【中圖分類號(hào)】：TU992.3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2025）03-40-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.010

Based on Proportion Integration Differentiation Omni-range Adaptive Aeration Valve Adjustment Strategy

PANGTao，YEChen1，LIJun2，XUBin

（1. XianyangRoadSewageTreatmentPlant，TianjinCapitalEnvironmentalProtection CroupCo.Ltd.，Tianjin3Oo382，China; 2. TianjinXibao Technology Co.Ltd.，Tianjin，China）

【Abstract】：Inorder tosolvetheproblemofpoorprecisioninadjusting theaerationvalveopeninginbiologicalponds，this paperdesigned a control system forthe aeration valve opening.By disassembling the mechanical structure of theaeration valve andanalyzing theexisting controllogic for valveopening，adeep reconstructionof the operational strategy was conducted inconjunction with data analysis.An aeration valve opening control system was established，which enhanced the levelofcontrol precision and the speed of conversion.Theoretical analysis and comparisons with test data validation showed that the system was effective and practical.

【Key words】：aeration valve； sewage treatment ;adaptive;PID control

現(xiàn)階段各種污水處理設(shè)備使用了種類繁多的閥門；基于行業(yè)規(guī)范和安全性要求，一些閥門只保留現(xiàn)場(chǎng)人工調(diào)整的操作方式。隨著自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展，部分節(jié)點(diǎn)的閥門開放遠(yuǎn)程控制權(quán)限，具備了自動(dòng)控制的硬件要求，閥門開始智能化改造。在污水處理各工藝流程中，生物處理工藝是最核心的處理階段，也是自動(dòng)化改造的重點(diǎn)。不同種類的閥門被安裝在生物處理工藝段的速沉池、生物反應(yīng)池和二沉池等不同位置，承擔(dān)著不同的功能作用。生物池好氧段曝氣閥門需要根據(jù)進(jìn)水水量、數(shù)值和污水處理反應(yīng)程度頻繁調(diào)節(jié)，閥門的開度也需要記錄，以往采用人工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)的方式調(diào)節(jié)周期長(zhǎng)，調(diào)節(jié)效率低，調(diào)節(jié)成本高；因此對(duì)生物池曝氣閥門的自動(dòng)化改造比較迫切[2]。

許多學(xué)者對(duì)閥門自動(dòng)化展開了深入的研究。許秀鳳等3以閥門智能一體化控制為研究方向，詳細(xì)介紹了各種閥門驅(qū)動(dòng)方式；王永兵等對(duì)智能物聯(lián)控制閥門進(jìn)行了研究，詳細(xì)介紹了智能物聯(lián)控制閥門的結(jié)構(gòu)組成和工作原理；吳鳳民等針對(duì)調(diào)節(jié)閥由于摩擦力、不平衡力等引起的時(shí)變、非線性特性，以AVP100閥門定位器為研究對(duì)象，根據(jù)輸出電壓及電壓變化趨勢(shì)，利用模糊控制智能權(quán)函數(shù)分別對(duì)偏差及偏差變化加權(quán)，設(shè)計(jì)了一種基于變隸屬度函數(shù)的閥門定位器模糊控制算法。

相關(guān)研究對(duì)閥門的智能化控制和驅(qū)動(dòng)能力較為深入；對(duì)閥門的控制精度和調(diào)控速度的研究，尤其是針對(duì)污水處理行業(yè)的曝氣閥門的研究較少。本文提出一種基于比例-積分-微分（PID）的全域自適應(yīng)曝氣閥門精確控制方法。通過拆解曝氣閥門的機(jī)械結(jié)構(gòu)，解構(gòu)原有低層代碼，加入閾值算法，有效減少閥門單次調(diào)節(jié)的超調(diào)周期，縮小調(diào)節(jié)誤差，提升調(diào)控效率，減少運(yùn)行能源消耗。

1閥門電動(dòng)執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu)

執(zhí)行器電動(dòng)裝置應(yīng)包括：專用電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)、行程控制機(jī)構(gòu)、位置指示機(jī)構(gòu)手、電動(dòng)切換機(jī)構(gòu)、手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)和控制器。電動(dòng)裝置與閥門的連接型式和尺寸應(yīng)符合GB/T12222—2023《多回轉(zhuǎn)閥門驅(qū)動(dòng)裝置的連接》和GB/T12223—2023《部分回轉(zhuǎn)閥門驅(qū)動(dòng)裝置的連接》的規(guī)定。見圖1。

閥門電動(dòng)裝置對(duì)轉(zhuǎn)換精度與速度起到了決定性的作用，其傳動(dòng)原理見圖2。

控制機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)和行程控制機(jī)構(gòu)。見圖3和圖4。

