹出的对话框中的FIS Matrix文本 框中输入前面保存到MATLAB的工作区中的模糊推理系统的名称，将工 作区的FIS结构与该模糊控制器连接起来。选择模糊控制器的类型为 mamdani型，然后建立输入E、Ec和U的隶属函数。然后添加模糊控制 规则,确定FIS编辑器中选项；与(AND)为min,或(OR)为max,推理方 法(implication)为min,合成方法(aggregation)为max,非模糊化方 法(defuzzification)为加权平均(centoid)。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

30、对输入阶跃响应的反应输出，用 SIMULINK工具箱仿真,建立图3.11所示的仿真框图,仿真结果如图5.12 所示。结论：模糊控制策略不需要得到系统的精确数学模型，而控制输出 的效果比较理想，滞后现象得到了改善，在响应初期系统出现超调，但 稳定速度还比较快。矩阵增益2示玻器图3.11SIMULINK环境中模糊推理系统的仿真2时阖(s)图X 12模糊控制器仿真结果3,5控制策略比较在本文研究的三种策略中，PID调节器是过程控制系统中技术最成 熟，它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中己积累了丰富的经验。 许多控制器都提供PID控制功能，用户只需建立指令的参数表，即可简单实现PID控制。许多智能

31、变频器也都提供PID控制功能。但是，PID 控制需要依赖控制对象的数学模型，且由于污水曝气过程的滞后特性, 从仿真结果看，运用PID控制效果较差。在SMITH预估方案中，由于把对象的数学模型引入控制回路，使反 馈信息更及时，以改善控制品质。从仿真结果看，系统的稳定性好多了, 但是，由于SMITH预估仍旧依赖对象的数学模型，对模型的参数误差较 敏感，若模型时滞估计有误，则控制品质会下降许多。模糊控制理论对复杂的系统或过程建立一种语言分析的数学模式, 将日常生活中的自然语言能够直接转化为计算机所能接受的算法语言, 所以模糊控制器不需要过程控制的精确数学模型，而是吸收人工控制的 经验，然后依据一些推

32、理规则，决定控制决策。将模糊控制策略应用于污水曝气过程，从仿真结果看，控制效果比较理想，滞后小，系统稳定也快。综合比较以上三种控制策略，确定大连市泉水污水处理工程自动控制系统的曝气过程采用智能控制方案模糊控制策略来实现。第四章污水处理厂自动控制系统方案设计4.1污水处理厂自动控制系统设计原则污水处理厂自动控制系统的设计应遵循“集中管理，分散控制，数的原则，设计选型不仅要使系统性能稳定、运行可靠、操作 简单、维护方便，而且要求满足易于扩展、运行经济、维护方便性价比 高等特点。而且自控系统应满足污水处理厂运行管理和安全处理的要求，即生产过程自动控制、自动报警、自动保护、自动操作、自动凋节,提高运行

33、效率、降低运行成本、减轻劳动强度，对污水处理厂内各系统工艺流程中的重要参数、重要设备进行计算机在线集中实时监控，从而 确保污水处理厂的出水水质达到设计排放标准。具体要求如下：1、有良好的适应性；2、采用分布式结构，具有良好的通讯能力；3、有友好的人机界面和良好的后备能力：4、有良好的开放性；5、采用自动检测设备对水质等参数进行在线测量。4.2控制系统方案比较目前国内污水厂的自控系统主要采用以下几种形式：1、SCADA 系统SCADA系统由一个主控单元MTU和若干个远程终端站RTU组成,MTU 与RTU之间用物理链路层或数据链路层联系。系统最初用于通讯，联网 通讯功能较强，可实现连续及顺序控制，侧重于检测和少量控制，适用 于被测点地域分布较广的场合。该系统的特点是组网范围大通讯方式灵活，与其它网络的互联功能 强。但是其远端站控制能力很少，使系统实时性较差，并且在安全性方 面风险较大，无法实现大