專家控制在APMP污水厭氧處理過程中的應用

周 紅 羅 斌 王孟效

(1.艾默生網絡能源(西安)有限公司；2.博世力士樂(西安)電子傳動與控制有限公司；3.陜西科技大學電氣與信息工程學院)

專家控制在APMP污水厭氧處理過程中的應用

周 紅1羅 斌2王孟效3

(1.艾默生網絡能源(西安)有限公司；2.博世力士樂(西安)電子傳動與控制有限公司；3.陜西科技大學電氣與信息工程學院)

針對污水厭氧處理過程中pH值控制存在嚴重的非線性和時滯特性，提出了一種將專家控制、PID控制和串級控制相結合的控制方案。仿真和實際應用效果證明了該方案的正確性和可行性。

專家控制 污水處理 APMP pH值

采用厭氧-好氧相結合的工藝來處理APMP(堿性過氧化氫機械漿)高得率制漿污水是最有效的方法之一。在污水的厭氧處理過程中，厭氧反應器中污水pH值扮演了一個非常重要的角色，直接決定了厭氧處理的效果[1]。然而對pH值進行控制絕非易事，因為pH控制對象是一個嚴重的非線性、大時滯系統，采用傳統的PID控制算法根本無法滿足控制要求[2,3]。因此，尋找一種先進的控制算法，對進入厭氧發生器的污水pH值進行控制具有積極的意義。筆者設計了一種新的APMP污水厭氧處理過程集散控制系統(DCS)。根據pH值控制對象的特性，采用PID控制、專家控制和串級控制相結合的控制方案, 根據pH值在不同區域的響應特性采用不同的控制策略。

1 厭氧處理工藝流程與控制方案

1.1 厭氧處理工藝流程

APMP污水厭氧處理過程工藝流程如圖1所示。在集水井中收集的污水經過旋轉過濾器過濾后進入初沉池，沉淀后的污水被泵到冷卻塔降溫后進入緩沖池，進行均質后泵入調制池。污水在調制池中被調制到最佳的pH值和合適的營養成分，為厭氧反應做好準備，接下來污水被泵入厭氧反應器進行厭氧消化處理。

圖1 污水厭氧處理工藝流程示意圖

厭氧處理過程實際是一種利用厭氧微生物的分解作用使污水中的有機物得以分解的方法。厭氧微生物的活性直接決定了厭氧消化的效果，厭氧微生物特別是產甲烷菌，對污水的pH值十分敏感，pH值在6.8～7.2時活性最高[4]，超出此范圍活性隨之下降，偏離范圍越大，活性越差甚至會被殺死。因此，污水在進厭氧反應器之前，必須向調制池投加HCl或NaOH來調節污水的pH值，使得進入厭氧反應器的污水pH值在6.8～7.2之間。然而pH值酸堿中和的滴定曲線是非線性的[5]。pH值在7.0附近時添加少量的中和劑就能引起pH值較大幅度的變化；pH值遠離7.0時，必須加入大量的酸堿中和劑，才能引起變化。而且在實際的調制池酸堿中和反應過程中還存在混合攪拌、測量等純滯后因素，因此，pH值控制對象是嚴重的非線性與大時滯系統，控制十分困難。

1.2 控制方案

基于S7-300可編程控制器，設計了一套污水厭氧處理過程集散控制系統，其結構示意圖如圖2所示。位于最上層的操作管理部分由兩臺工業計算機構成，一臺作為操作員站，另一臺作為工程師站。操作員站主要用來進行在線顯示、操作控制及報警指示等；工程師站主要進行參數設置、數據分析及生成報表等。過程控制部分以CPU315-2DP控制器為核心，配備兩個SM-331模擬量輸入模塊、兩個SM-332模擬量輸出模塊、4個SM-321數字量輸入模塊、3個SM-322數字量輸出模塊和一個遠程IO站ET200M，完成算法控制以及現場的數據采集處理和輸入輸出。操作管理部分和過程控制部分采用Profibus-DP網絡進行通信。

圖2 污水厭氧處理過程集散控制結構示意圖

在控制方面，程序主要包括采樣和濾波子程序，厭氧均衡池液位控制程序，厭氧冷卻塔溫度控制程序，厭氧污泥泵定時控制程序，以及厭氧調制池pH值控制程序等，采用STEP7完成下位機PLC編程軟件。上位機HMI編程軟件采用WinCC V6.0實現。

