馮 謀

（石家莊市橋東污水治理工程籌建處，河北 石家莊050026）

0 引言

污泥厭氧消化是目前國際上最為常用的污泥穩(wěn)定方法，其中以中溫消化最為常用。相對于污泥好氧穩(wěn)定過程，污泥厭氧消化可以達到很好的穩(wěn)定效果，能最大限度地降解污泥中的有機物。這種工藝能耗低，污泥體積一般可減少1／3～1／2，而且在工藝過程中還可以產(chǎn)生高能量的沼氣。甲烷菌對溫度波動非常敏感，一般應將消化污泥的溫度波動控制在±1℃范圍內(nèi)。試驗結果表明：厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間溫度控制在（35±1）℃，初沉污泥的消化效果較好［1］。

溫度對污泥厭氧消化非常重要。然而消化池一般體積較大，溫度控制滯后比較嚴重，應用常規(guī)PID溫度控制系統(tǒng)，控制精度和魯棒性都不太理想。因此，本文將PID控制與模糊控制的簡便性、靈活性、魯棒性融為一體，來實現(xiàn)污泥溫度自動非線性自適應調節(jié)的控制要求。

1 污泥中溫厭氧消化溫度控制方案

在污泥中溫厭氧消化生產(chǎn)過程中，溫度起著至關重要的作用，直接影響著菌落的生長、沼氣的產(chǎn)量、污泥體積的減少量和污泥性質的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用消化池外熱交換器預熱方式加熱，溫度波動即加熱的效果與熱交換器溫度以及進泥溫度、進泥次數(shù)、進泥歷時和每次的進泥量有關。進泥次數(shù)、進泥歷時和每次的進泥量由實驗給定，所以消化池溫度就與進泥溫度和熱交換器溫度有關，熱交換器溫度通過控制熱水循環(huán)泵頻率改變。本系統(tǒng)通過消化池內(nèi)溫度與設定值的比較以及進泥溫度與設定值的比較，經(jīng)過模糊PID運算改變熱水循環(huán)泵頻率，來控制消化池內(nèi)溫度。

溫度控制系統(tǒng)原理如圖1所示，該系統(tǒng)由西門子PLC（S7－200，CPU224）控制模塊、EM235拓展模塊、溫度傳感器、LCD觸摸顯示屏等設備組成。溫度傳感器把檢測到的進泥溫度和池內(nèi)溫度通過EM235模塊傳送至PLC，PLC負責把檢測到的數(shù)值與設定值進行模糊PID運算，然后輸出結果并通過EM235將其變成電壓信號傳遞給變頻器，從而實現(xiàn)對消化池溫度的控制。

2 消化池溫度模糊PID控制器

消化池溫度模糊PID控制器是利用模糊控制算法自動修正常規(guī)PID控制器中的比例、積分和微分（kp、ki、kd）3個參數(shù)，達到自動優(yōu)化控制的目的。

2.1 模糊PID控制器原理

圖1 消化池溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)

消化池溫度模糊PID控制器以溫度的偏差e和溫度的變化率ec作為控制器的輸入，經(jīng)過控制器的模糊處理，自動計算出3個參數(shù)的實時修正量Δkp、Δki和Δkd，實時自動優(yōu)化PID控制器中kp、ki和kd這3個參數(shù)，實現(xiàn)污泥溫度自動非線性自適應調節(jié)的控制要求。e和ec的表達式為：

式中，cn（t）為消化池溫度設定值；ci（t）為消化池溫度實際值。

2.2 PID參數(shù)整定原則

根據(jù)系統(tǒng)在受控過程中對應不同的e和ec將PID參數(shù)的整定原則歸納如下［2］：

（1）當｜e｜較大時，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應取較大的kp與較小的Td。同時，為避免系統(tǒng)響應出現(xiàn)較大的超調，應對積分作用加以限制，通常取Ti＝0。

（2）當｜e｜處于中等大小時，為使系統(tǒng)響應具有較小的超調，kp應取得小些。在這種情況下，Td的取值對系統(tǒng)響應的影響較大，Ti的取值要適當。

（3）當｜e｜較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，kp與Ti均應取得大些。同時，為避免系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，Td值根據(jù)｜ec｜值選擇，｜ec｜值較大時，Td取較小值。通常Td為中等大小。

2.3 模糊PID控制器的設計

根據(jù)消化池溫度控制參數(shù)自整定要求，該模糊控制器是以e和ec為輸入變量，以Δkp、Δki和Δkd為輸出變量。把消化池溫度偏差e按照數(shù)值大小分為大、中、小、04個等級，可得模糊集｛負大，負中，負小，0，正小，正中，正大｝，記為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，其模糊論域為［－3，－2，－1，0，1，2，3］。隸屬函數(shù)表達式為［3］：

在線自整定模糊控制隸屬函數(shù)應采用三角形隸屬函數(shù)和菱形隸屬函數(shù)，當誤差較大時選取較為寬胖的菱形函數(shù)作為隸屬函數(shù)，其余部分采用三角形隸屬函數(shù)。隸屬度函數(shù)曲線如圖2所示［4］。

圖2 隸屬函數(shù)曲線

3 控制系統(tǒng)的性能仿真測試

本次仿真選取系統(tǒng)模型參數(shù)k＝2.0、τ＝20.0、T＝100.0，實驗污泥消化溫度設定為35℃，模糊PID控制參數(shù)kp＝10.0、ki＝0.05、kd＝2.0。新入污泥溫度隨季節(jié)控制在10～30℃之間，期望污泥消化池溫度控制為（35±1）℃。性能仿真測試結果比較如圖3所示。

由仿真結果可知，污泥消化池溫度模糊PID控制系統(tǒng)有效提高了污泥消化溫度的穩(wěn)定性。

圖3 性能仿真測試結果比較

4 結語

將模糊控制和常規(guī)PID控制結合提高了污泥消化池溫度控制的穩(wěn)定性和精確度，為污泥厭氧消化提供了良好的溫度環(huán)境，大大提高了污泥厭氧消化的效率。

［1］張毅，王偉，唐秋萍，等.污泥中溫厭氧消化的實驗研究［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2011（1）：43～45

［2］楊詠梅，陳寧.基于MATLAB的模糊自整定PID參數(shù)控制器的設計與仿真［J］.微計算機信息，2005（24）：61～63

［3］姜丹，任有志，丁輝，等.PVC膠槽溫度模糊PID控制系統(tǒng)［J］.化工自動化及儀表，2012（6）：707～710

［4］丁煒，齊冬蓮.基于和利時系統(tǒng)的水合塔進料溫度的模糊PID控制［J］.自動化與儀器儀表，2011（1）：91～93

［5］楊益興，崔大連，周愛軍.模糊自適應PID控制器及Simulink仿真實現(xiàn)［J］.艦船電子工程，2010（4）：127～130