王珍娟,孔秀琴

(1.蘭州理工大學(xué)國(guó)資處,甘肅蘭州730050;2.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,甘肅蘭州730050)

智能積分模糊控制在污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王珍娟1,孔秀琴2

(1.蘭州理工大學(xué)國(guó)資處,甘肅蘭州730050;2.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,甘肅蘭州730050)

針對(duì)循環(huán)式活性污泥法(CASS)處理城鎮(zhèn)污水控制系統(tǒng)中對(duì)溶解氧(DO)濃度控制的大延遲、非線性和時(shí)變的特點(diǎn),設(shè)計(jì)一套基于智能積分器的模糊控制、倍福嵌入式PC、組態(tài)王軟件的自動(dòng)控制系統(tǒng)方案。從硬件配置和軟件設(shè)計(jì)兩方面探討了倍福嵌入式PC在污水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,達(dá)到了預(yù)期的控制要求。

智能積分;模糊控制;污水處理

在循環(huán)式活性污泥法(CASS)處理城鎮(zhèn)污水控制系統(tǒng)中,溶解氧(DO)濃度決定著整個(gè)污水處理的效率以及能源的消耗[1],利用傳統(tǒng)的模糊控制難以達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。為提高污水處理的效率及降低能源消耗[2],作者采用帶有智能積分環(huán)節(jié)的模糊控制方法來(lái)控制曝氣電機(jī),以控制污水中的溶解氧濃度,從而提高控制精度、降低能耗、減少系統(tǒng)波動(dòng)[3];在此基礎(chǔ)上,利用倍福嵌入式PC作為控制器、以組態(tài)王軟件作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),結(jié)合改進(jìn)的模糊控制算法,構(gòu)成了一個(gè)完整、高效的控制系統(tǒng)。

1 污水處理工藝流程

CASS流程包括:進(jìn)水控制井、格柵機(jī)、除砂機(jī)、配水井、CASS池、接觸池、污泥脫水間等。污水經(jīng)過(guò)以上處理環(huán)節(jié),達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求就可以安全排放了。工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程圖Fig.1 Sewage treatment process

2 傳統(tǒng)模糊控制的缺陷

傳統(tǒng)的二維模糊控制器使用的輸入量為誤差e和誤差的變化率△e(誤差的微分),具有良好的魯棒性和非線性的控制特性,成為在大時(shí)滯、時(shí)變參數(shù)和非線性等控制中的有效控制手段。但由于其沒(méi)有積分環(huán)節(jié),無(wú)法消除穩(wěn)態(tài)余差,使其穩(wěn)態(tài)輸出不能很好地達(dá)到控制精度的要求。如果在傳統(tǒng)的模糊控制中加入積分環(huán)節(jié),在保留模糊控制優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),又能提高其穩(wěn)態(tài)時(shí)的準(zhǔn)確性。

積分環(huán)節(jié)一般可分為兩種:常規(guī)積分環(huán)節(jié)和智能積分環(huán)節(jié)。在二維模糊控制器中引入常規(guī)積分可以提高穩(wěn)態(tài)精度,但是這種方法也有缺點(diǎn)。積分實(shí)際上是對(duì)誤差信號(hào)的記憶功能,而常規(guī)積分控制記憶了誤差及誤差變化的所有信息(其中也包含了一些對(duì)控制不利的信息),對(duì)所有誤差都進(jìn)行無(wú)選擇積分,因此這種積分控制作用針對(duì)性不強(qiáng),有時(shí)甚至不符合控制系統(tǒng)的客觀需要。由于這種積分作用只要有誤差就一直進(jìn)行積分,又會(huì)導(dǎo)致“積分飽和”,也降低了系統(tǒng)的靈敏度。

圖2a是典型二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)y(t)曲線。分析可知,在AB段和CD段,系統(tǒng)輸出值偏離了穩(wěn)態(tài)值,從圖2b的誤差曲線e(t)看,誤差的絕對(duì)值向增大的方向變化且于B、F點(diǎn)達(dá)到最大值。對(duì)于這種情況,控制的目的應(yīng)盡力壓低超調(diào),除采用比例控制外,要對(duì)誤差進(jìn)行積分從而強(qiáng)化控制作用,使系統(tǒng)盡快回到穩(wěn)態(tài)值;BC段和DE段,系統(tǒng)誤差逐漸減小,即系統(tǒng)在控制作用下已向穩(wěn)態(tài)值變化,如按常規(guī)積分控制方式,仍然對(duì)誤差進(jìn)行積分,就會(huì)造成控制作用太強(qiáng)而出現(xiàn)系統(tǒng)回調(diào),此時(shí)的積分作用實(shí)際上增大了系統(tǒng)誤差。為了克服常規(guī)積分控制作用的缺點(diǎn),模擬人的記憶特性及仿人智能控制方法,在(a,b)、(c,d)等區(qū)間進(jìn)行積分,為控制作用及時(shí)地提供正確的附加控制量,抑制系統(tǒng)誤差的增大,同時(shí)在(b,c)、(d,e)等區(qū)間停止積分,使系統(tǒng)僅在比例等控制作用的制約下,并借助于慣性向穩(wěn)態(tài)過(guò)渡,這就是智能積分控制。

