模糊控制在廢水處理COD中的應用★

崔繼仁 張艷麗 李建輝

(1.佳木斯大學信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯 154007； 2.佳木斯大學機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007)

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模糊控制在廢水處理COD中的應用★

崔繼仁1張艷麗2*李建輝1

(1.佳木斯大學信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯 154007； 2.佳木斯大學機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007)

針對廢水處理生化過程控制難點，介紹了控制重要的水質指標——化學需氧量(COD)參數的辦法，設計了一個二維模糊控制器，選用簡單易行的查控制表方法，實現模糊控制策略，并通過Matlab仿真，檢驗了模糊控制策略的運用效果，結果表明模糊控制策略比較理想。

廢水處理，COD，模糊控制，PLC控制，Matlab仿真

0 引言

生化需氧量和化學需氧量，亦即BOD和COD是衡量廢水處理后的水質能否達標的重要指標。在有氧條件下，降解有機物所需的耗氧量即是BOD；在酸性條件下，用強氧化劑將有機物氧化成CO2,H2O所需的耗氧量即是COD。要精確檢測COD濃度，可以使用COD濃度在線成分檢測儀。

選擇控制策略對COD的有效控制非常重要。由于對象模型不確定，用比例—積分—微分，即PID控制方法，很難達到較高的精確度[1]；對于魯棒性較強的模糊控制策略，由于其不需要對象精確的數學模型，所以在廢水處理過程化學需氧量COD的控制中，效果比較理想[2]。本文以加藥沉淀池為研究對象，采用模糊控制技術來控制加藥量，以控制排放前COD的濃度，使處理后的水質達標。

1 模糊控制器設計

為了有效地控制廢水處理生化過程，在加藥系統的控制中，使用一個二維模糊控制器，其特點是雙輸入、單輸出結構。它由模

糊化、模糊推理及解模糊三個環節組成，其輸入變量分別為COD的偏差E和偏差變化量Ec，輸出變量則為控制閥的開度U，模糊控制器結構示意圖見圖1，化學需氧量COD模糊控制原理圖如圖2所示。

模糊控制器是模糊控制系統的核心，其結構設計的合理性非常重要。模糊控制器主要包括精確量的模糊化、模糊控制規則的建立、模糊推理以及解模糊四部分內容。要實現模糊控制，控制規則的建立非常關鍵，因為其會影響控制策略的效果。由于設計的模糊控制采用查表法，所以關鍵在于構建控制規則表，然后根據控制規則和推理方法形成輸入量值與輸出量值的關系表格[3]。在控制表中，標明的是輸入論域元素與輸出論域元素的關系。可以得到模糊控制規則如表1所示。

表1 模糊控制器的控制規則

模糊控制表如表2所示。根據廢水處理加藥系統運行過程中COD參數的大量控制數據，得到輸出精確值U的模糊控制表，它是以論域元素偏差E為行，論域元素偏差變化率Ec為列，行元素與列元素的交叉點為輸出U的數據表。

表2 由規則表編輯器生成的模糊控制表

2 PLC模糊控制實現

模糊控制算法通過可編程序控制器PLC來實現。PLC中央處理單元選用S7-300 CPU315-2DP，選用的通信模塊為CP5430，配備型號為SM331的擴展模塊，即模擬量輸入模塊1只；配備型號為SM332的擴展模塊，即模擬量輸出模塊1只；配備型號為SM321的擴展模塊，即開關量輸入模塊1只；配備型號為SM322的擴展模塊，即開關量輸出模塊1只，電源模塊選用PS307/5A。

PLC用戶程序中使用了組織塊OB、功能塊FC和FB及其背景數據塊DB。CPU循環執行操作系統程序，每次循環都調用主程序OB1，它亦稱組織塊。OB1是操作系統與用戶程序的接口，決定用戶程序的結構。程序模塊還包括其他一些邏輯塊和數據塊，例如，組織塊OB20，OB21，OB22是在通信程序中的初始化模塊；發送數據的功能塊及其背景數據塊(FB9和DB9)；接收數據的功能塊及其背景數據塊(FB10和DB10)。運行模糊算法具體所用的模塊有模糊控制子程序模塊FB1及其背景數據塊DB2、計算偏差e與偏差變化率ec的功能模塊FC1、經過模糊化計算E,Ec的功能模塊FC2、依據控制規則表生成模糊控制表的功能模塊FB3及其背景數據塊DB1、解模糊計算控制輸出U的功能模塊FC4。

模糊控制算法框圖如圖3所示。

PLC程序首先執行內部初始化，然后采集各種工藝參數[4]。CPU主程序模塊，即組織塊OB1調用子程序，即功能模塊FB1，運行模糊控制算法。化學需氧量COD測量值連接到模擬量輸入模塊，作為計算時的采樣值，經過加權平均運算后，與設定的化學需氧量COD濃度值比較，首先在子程序FC1中計算出偏差e和偏差變化率ec，其次在子程序FC2中進行模糊化處理，得出E和Ec，然后在子程序FB3中，依據控制規則和模糊推理生成模糊控制表，最后由子程序FC4計算出輸出值的精確量U，這樣，加藥調節輸出量通過PROFIBUS總線發送到智能電動伺服控制器，進而對閥門開度實施調節，從而控制COD的濃度值。

3 模糊控制效果

為了觀察模糊控制系統對輸入階躍響應的反應輸出，用Matlab生成模糊控制器，建立Simulink仿真模型，如圖4所示的仿真結構圖，本系統中被控對象函數G(S)=13/s+0.01，仿真結果如圖5所示。

從總體上看，運用模糊控制策略，參數的控制精度比較高，穩定周期也比較短，基本無遲滯現象，超調也很小。

4 結語

廢水處理生化過程的重要水質指標化學需氧量COD濃度的控制，運用模糊控制策略，通過PLC控制程序完成模糊控制算法。通過Matlab仿真，檢驗模糊控制算法的魯棒性和控制精度，其效果較為理想。

[1] 徐 運,蔣蕾蕾,許丹丹，等.造紙廢水中TOC和COD的相關性研究[J].中國衛生檢驗雜志,2009(4):816-817.

[2] 馬邕文,黃明智,萬金泉,等.模糊神經模型對廢水處理過程COD的預測及控制[J].中國造紙學報,2008(4):113-118.

[3] 李偉獎.基于模糊神經網絡的A/O廢水處理控制系統的研究[D].廣州：華南理工大學碩士論文,2010.

[4] 王熙雛,張淑紅.基于PLC的廢水處理控制系統[J].自動化應用,2014(9):64-65,98.

Application of fuzzy control in wastewater treatment COD★

Cui Jiren1Zhang Yanli2*Li Jianhui1

(1.InformationandElectronicTechnologyInstituteofJiamusiUniversity，Jiamusi154007,China；2.MechanicalEngineeringInstituteofJiamusiUniversity，Jiamusi154007,China)

According to control difficulties in the wastewater biochemical process, this paper introduces a method of COD parameter that is important water quality control index. It gives a two-dimensional fuzzy controller, and uses simple method that checks control tables. It realizes fuzzy control strategy, and tests the use of fuzzy control strategy effect by Matlab simulation. The results show that the fuzzy control strategy is more ideal.

wastewater treatment, COD, fuzzy control, PLC control, Matlab simulation

1009-6825(2017)05-0152-03

2016-12-03★：黑龍江省教育廳科技研究項目(12521539)；佳木斯大學科學技術研究項目(KF2010-040)

崔繼仁(1965- )，男，副教授

張艷麗(1974- )，女，講師

X703

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