基于PLC的污泥消化池溫度模糊PID控制系統設計與仿真

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定方法，其中以中溫消化最為常用。相對于污泥好氧穩定過程，污泥厭氧消化可以達到很好的穩定效果，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。試驗結果表明：厭氧消化系統穩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PID溫度控制系統，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，來實現污泥溫度自動非線性自適應調節的控制要求。

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、沼氣的產量、污泥體積的減少量和污泥性質的穩定性。本系統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、進泥歷時和每次的進泥量有關。進泥次數、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泵頻率改變。本系統通過消化池內溫度與設定值的比較以及進泥溫度與設定值的比較，經過模糊PID運算改變熱水循環泵頻率，來控制消化池內溫度。

溫度控制系統原理如圖1所示，該系統由西門子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溫度通過EM235模塊傳送至PLC，PLC負責把檢測到的數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PID控制器中的比例、積分和微分（kp、ki、kd）3個參數，達到自動優化控制的目的。

2.1 模糊PID控制器原理

圖1 消化池溫度閉環控制系統

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，經過控制器的模糊處理，自動計算出3個參數的實時修正量Δkp、Δki和Δkd，實時自動優化PID控制器中kp、ki和kd這3個參數，實現污泥溫度自動非線性自適應調節的控制要求。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參數整定原則

根據系統在受控過程中對應不同的e和ec將PID參數的整定原則歸納如下［2］：

（1）當｜e｜較大時，為使系統具有較好的跟蹤性能，應取較大的kp與較小的Td。同時，為避免系統響應出現較大的超調，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的取值對系統響應的影響較大，Ti的取值要適當。

（3）當｜e｜較小時，為使系統具有較好的穩定性能，kp與Ti均應取得大些。同時，為避免系統出現振蕩，Td值根據｜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

根據消化池溫度控制參數自整定要求，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］。隸屬函數表達式為［3］：

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

圖2 隸屬函數曲線

3 控制系統的性能仿真測試

本次仿真選取系統模型參數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kp＝10.0、ki＝0.05、kd＝2.0。新入污泥溫度隨季節控制在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控制系統有效提高了污泥消化溫度的穩定性。

圖3 性能仿真測試結果比較

4 結語

將模糊控制和常規PID控制結合提高了污泥消化池溫度控制的穩定性和精確度，為污泥厭氧消化提供了良好的溫度環境，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］.環境衛生工程，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［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［J］.艦船電子工程，2010（4）：127～130