智能積分模糊控制在污水處理控制系統中的應用

王珍娟,孔秀琴

(1.蘭州理工大學國資處,甘肅蘭州730050;2.蘭州理工大學石油化工學院,甘肅蘭州730050)

智能積分模糊控制在污水處理控制系統中的應用

王珍娟1,孔秀琴2

(1.蘭州理工大學國資處,甘肅蘭州730050;2.蘭州理工大學石油化工學院,甘肅蘭州730050)

針對循環式活性污泥法(CASS)處理城鎮污水控制系統中對溶解氧(DO)濃度控制的大延遲、非線性和時變的特點,設計一套基于智能積分器的模糊控制、倍福嵌入式PC、組態王軟件的自動控制系統方案。從硬件配置和軟件設計兩方面探討了倍福嵌入式PC在污水處理控制系統中的應用。實際運行結果表明,該系統運行穩定、可靠,達到了預期的控制要求。

智能積分;模糊控制;污水處理

在循環式活性污泥法(CASS)處理城鎮污水控制系統中,溶解氧(DO)濃度決定著整個污水處理的效率以及能源的消耗[1],利用傳統的模糊控制難以達到預期的控制目標。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節的模糊控制方法來控制曝氣電機,以控制污水中的溶解氧濃度,從而提高控制精度、降低能耗、減少系統波動[3];在此基礎上,利用倍福嵌入式PC作為控制器、以組態王軟件作為上位機監控系統,結合改進的模糊控制算法,構成了一個完整、高效的控制系統。

1 污水處理工藝流程

CASS流程包括:進水控制井、格柵機、除砂機、配水井、CASS池、接觸池、污泥脫水間等。污水經過以上處理環節,達到標準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 傳統模糊控制的缺陷

傳統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,成為在大時滯、時變參數和非線性等控制中的有效控制手段。但由于其沒有積分環節,無法消除穩態余差,使其穩態輸出不能很好地達到控制精度的要求。如果在傳統的模糊控制中加入積分環節,在保留模糊控制優點的同時,又能提高其穩態時的準確性。

積分環節一般可分為兩種:常規積分環節和智能積分環節。在二維模糊控制器中引入常規積分可以提高穩態精度,但是這種方法也有缺點。積分實際上是對誤差信號的記憶功能,而常規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控制不利的信息),對所有誤差都進行無選擇積分,因此這種積分控制作用針對性不強,有時甚至不符合控制系統的客觀需要。由于這種積分作用只要有誤差就一直進行積分,又會導致“積分飽和”,也降低了系統的靈敏度。

圖2a是典型二階系統的單位階躍響應y(t)曲線。分析可知,在AB段和CD段,系統輸出值偏離了穩態值,從圖2b的誤差曲線e(t)看,誤差的絕對值向增大的方向變化且于B、F點達到最大值。對于這種情況,控制的目的應盡力壓低超調,除采用比例控制外,要對誤差進行積分從而強化控制作用,使系統盡快回到穩態值;BC段和DE段,系統誤差逐漸減小,即系統在控制作用下已向穩態值變化,如按常規積分控制方式,仍然對誤差進行積分,就會造成控制作用太強而出現系統回調,此時的積分作用實際上增大了系統誤差。為了克服常規積分控制作用的缺點,模擬人的記憶特性及仿人智能控制方法,在(a,b)、(c,d)等區間進行積分,為控制作用及時地提供正確的附加控制量,抑制系統誤差的增大,同時在(b,c)、(d,e)等區間停止積分,使系統僅在比例等控制作用的制約下,并借助于慣性向穩態過渡,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程中非常重要的環節,但由于其高度的非線性與時變性使得對其進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系著污水處理的精度。

3.1 控制對象及策略

城鎮污水中的主要污染物為懸浮固體和溶解性的有機物,溶解性有機物的處理工藝主要有A/O、A2/ O、氧化溝、SBR、CAST、CASS池,本系統使用CASS池工藝。CASS池工藝中的關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。由于控制對象是一個典型的具有非線性、時變性、隨機性、模糊性和非穩定性的復雜處理過程,很難用嚴格的數學方法對過程特性進行描述[4]。

3.2 智能積分模糊控制的實現

以CASS池的溶解氧量作為控制對象,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e和△e進行量化之后,按照設定好的規則對其進行積分。并將積分所得結果疊加到模糊控制器的輸出上,如圖3所示。

圖3 引入智能積分環節的模糊控制器Fig.3 The fuzzy controller with intelligent integrator

智能積分引入的邏輯規則為[5,6]:

(1)當e·△e＞0或△e=0且e≠0時,對誤差進行積分;

(2)當e·△e＜0或e=0時,不對誤差積分。

這種積分環節的引入方法,可以保證不會因為積分環節的引入而對系統的動態品質產生影響,不會出現小范圍的持續震蕩和積分飽和現象。這樣既能消除余差,同時也保證了模糊控制器自身的優點。

根據現場實際操作經驗,將其模糊控制規則列于表1。

表1 模糊規則庫Tab.1 The fuzzyrule base

表1是最典型的模糊規則,模糊語句為:

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},根據污水廠的控制要求及運行經驗,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的隸屬函數曲線如圖4所示。

圖4 隸屬函數曲線Fig.4 The curve of membership function

4 上位機監控系統

上位機的組態采用北京亞控公司的組態王6.53版本,它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短、人機界面友好等優點。本控制系統利用組態王完成了對全廠以及各工藝環節的組態,可以方便地在各工藝環節的控制界面進行切換,并進行實時的控制及數據的讀取。并通過OPC技術與現場智能設備(如控制器、智能儀表)完成數據的交換,有效提高了控制的實時效率。CASS池工藝段的上位機截圖見圖5。

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

5 結語

智能積分模糊控制系統從根本上講是將人工智能理論和技術同控制理論與方法相結合,在未知環境下,仿效人的智能行為進行決策和控制。基于帶有智能積分模糊控制的污水處理控制系統,目前已在某縣投入運行,該系統運行穩定,成功解決了CASS池溶氧量余差的問題,有效提高了系統運行的效率,降低了能耗。

[1] 柏景方.污水處理技術[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社, 2006:370-378.

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

[3] 梅小艷,楊志,查智.污水處理中基于仿人智能的DO參數控制策略[J].重慶大學學報(自然科學版),2006,29(11):101-104.

[4] 閆媛媛.模糊控制在污水處理控制系統中的應用與研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2011.

[5] 楊世勇,劉文才.具有智能積分器的模糊控制方案[J].重慶大學學報(自然科學版),2002,25(4):27-29.

[6] 趙俊紅.帶仿人智能積分的模糊控制器[J].廣東自動化與信息工程,2005,26(1):4-6.

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

國家自然科學基金資助項目(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化控制技術,E-mail:guozc@lut.cn。