864234561自适应模糊控制和PCC在污水处理控制系统中的应用.doc

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1、自适应模糊控制和PCC在污水处理控制系统中的应用 （兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 ， 甘肃 兰州 730050）摘要:结合当前国内城镇污水处理的现状，并针对污水处理自动控制系统中回用水的压力控制的大延迟、非线性和时变的特点，设计出一套基于自适应模糊控制、贝加莱PCC、组态王软件的城镇污水处理自动控制系统的设计方案。系统从硬件配置和软件设计两方面探讨了贝加莱PCC在污水处理控制系统中的应用。实际运行表明,该系统运行稳定、可靠、同时降低了能耗。关键词:污水处理；自适应模糊控制；贝加莱PCC；压力中图分类号:TP273文献标识码: AThe Application of Adaptive F

2、uzzy Control and PCC in the Control System of Sewage DisposalWANG Shu-dong YAN Yuan-yuan WANG Hong-bo BI Zuo-wen （College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Gansu Lanzhou 730050 China)Abstract: Combining the current situation of domestic urban sewage treatme

3、nt, and in view of the water pressure control characteristic of large delay, nonlinear and time-varying in the sewage disposal automation system, the paper proposes a set of design, based on adaptive fuzzy control, B&R PCC and Kingview. The system investigates the application of B&R PCC in the sewag

4、e treatment from system hardware configuration and software design. The actual running shows that the control system is running stable and reliable, also reducing energy consumption. Key words: The Sewage Treatment; Adaptive Fuzzy Control; B&R PCC; Pressure0 引言在国家和各级政府对污水处理重视程度的不断提高下，中国污水处理行业正在快速增长，

5、污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。由于城市废水的排放不仅是间歇和变化的，而且有机物的浓度也有很大的变化。因此，传统的控制方法不能获得较好的控制效果。如何能够有效的对污水中有机物进行处理并且做到节能高效，是污水处理过程中的重要问题。在这种情况下针对城镇污水处理的特点及控制要求，采用贝加莱PCC和组态王软件进行污水处理系统的控制，并在回用水池等控制环节进行自适应模糊控制。根据实际情况和操作经验，总结出模糊控制规则并确定了其相应控制参数【1】。同时在回用水泵房控制环节对中水回用出水压力进行模糊控制，不仅可以节省能源，还能达到满意的控制效果。1 污水处理工艺污水处理控制系统主要由进水泵房、

6、除沙池、厌氧池、加氯间、回用水泵房、滤池、贮泥回流泵房及脱水机房等组成（其工艺流程如图1所示）。污水经过净化、生物处理及加氯处后中水回用出水最后经过回用水泵房，经检测达标后中水回用。图 污水处理系统工艺流程图2 回用水控制系统设计2.1 控制系统对象及控制策略回用水泵房站的控制目标：在回用水泵房控制中水回用出水的压力，使系统能正常、稳定运行。由于控制对象的复杂性，多样性，根据回用水出水压力的不同范围调节回用水泵房三台回用水泵的启停，使回用水出水控制达到高效节能控制。本设计将选择中水回用出水压力作为控制量【4】。中水回用出水控制流程图如图2所示。图2 中水回用出水控制流程图上述控制流程中，回用水

7、泵1#、3#采用直接开启、停止的简单控制方式，回用水泵2#采用PID控制。由于回用水出水压力各阶段不同，同时污水处理系统是复杂的动态工程系统，其工艺过程无法用准确的数学模型的表示，而回用水出水压力具有滞后效应，采用传统的控制方法难以获得满意的控制效果。所以本系统采用自适应模糊控制方法实现对中水回用出水压力的自动控制。2.2 回用水压力模糊控制器的实现以回用出水压力为研究对象，采用模糊PID控制技术来控制三台回用水泵，以此来控制中水回用前的出水压力，使回用水排放过程更加高效节能【3】。以回用出水压力为研究对象针对回用水泵房的调节压力回路设计一个双输入单输出的模糊控制器。其原理是：测试回用出水压力