轉(zhuǎn)矩控制機(jī)構(gòu)由曲拐、擋塊、凸輪分度盤、支板和微動(dòng)開關(guān)組成，當(dāng)輸出軸受到一定阻轉(zhuǎn)矩后，渦桿除旋轉(zhuǎn)外還產(chǎn)生軸向位移，帶動(dòng)曲拐旋轉(zhuǎn)，同時(shí)使擋塊也產(chǎn)生一個(gè)角位移，從而迫近凸輪，使支板上抬。當(dāng)輸出軸上的轉(zhuǎn)距增大到預(yù)定值時(shí)，則支板上抬直至微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，切斷電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)裝置輸出轉(zhuǎn)距的控制。

行程控制機(jī)構(gòu)由減速箱內(nèi)的主動(dòng)小齒輪帶動(dòng)計(jì)數(shù)器工作。如果計(jì)數(shù)器按閥門開或關(guān)的位置已經(jīng)調(diào)整好，當(dāng)計(jì)數(shù)器隨輸出軸轉(zhuǎn)到預(yù)先調(diào)整好的圈數(shù)時(shí)，凸輪將被轉(zhuǎn)動(dòng) 90^° ，壓迫微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，切斷電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)裝置行程的控制。為了控制較多轉(zhuǎn)圈數(shù)的閥門，可調(diào)整凸輪轉(zhuǎn) 180^° 或 270^° ，再壓迫微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作。

按照生物曝氣池空氣流量閥門現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用場(chǎng)景，搭建仿真系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。見圖5。

通過觸摸屏下發(fā)閥門轉(zhuǎn)動(dòng)指令，測(cè)量控制信號(hào)輸出電流值得出轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，同時(shí)記錄單次滿量程轉(zhuǎn)動(dòng)閥門開度數(shù)據(jù)。見圖6。

在 20^°～82^° 區(qū)間內(nèi)，閥門轉(zhuǎn)換時(shí)間為45s，振蕩周期為4次，穩(wěn)定誤差在 1^° ，系統(tǒng)魯棒性較差，超調(diào)振蕩周期長(zhǎng)導(dǎo)致調(diào)節(jié)速度受影響。

為了提高轉(zhuǎn)動(dòng)速度，縮減轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，提升轉(zhuǎn)動(dòng)精度，本文設(shè)計(jì)了一套全域自適應(yīng)角度控制系統(tǒng)。在閥門轉(zhuǎn)動(dòng)過程采集轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以相鄰兩采集點(diǎn)斜率作為判定閾值，當(dāng)達(dá)到臨界點(diǎn)重新下發(fā)目標(biāo)角度，結(jié)合傳統(tǒng)PID控制方法對(duì)行程做到全域自適應(yīng)控制，進(jìn)而縮短振蕩周期，達(dá)到提升轉(zhuǎn)換速度和精度的目的。見圖7。

屏幕下 PC通過角度 集網(wǎng)采轉(zhuǎn)動(dòng)角度制作

發(fā)期待 參數(shù)，并動(dòng) 線方程，定方程之√Y閥門停止轉(zhuǎn)動(dòng)并重新下發(fā)期待角度N達(dá)到期待角度， 閥門保持當(dāng)前PID N停止轉(zhuǎn)動(dòng) 是否達(dá)到停止條件 方程結(jié)論，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)

2傳統(tǒng)PID控制與全域自適應(yīng)控制

2.1傳統(tǒng)PID控制方法

式中： u（t） 為控制器輸出的控制量； 為偏差信號(hào)，等于給定與輸出量之差； K_p 為積分系數(shù)，決定系統(tǒng)對(duì)偏差的響應(yīng)速度； K_i 為積分系數(shù)，用于消除系統(tǒng)中的靜差； K_d 為微分系數(shù)，用于預(yù)測(cè)偏差的變化趨勢(shì)。

式（1）是PID控制器的連續(xù)時(shí)間形式。在實(shí)際應(yīng)用中，控制系統(tǒng)通常是離散時(shí)間系統(tǒng)，因此還需要將式（1）轉(zhuǎn)換為離散時(shí)間形式。

式中： u（k） 為第 k 個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值； e^（k） 和e^（k-1） 分別為當(dāng)前和前一個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值。

簡(jiǎn)單的采用傳統(tǒng)PID算法經(jīng)過參數(shù)調(diào)節(jié)，曲線基本符合功能需要；但因?yàn)殚y門機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)致調(diào)節(jié)的跟隨性較差。因?yàn)樗俣葢T性，控制器下發(fā)命令至執(zhí)行器接受命令并采取行動(dòng)之間，被控對(duì)象已脫離原位置，導(dǎo)致調(diào)節(jié)超調(diào)情況伴隨運(yùn)動(dòng)全過程，并影響精度及轉(zhuǎn)換速度。見圖8。