2 pH值專家控制算法與仿真

2.1 pH值控制算法

厭氧調制池的污水pH值控制原理如圖3所示，在調制池進口安裝流量計和pH值檢測儀檢測進入調制池的污水流量和pH值。為了加速中和反應，調制池混合泵把一部分污水循環泵入調制池。在污水循環管道上安裝另外一個pH值檢測儀來檢測調制池內污水的pH值。兩套加藥裝置分別向調制池投加HCl或NaOH來調節污水的pH值，兩路加藥管道上分別安裝有流量計和投料閥，用來控制加藥量。污水pH值控制算法結構框圖如圖4所示，控制系統由PID控制器、專家控制器和串級控制器組成。為了保證厭氧處理過程的最佳條件，調制池出口的污水pH值應該控制在6.8～7.2之間。在本控制算法中，根據pH值中和過程的非線性特性，按照系統的響應特性分為3個區域，在不同的區域采用不同的控制器。這3個區域分別是：區域I，6.87.5(強堿性范圍)，在這個區域對象的增益很小，添加大量的中和劑才能引起pH值較小幅度的變化，在這個區域，由于表現出嚴重的非線性和大時滯，PID控制器已經不能進行有效的調節，甚至會產生較大的超調或發生振蕩。因此，應采用專家控制器進行粗略調節，使系統迅速向穩定的方向發展(開關切向c)。為了克服由于中和液的濃度或流量發生變化引起的二次擾動，該控制算法引入了以中和液流量為控制對象的副調節回路，與pH值主調節回路組成串級控制。所以，既保證了穩態的控制精度和調節速度，又具有良好的抗干擾能力。

圖3 污水pH值控制原理

圖4 污水pH值控制算法結構框圖

2.2 專家控制器設計

專家控制器實際上是通過對現有已知條件進行分析，并結合過去的加藥經驗，推斷出實際需要的加藥量。

首先，建立基于數據庫的對象模型。采用產生式表示法表示獲取的知識，其產生式規則形式為：IFa1ANDa2AND … ANDanTHENb1,b2,…，bm。根據實際情況，選擇進水流量、進水pH值、調制池出水pH值為輸入變量，加堿量、加酸量為輸出變量。中和劑的加入量依據進水的pH值和流量、出水口的pH值等參數近似計算得出，以表格的形式存入數據庫。總結專家規則如下：

IF ΔF1(k)=0 AND 0.5<Δe0(k)<ε2AND 0<

Δe1(k)<ε1THEN ΔV1(k)=γ12，ΔV2(k)=0

IF ΔF1(k)=0 AND 0.5<Δe0(k)<ε2ANDε1<

Δe1(k) THEN ΔV1(k)=γ12，ΔV2(k)=-γ21

IF ΔF1(k)=0 AND -ε2<Δe0(k)<-0.5 AND 0<Δe1(k)<ε1THEN ΔV1(k)=0,ΔV2(k)=γ12

IF ΔF1(k)=0 AND -ε2<Δe0(k)<-0.5 ANDε1<Δe1(k) THEN ΔV1(k)=-γ21，ΔV2(k)=γ12

?

其中Δe1(k)為k時刻的入水pH值偏差；Δe0(k)為k時刻的調制池出水pH值偏差；ΔF1(k)為k時刻的入水流量與工藝設定值之間的偏差；ΔV1(k)為k時刻的加酸流量；ΔV2(k)為k時刻的加堿流量。

專家數據庫不是建立在精確的數學模型基礎之上的，專家控制器設計有自學習算法，定期更新知識庫的內容，逐步地精確加藥量。自學習算法(圖5)采用統計學習法，逐條對歷史數據庫中的記錄進行分析。如果調制池出水的pH值偏差ΔE小于工藝設定值的7%，即ΔESV·7%，則認為這條規則的加藥量不準確，需要進行修改。如果實際的pH值PV大于設定值SV的107%，即PV>SV·107%，規則庫中的加酸量V1增加一個最小增量δmin；如果不是，則規則庫中的加堿量V2增加一個最小增量δmin。就按照這種邏輯逐條分析數據庫中的記錄，刷新專家知識庫。

圖5 自學習算法

2.3 系統仿真

采用Matlab對pH值專家控制算法進行了仿真，pH中和過程的數學模型為：

(1)

其中，V為調制池容積；F為入水流量。根據實際情況，V=102m3,F=250m3/h=0.069m3/s,τ=4s。

將各參數代入式(1)，并化簡為標準形式得到：

(2)

對于串級控制回路當中的中和液流量調節過程，其對象的數學模型選用：

(3)

筆者將對單純PID下的算法、串級PID下的算法和筆者的新控制算法進行仿真對比。

由圖6可以看出，系統在受到階躍響應時發生很大的振蕩，超調量達到了40%，調節時間達到30s,穩態誤差很小；而串級PID控制算法的超調量減小為25%，也發生了振蕩，振蕩時間相對單純PID算法明顯減小；筆者的新算法階躍響應的超調量為3%，而且沒有如前面兩種控制算法那樣產生較大的振蕩，一直是很平穩地接近于穩態值，基本無穩態誤差。