8、，并与以前的测试信息相比较，输入变量分别为回用出水的压力偏差和压力偏差变化量，经模糊化和模糊推理得到控制量的模糊量，经反模糊化得到其精确值，输出用来控制控制阀的开度U。由此完成一个周期，不断重复上述过程，直到回用水出水压力达到设定值。但对于回用出水压力这样的对象，很难总结出一套完整的控制经验，势必造成回用出水压力模糊控制规则比较粗糙，从而影响控制效果。因此，采用模糊自整定PID控制器，它能在回用水出水过程中自动地修改、完善、调整模糊控制规则，使控制系统的控制性能得到不断地完善和改进【6】。此控制系统的模糊自整定PID控制器原理框图如图3所示：图3 模糊自整定PID控制器原理图设计中EC和U的模

9、糊集均为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB,E的模糊集为NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB,根据污水处理工艺的要求、现场回用出水压力控制的调节经验，偏差e的范围为-2,2,偏差变化率e的变化范围为-2,2,将偏差e和偏差变化率e分别模糊化为E和EC，其论域均为-3，3。Kp, Ki和Kd的模糊论域分别为-0.4,0.4,-0.08,0.08,-0.8,0.8。模糊子集的隶属函数(x)选择三角形隶属函数，在误差大的地方模糊集分辨率低一些，则取隶属度函数曲线平缓一些，在误差小的地方模糊集分辨率高一些，则取隶属度函数曲线陡一些，如图4所示。根据经验确定E、EC、U的隶属度函数如下图

10、所示。图4 E，EC,U的隶属度函数曲线以回用出水压力为被控制量的自适应模糊控制系统是典型的双输入单输出系统模糊控制系统。其模糊控制规则形式为：IF =AND = THEN =共有35条模糊控制语句。 根据回用出水压力的不确定性，时滞性等变化特性进行分析，并通过工作人员操作经验总结出的回用出水压力与各回用水泵控制阀门之间的关系，运用模糊合成推理获得PID 参数模糊调整规则表, 如图5所示，这是回用出水压力PID 控制算法的核心。 图5 Kp, Ki, Kd的模糊控制规则表本控制系统已经应用于民勤县污水处理控制系统中,实测数据表明模糊PID参数自整定控制较常规的PID控制有更好的控制效果【5】。

11、模糊PID参数自整定控制的动态和静态特性全面改善,并且系统克服了纯滞后环节带来的影响,使系统能够有较好的控制品质,表现出良好的鲁棒性。3 上位机监控系统本控制系统组态软件采用Kingview for B&R 1.0.1版本。Kingview for B&R 1.0.1专门针对贝加莱PCC的上位机监控软件。系统通过OPC完成上位机与下位机的通信【6】。在Kingview for B&R 1.0.1监控画面中,可以实现自动控制调节中的手动/自动切换、给定值输入、参数输入等功能，使操作人员操作管理很方便。利用组态王软件可以完成监视器显示所需的现场设备监控画面。如系统状态图、硬件报警、工艺报警、模拟量

12、趋势、对比趋势、操作日志、报表输出等，可直观、动态地显示出现场各部位重要参数的变化。以回用加水泵房为例，如图6所示。图6 回用加水泵房监控系统画面结束语基于自适应模糊控制的回用水泵房的控制系统已经在民勤县污水处理厂投入使用，系统运行稳定。本文介绍了以工控机为核心的污水处理回用加水泵房自动控制系统，采用模糊控制技术实时检测回用出水压力，并采用变频调速方式控制电动阀，通过控制三台回用水泵的运行从而控制回用出水压力，具有成本低，性价比高的特点。从而提高了污水处理的效率。参考文献：1王永庆.人工智能原理及其应用.西安:西安交通大学出版社,1998.2王树东，曹爱红等. 模糊自调整PID控制在电厂锅炉水

13、处理中的应用.工业用水与废水,2005,17(06): 1006-4826.3王淑青,谭建军,刘辉,张子蓬.自适应模糊控制器在水电机组控制中的应用J.湖北工业大学学报,2005,20(6):464彭勇真.污水处理系统的在线模糊控制.哈尔滨建筑大学学报,1999,32(4）5陈平.基于积分的锅炉水位自整定模糊PID 控制.电子测量技术,2008,11，31-40.6贾剑平，徐坤刚.基于模糊自适应整定PID 的水下焊缝跟踪.上海交通大学学报,2008,11:69-72.7李友善，李军.模糊控制理论及其在过程控制中的应用.上海:上海交通大学出版社,1997.第一作者简介：王树东,(1965-)男,山东省青岛人,1988年毕业于甘肃工业大学自动控制系,现任兰州理工大学电气与信息工程学院电气教研室教授,主要从事计算机自动控制技术、智能检测技术的教学与应用研究工作.