為解決這一問題，引人全域自適應(yīng)控制，當(dāng)閥門速度變化超過閾值，控制器下發(fā)停止轉(zhuǎn)動(dòng)命令并依據(jù)實(shí)時(shí)角度重新計(jì)算 u（k） 。

2.2全域自適應(yīng)控制

2.2.1閾值的計(jì)算

Y=KX+B

式中： K 表示斜率。

表示閥門轉(zhuǎn)動(dòng)的劇烈程度。通過閱讀閥門說明書和分析運(yùn)行數(shù)據(jù)可以得出，閥門開度發(fā)生變化初始段斜率最陡， K 值為3。

分析數(shù)據(jù)，第22s曲線斜率為2.95，第23s曲線斜率急劇減少至 0.56 。通過分析閥門運(yùn)行開度變化數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)此特征為普遍規(guī)律；因此，設(shè)定

u（q）?2

式中： e（w） 與 e（w-1） 分別為相鄰兩采集點(diǎn)斜率。

從開始運(yùn)行第2采集點(diǎn)開始運(yùn)算，當(dāng)滿足式（5），判定閥門開度變化速度發(fā)生突變，控制器下發(fā)停正命令并重新計(jì)算驅(qū)動(dòng)數(shù)值，直到當(dāng)前角度達(dá)到停止范圍，本次切換完成。

3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

以西門子S7-200SMARTCPU為控制器，搭建曝氣閥門開度調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，具體操作流程：

1）打開顯示屏，設(shè)定P、I、D參數(shù)，輸入位置設(shè)定;

2）點(diǎn)擊啟動(dòng)，等待閥門完成轉(zhuǎn)動(dòng)，點(diǎn)擊記錄并輸出本次轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)。

將優(yōu)化前后閥門運(yùn)行開度曲線進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過閾值處理之后的總時(shí)長(zhǎng)縮短至35s，當(dāng)閥門開度第一觸發(fā)停車閾值條件后，控制器下發(fā)停止轉(zhuǎn)動(dòng)命令，重新計(jì)算PID參數(shù)后閥門啟動(dòng)，重啟后因位移差縮短，PID輸出力度變低。雖然轉(zhuǎn)速變低，但震蕩周期縮短至1，閥門在經(jīng)過第二次停車和重啟后順利抵達(dá)預(yù)期角度并將誤差縮短至 .±0.5^° 以內(nèi)。見圖9。

為了證明本文提出方法的普適性，對(duì)系統(tǒng)采取多角度重復(fù)性轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)。本文提出方法計(jì)算值與實(shí)際波形觀測(cè)值的誤差在 1% 以內(nèi)，基本滿足檢測(cè)要求。見表1。

4結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)PID控制在城鎮(zhèn)污水處理廠曝氣閥門開度調(diào)節(jié)控制中的應(yīng)用問題，本文提出一種全域自適應(yīng)控制優(yōu)化方法，在閥門調(diào)節(jié)過程中加入判定運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的閾值，對(duì)超閾值運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)證明此方法科學(xué)有效，并且通過干預(yù)閥門調(diào)節(jié)過程，縮短超調(diào)周期、減少了調(diào)節(jié)時(shí)間、提升了調(diào)節(jié)精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]康磊.模糊控制方法在污水處理廠曝氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)市政工程，2019，（6）： 43-45+104.

[2]高曉光，李娟，景華蕊.細(xì)格柵電氣控制系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用[J].建設(shè)科技，2012，22（4）：71-72.

[3]許秀鳳，林元文.基于智能一體化控制的電動(dòng)閥門裝置的研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2023，64（12）：119-121.

[4]王永兵，周曉朋，曹德勝.智能物聯(lián)控制閥門的方案設(shè)計(jì)[J]閥門，2023，（4）：408-410+417.

[5]吳鳳民.AVP100閥門定位器非線性特性實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2023，59（4）：13-17.

[6]丁琛.氣動(dòng)閥門控制方式在濾池控制系統(tǒng)中的比選應(yīng)用[J].流體測(cè)量與控制，2023，4（3）：57-60.

[7]市第二通用機(jī)械廠，合肥通用機(jī)械研究所.普通型閥門電動(dòng)裝置技術(shù)條件：JB/T8528—1997[S].1997.

[8]李鐵成.閥門電動(dòng)裝置的電氣控制及調(diào)整[J].安裝，2001，（5）：30-31.