圖2 智能積分曲線分析圖Fig.2 The curves of intelligent integral analysis

3 CASS池的溶氧量控制

溶解氧濃度控制是污水生化處理過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié),但由于其高度的非線性與時(shí)變性使得對(duì)其進(jìn)行有效的控制非常困難。CASS池的溶氧量控制方法的選擇直接關(guān)系著污水處理的精度。

3.1 控制對(duì)象及策略

城鎮(zhèn)污水中的主要污染物為懸浮固體和溶解性的有機(jī)物,溶解性有機(jī)物的處理工藝主要有A/O、A2/ O、氧化溝、SBR、CAST、CASS池,本系統(tǒng)使用CASS池工藝。CASS池工藝中的關(guān)鍵影響因子即溶氧量,需要控制溶解氧濃度在合理的范圍內(nèi)。由于控制對(duì)象是一個(gè)典型的具有非線性、時(shí)變性、隨機(jī)性、模糊性和非穩(wěn)定性的復(fù)雜處理過(guò)程,很難用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法對(duì)過(guò)程特性進(jìn)行描述[4]。

3.2 智能積分模糊控制的實(shí)現(xiàn)

以CASS池的溶解氧量作為控制對(duì)象,采用帶智能積分器的模糊控制方法。選擇二維模糊控制器,其輸入為誤差e和誤差的變化率△e。在對(duì)e和△e進(jìn)行量化之后,按照設(shè)定好的規(guī)則對(duì)其進(jìn)行積分。并將積分所得結(jié)果疊加到模糊控制器的輸出上,如圖3所示。

圖3 引入智能積分環(huán)節(jié)的模糊控制器Fig.3 The fuzzy controller with intelligent integrator

智能積分引入的邏輯規(guī)則為[5,6]:

(1)當(dāng)e·△e＞0或△e=0且e≠0時(shí),對(duì)誤差進(jìn)行積分;

(2)當(dāng)e·△e＜0或e=0時(shí),不對(duì)誤差積分。

這種積分環(huán)節(jié)的引入方法,可以保證不會(huì)因?yàn)榉e分環(huán)節(jié)的引入而對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)產(chǎn)生影響,不會(huì)出現(xiàn)小范圍的持續(xù)震蕩和積分飽和現(xiàn)象。這樣既能消除余差,同時(shí)也保證了模糊控制器自身的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),將其模糊控制規(guī)則列于表1。

表1 模糊規(guī)則庫(kù)Tab.1 The fuzzyrule base

表1是最典型的模糊規(guī)則,模糊語(yǔ)句為:

If e=…And△e=…Then u=…

模糊控制器的輸入e和△e的模糊集均取為{NB, NM,NS,ZO,PS,PM,PB},根據(jù)污水廠的控制要求及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),將e和△e的變化范圍取為[-3,3],于是將e和△e的論域取為{-4,4}。誤差e、誤差變化率△e和輸出u的隸屬函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 隸屬函數(shù)曲線Fig.4 The curve of membership function

4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)的組態(tài)采用北京亞控公司的組態(tài)王6.53版本,它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開(kāi)發(fā)周期短、人機(jī)界面友好等優(yōu)點(diǎn)。本控制系統(tǒng)利用組態(tài)王完成了對(duì)全廠以及各工藝環(huán)節(jié)的組態(tài),可以方便地在各工藝環(huán)節(jié)的控制界面進(jìn)行切換,并進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制及數(shù)據(jù)的讀取。并通過(guò)OPC技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備(如控制器、智能儀表)完成數(shù)據(jù)的交換,有效提高了控制的實(shí)時(shí)效率。CASS池工藝段的上位機(jī)截圖見(jiàn)圖5。

圖5 CASS池段上位機(jī)截圖Fig.5 The screenshot of the PC in cisternal segment of CASS

5 結(jié)語(yǔ)

智能積分模糊控制系統(tǒng)從根本上講是將人工智能理論和技術(shù)同控制理論與方法相結(jié)合,在未知環(huán)境下,仿效人的智能行為進(jìn)行決策和控制。基于帶有智能積分模糊控制的污水處理控制系統(tǒng),目前已在某縣投入運(yùn)行,該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,成功解決了CASS池溶氧量余差的問(wèn)題,有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率,降低了能耗。

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[2] 高大文,彭永臻,王淑瑩,等.污水處理智能控制的研究、應(yīng)用與發(fā)展[J].中國(guó)給水排水,2002,18(6):35-39.

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Application of Intelligent Integral Fuzzy Control in Control System of Sewage Treatment

WANG Zhen-juan1,KONG Xiu-qin2
(1.Stateowned Asset Department,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 2.School of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

According to the characteristics of large delay,nonlinear and time-varying of the control of concentration of dissolved oxygen(DO)in the control system of urban sewage treatment processes(CASS),we design a set of automatic control system scheme that based on fuzzy control with intelligent integrator,beckhoff embedded PC,kingview software.In this paper,we discuss the application of beckhoff embedded PC both from the hardware configuration and software design in control system of sewage treatment.By the actual operation, the results show that the system is stable and reliable,and also can achieve the expected control requirements.

intelligent integral;fuzzy control;sewage treatment

X 505 TP 273

A

1672-5425(2013)03-0075-03

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.03.020

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(5126803)

2012-11-14

王珍娟(1976-),女,陜西鳳翔人,工程師,主要從事電氣及其自動(dòng)化控制技術(shù),E-mail:guozc@lut.cn。