基于專家PID算法的污水處理pH值中和控制策略研究＊

劉曉彤

基于專家PID算法的污水處理pH值中和控制策略研究＊

劉曉彤

（重慶大學城市科技學院 電氣信息學院，重慶 402167）

由于工業發展速度的不斷加快，環境質量逐年下降，使人們對污水處理方案的高效性更加關注。其中，污水中pH值中和控制易受到很多因素干擾，并具有不穩定、滯后等特點。傳統PID控制無法實現pH值中和控制要求，而專家PID控制能夠運用專家系統的知識庫，通過專家規則與PID參數之間的結合，使pH值能夠保持在中和點附近。仿真實驗表明，專家PID控制策略能有效地滿足污水處理系統的控制要求。

污水處理；pH值中和控制；專家規則；專家PID控制

隨著社會的進步與工業化發展，人們生活的環境得到了很大改變，工業化與智能化更加顯著，但也帶來了許多的環境污染[1]。目前，中國水資源較為短缺，水污染程度也越來越嚴重，因此污水處理控制的有效性成為了當代人們最為關注的問題之一。由于污水中含有很多混合成分，控制過程十分復雜[2]。曝氣池處理過程是影響水質處理是否有效的關鍵過程之一，其中溶解氧濃度與pH值中和過程是最為重要的影響因素，只有將水質pH值控制在有效范圍內，溶解氧濃度大小才能達到控制要求。因此，pH值控制的效果對污水處理過程具有重要作用。國內外研究學者針對pH值中和控制策略展開了各種不同的研究，其中GUSTAFSSON對pH值中和運用非線性自適應控制策略，使pH值酸堿度能夠保持在最佳狀態。而王鑫采用經典PID控制理論對pH值中和過程中的PID參數進行整定，并在整定過程中結合灰色預測與滑模控制，使pH值中和控制能夠滿足污水處理系統要求，使系統保持穩定[3]。

目前，污水處理過程最為常用的控制策略就是傳統PID控制，其結構簡單、易于操作、控制效果較好，因此在很多方面得到了較為廣泛的應用。但污水中含有很多不確定因素，導致pH值控制過程具有非線性、滯后等特征，傳統PID控制策略無法滿足其控制精度要求。而專家PID控制器則利用專家控制經驗，使pH值保持在中和狀態，使污水處理過程達到最優化。

1 曝氣池pH值中和控制過程分析

曝氣池pH值中和反應的實質就是酸性物質在水中分離出的氫離子[H+]與堿性物質在水中分離出的氫氧離子[OH－]進行相互結合，并生成水[2]，即水中pH值為7。通過實驗研究表明，經過處理的曝氣池pH值應當處于6～8之間才屬于正常水質的情況。

污水處理是一個非線性的過程，并存在大滯后反應，而pH值中和也是一個十分復雜的過程，基于物料守恒定律，pH值中和控制工藝過程可以近似為CSTR（帶攪拌釜式反應器）系統工藝模型[2]。本文設定污水呈酸性，通過控制堿性流量，確保pH值能夠達到穩定狀態。CSTR系統工藝模型如圖1所示。

圖1 CSTR系統工藝模型

圖1中，1為污水中酸流量，2為pH值中和所需投放的堿流量，即為pH值中和過程的控制量（）；1為污水中酸濃度；2為酸堿中和劑所投放的堿濃度；a為污水排放酸總濃度；b為污水排放堿總濃度；為污水處理過程池中的總容積大小。由于污水組成成分較為復雜，存在不確定性，影響因素較多，因此可忽略一些影響較小的因素，保證污水處理的有效性，縮短處理時間，使pH值中和過程能夠在有限的時間內達到穩定狀態。

通過CSTR系統可以得出，污水呈現酸性狀態的表達式為：

污水呈現堿性狀態的表達式為：

根據式（1）與式（2），pH值的動態控制模型可以表 示為：

令=a－b，則pH值中和控制模型可以化簡為：

pH值中和控制過程是在曝氣池中進行的，而曝氣池是在較為靠后的處理階段，存在傳輸滯后，因此可以將pH值中和控制模型簡化為一階慣性環節，傳輸滯后時間可用表示，曝氣池pH值中和控制的數學模型可以近似為：