圖6 階躍響應曲線

在系統的內環50s時加入50%的階躍擾動1來研究控制算法的抗擾性,仿真曲線如圖7所示。單純PID控制和串級控制受到擾動1時發生很大的振蕩，而且要經過較長的時間才能達到穩定；而筆者的新控制算法在受到二次擾動后沒有發生嚴重的振蕩，很快達到穩定。

圖7 系統的內環加50%擾動的響應曲線

在系統的外環50s時加入50%的階躍擾動2，其仿真曲線如圖8所示。在單純PID作用下系統發生很大超調；在串級PID控制作用下，系統發生極大振蕩，幾乎不能控制；筆者的新控制算法成功地抑制了系統的一次干擾，使整個系統的控制效果比較理想。

圖8 系統的外環加50%擾動的響應曲線

從以上仿真結果可以看出，筆者設計的控制算法的抗干擾能力非常好，流量控制回路作為串級控制回路的副環基本抑制了二次干擾，而專家控制系統成功地抑制了作為系統一次干擾的入水pH值波動，使整個系統的控制效果比較理想。

3 結束語

設計的專家控制方案已在某APMP污水處理廠成功應用。實際運行效果表明：當進水維持在流量為12 000m3/d，CODcr濃度為3.00g/L，BOD5的濃度為1.20g/L，SS的濃度為2.00g/L。經過該系統處理以后，CODcr濃度不大于0.10g/L，BOD5濃度不大于0.06g/L，SS濃度不大于0.10g/L，完全達到排放要求，且系統運行穩定，安全可靠。實時控制證明，該控制策略不依賴被控對象的數學模型，結構簡單、易于實現，適合對非線性和復雜反應過程進行控制，體現出較好的魯棒性。

[1] 楊洋,左劍惡,沈平,等.溫度、pH值和有機物對厭氧氨氧化污泥活性的影響[J].環境科學,2006,27(4)：691～695．

[2] Wright R A，Kravaris C．On-line Identification and Nonlinear Control of an Industrial pH Process[J].Journal of Process Control，2001，11(4)：361～374．

[3] Babuska R，Oosterholf J，Oudshoorn A，et al．Fuzzy Self-tuning PI Control of pH in Fermentation[J]．Engineering Applications of Artificial Intelligence，2002，15(1)：3～15．

[4] Bernal M P，Navarro A F，Sanchez-Monedero M A，et al.Infuence of Sewage Sludge Compost Stability and Maturity on Carbon and Nitrogen Mineralization in Soil[J].Soil Biology and Biochemistry，1998，30(3)：305～313．

[5] 龐全,楊翠容.煙堿游離反應過程的專家智能控制系統[J].化工自動化及儀表,1997,24(6):13～15.

(Continued from Page 23)

frequency was implemented; analyzing detection signal through double-frequency sine wave can meet laser’s requirements for drive signal in gas detection.

Keywordsmethane detection,TDLAS，generating circuit for driving signal, STM32

2017第二十屆中國國際工控自動化及儀器儀表(濟南)展覽會

展會時間2017年2月25～27日展會地點濟南國際會展中心

第二十屆中國國際工控自動化及儀器儀表(濟南)展覽會將啟用濟南國際會展中心六大展館，在原有工業自動化、傳感測量、儀器儀表、安防高低壓線纜的基礎上特設國際物聯網與機器人技術兩大特色展區，同時將邀請20年以來一直支持我們的品牌企業代表與大家分享他們的成功參展經驗，現場新品推薦會、新一代工業領域發展高峰論壇活動也將為展會添彩，為展商與觀眾提供一個更加全面與完善的貿易合作平臺。

承辦單位濟南金諾展覽有限公司地址濟南市二環東路3966號東環國際廣場B座1104室

電話0531-83532222傳真0531-83532333

聯系人崔德高 13465406910郵箱jinanzhanhui@sina.com

ApplicationofExpertControlinAPMPWastewaterAnaerobicTreatmentProcess

ZHOU Hong1, LUO Bin2, WANG Meng-xiao3

(1.EmersonNetworkPower(Xi′an)Co.,Ltd.; 2.BoschRexroth(Xi′an)ElectricDrivesandControlsCo.,Ltd.;3.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology)

Considering serious nonlinearity and time-delay behavior of controlling pH value in anaerobic treatment process, the control scheme of having expert control and PID control and cascade control integrated was proposed. Both simulation and application results prove effectiveness and feasibility of this method.

expert control, wastewater treatment, APMP, pH value

TH865

B

1000-3932(2017)01-0048-05

周紅(1982-)，工程師，從事電控系統設計工作，zhouhong2324@163.com。

2016-04-13，

2016-11-20)