基于PSO-BP-PID污水pH控制研究

王寧洲

(海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引言

本文通過對污水pH值控制過程的研究，采用模糊自適應(yīng)PID控制和PSO-BP優(yōu)化的PID控制器分別對其控制。將幾種控制算法分別在MATLAB/simulink下進(jìn)行編程設(shè)計(jì)及仿真，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出PSO-BP優(yōu)化的PID控制器更適合于污水pH值控制。

1 工藝流程

廢水在進(jìn)入污水處理系統(tǒng)后，需通過酸或堿的投加來調(diào)節(jié)pH值，以達(dá)到最佳反應(yīng)環(huán)境。由于車間廢水排放時間段、頻次、流量及廢水中的污染物濃度不一定，同時廢水在集水池的停留時間也較短，因此混合反應(yīng)池中廢水的pH無法固定在某個數(shù)值，或者固定在某個較小的范圍內(nèi)變動[1-5,12-14]。

2 污水pH值控制系統(tǒng)建模

實(shí)際生產(chǎn)中，廢水的pH值變化十分復(fù)雜，研究人員根據(jù)物質(zhì)守恒和化學(xué)平衡定律，提出了連續(xù)攪拌反應(yīng)池中pH動態(tài)模型，圖1是常見的酸堿中和控制模型，本章中將根據(jù)此模型進(jìn)行建模[6-11,15]。

3 控制算法仿真比較

3.1 模糊自適應(yīng)PID仿真比較

本文選用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)仿真，PID初始值預(yù)先設(shè)定kp0=5.0,kd0=5.0,ki0=0.5，經(jīng)過使用模糊控制不斷地對PID參數(shù)在線調(diào)整，最后得到仿真圖2的污水pH值中和反應(yīng)曲線。從運(yùn)行圖可得出常規(guī)PID算法超調(diào)很大，另外模糊控制雖沒有超調(diào)，但是長時處于穩(wěn)態(tài)，難到達(dá)設(shè)定值，如圖3是將圖2局部放大以后，可明顯看到模糊自適應(yīng)很早達(dá)到設(shè)定值，而PID還在振蕩接近，模糊控制只能慢慢靠近設(shè)定值。

在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，往往會有許多的干擾因素存在，如圖4、圖5，可以更明顯的看到三種控制算法應(yīng)對擾動時的各自控制響應(yīng)，模糊控制超調(diào)最大，PID相對超調(diào)雖小但到穩(wěn)態(tài)時間沒有模糊自適應(yīng)快，綜合看模糊自適應(yīng)是最佳控制方案。

3.2 三種控制算法仿真結(jié)果比較

從圖5仿真對比圖中，可以得到模糊自適應(yīng)PID控制的以下特征：

(1)模糊自適應(yīng)PID能實(shí)時調(diào)節(jié)PID參數(shù)，對一般的時變、非線性系統(tǒng)控制效果較為理想。

(2)與常規(guī)PID比較，模糊自適應(yīng)PID結(jié)合了現(xiàn)場現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)和專家知識，繼而有更好的魯棒性。

(3)運(yùn)行調(diào)試結(jié)論顯示模糊自適應(yīng)PID穩(wěn)態(tài)和超調(diào)優(yōu)于常規(guī)PID。

雖然在上述仿真圖中模糊自適應(yīng)PID控制效果已然滿足了試驗(yàn)的控制要求，但是當(dāng)被控對象非線性、時滯性較為嚴(yán)重時，模糊PID控制效果可能就無法達(dá)到要求。

3.3 PSO-BP優(yōu)化的PID控制污水pH模型仿真

圖6、圖7是PSO-BP算法與其他幾種算法的仿真對比圖，可以得出PSO-BP算法控制效果更為理想。試驗(yàn)將圖6中擾動部分進(jìn)行放大后得到圖8，可以看出PSO-BP算法的擾動超調(diào)更小，控制相對更加平穩(wěn)，性能更好。從各種控制算法的仿真圖綜合對比分析，PSO-BP算法更加適合于污水pH值控制。

4 試驗(yàn)效果對比

改造前廢水的pH值波動較大，雖滿足國家要求的排放標(biāo)準(zhǔn)，但并不能完全滿足某公司的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，如表1是對改造前、基于組態(tài)王模糊自適應(yīng)PID控制及基于組態(tài)王PSO-BP-PID控制分別在污水排放口對pH值進(jìn)行連續(xù)采樣11次污水處理控制運(yùn)行數(shù)據(jù)，每次采樣時間間隔為3 min。

表1 pH值監(jiān)測數(shù)據(jù)

從表1中改造前數(shù)據(jù)可看出，排放口的pH值基本在6～9之間，雖然符合排放要求，但波動范圍較大，最小的為6.1，最大的為8.7，控制效果并不理想，有時也會出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的控制情況。

模糊自適應(yīng)PID控制與PSO-BP-PID控制對污水pH值控制在質(zhì)量上都有一定量提升，但從表1中可看出PSO-BP-PID的污水排放口pH值波動明顯更小一些，對于污水pH值中和反應(yīng)控制的質(zhì)量更佳，符合某公司前期制定的污水排放pH值要求。

5 總結(jié)及展望

pH是檢驗(yàn)處理后的污水是否達(dá)到規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)重要控制指標(biāo)，但是在水處理中pH的獲取有滯后現(xiàn)象，所以在業(yè)內(nèi)是公認(rèn)的最難控制對象之一。如能對污水pH值自控系統(tǒng)加以改進(jìn)可提高廢水排放的達(dá)標(biāo)率，一來能降低企業(yè)在環(huán)保項(xiàng)目運(yùn)營中的風(fēng)險，二來能給企業(yè)增添更多地經(jīng)濟(jì)效益，并做到綠色可持續(xù)發(fā)展。

本系統(tǒng)測試時雖無不合格反饋，但還是發(fā)現(xiàn)偶爾水質(zhì)pH值不在6.5～7.5之間，雖滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，但控制算法還是有待完善。