2 曝氣池pH值中和過程的專家PID控制算法

2.1 曝氣池pH值中和控制系統設計

由于pH值中和過程具有非線性、隨機干擾等特點，傳統PID控制器無法保證控制效果的有效性。因此，根據pH值的偏差及偏差變化率，利用專家系統中的專家控制規則，使曝氣池pH值中和過程能夠滿足系統控制要求，保持在中和點狀態，曝氣池pH值中和過程閉環控制系統結構如圖2所示。

圖2 pH值中和控制系統結構圖

2.2 專家PID控制器設計

專家PID控制器設計可以分為2個步驟：對參數進行預整定、利用專家規則對控制器輸出端進行調整。預整定參數的實質就是預先設定好參數值，控制過程中參數值不會受到其他因素的影響而發生變化，并將預先設定好的參數運用到控制器中。如果預先設定好的值符合控制要求將會得到較好的控制效果；如果設定值不理想，則無法滿足控制過程最優化。而在專家PID控制器設計中，通過對PID各參數進行預整定，從而保證系統能夠符合控制要求。

根據現場工程師與專家的工作經驗，總結形成的專家控制規則如下[4]：當偏差（）絕對值大于偏差閾值1時，可忽略pH值偏差本身變化，只考慮輸出端狀態，并將最大值或最小值作為輸出值，調整pH值偏差大小，使系統保持穩定。當（）△（）＞0時，一種情況是偏差值會向偏差絕對值增大的方向變化，另一種情況是偏差值為一固定值。則pH值中和控制輸出可表示為（）=（－1）+1{p[（）－（－1）]+i（）+d[（）－2（－1）+（－2）]}。當偏差（）絕對值大于或無限接近閾值1時，取1＞1，即保證系統的穩定性；當偏差（）絕對值小于閾值時，取1=0，此時可忽略pH值偏差絕對值的大小，通過調整PID控制參數，使系統處于穩定狀態。

當（）△（）＜0、△（）△（－1）＞0或（）=0時，偏差絕對值逐漸減小，或者偏差為0，使系統處于平衡狀態，則輸出保持不變。

當（）△（）＜0、△（）△（－1）＜0時，偏差處于極值狀態。當偏差（）絕對值比閾值1大或者等于其值時，輸出為（）=（－1）+1pj（）；當偏差（）絕對值比閾值1小時，則輸出表示為（）=（－1）+2pj（）。其中，1為增益放大系數，即1＞1；2為抑制系數，即0＜2＜1。

當偏差（）的絕對值小于某一正實數時，調節PID控制器參數中的積分參數i大小，減小污水處理系統輸出誤差，使系統維持在穩定狀態。

3 仿真實驗研究

為了驗證專家控制規則的有效性，分別對專家PID控制算法和PID控制算法進行了仿真實驗研究。其中，被控對象參數為=1.6 s，=20，=5 s的傳遞函數，采用階躍信號（）=7，確定p，i，d的初始值分別為0.98，0.013，1.6。pH值中和控制實驗結果如圖3所示。

圖3 仿真實驗結果

由圖3可以得知，采用專家PID控制算法，pH值中和調整時間s為16.54 s，超調%為12.85%。而PID控制算法，pH值中和調整時間s為23.42 s，超調%為16.51%。通過專家系統，pH值中和過程能在很短的時間內調整到穩定狀態，而且超調量較小。

4 結論

pH值中和與溶解氧濃度是曝氣池中最為重要的控制因素，只有將pH值中和控制在有效范圍內，溶解氧濃度才能得到更好的控制，污水處理的效率才能有所提高。采用專家PID控制算法，根據現場工程師與專家的控制經驗，污水處理系統響應時間有所提高，動態性能指標較好，超調量降低。

［1］張琪.活性污泥法城市污水處理系統的建模與仿真［D］.北京：北京化工大學，2015.

［2］梅林，林偉國，莫德舉，等.基于模糊自適應PID的污水處理pH值控制系統研究［J］.儀器技術與傳感器，2008（6）：96.

［3］王鑫.基于PLC的污水處理控制系統與水質pH值的研究與設計［D］.太原：太原理工大學，2015.

［4］穆杰.工業污水處理中酸堿度調節的模糊控制［J］.科技展望，2015（1）：40-41.

X703

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.010

2095－6835（2020）08－0029－02

2018年重慶市本科高校大數據智能化類特色專業建設項目（編號：渝教高發[2018]12號）

〔編輯：張思楠〕