PID控制系統在廢水處理中的應用

肖楠

（深圳市長城樓宇科技有限公司北京分公司，北京 100001）

持續推進的工業化進程使得我國經濟蓬勃發展，但也造成了日益嚴重的環境污染問題，在此背景下，工業廢水的處理成為世界各國共同關注的問題。工業廢水的處理具有非線性、延遲時間長、工藝復雜、不確定性高等特點。采用常規的PID控制方法以及無法滿足不斷提升的廢水處理控制要求。現階段，我國工業廢水處理技術已經達到甚至部分超越歐美發達國家的技術水平，然而在廢水處理智能控制方面仍然存在很多不足。因此，積極研究和運用先進的自動控制理論和方法對于提高工業廢水處理效率，減少環境污染，促進我國工業可持續發展來說意義重大，本次研究以煤制甲醇工業化生產廢水處理為研究對象，探討基于PID控制理念和算法的廢水處理系統的軟硬件設計，采用模糊PID控制算法實現廢水中溶解氧濃度的自動監控，以有效提高廢水處理效果。

1 廢水處理控制系統總體設計

本次研究的煤制甲醇廢水處理采用分散控制系統（Distributed Control System，DCS）結構如圖1所示，系統分為三級，分別是現場級、控制級和管理級。現場級設備主要包括采集、反饋數據的現場設備（如各種傳感器、測量儀表）。控制級通常指PLC控制站，用于處理數據，進行自動控制。管理級則負責監控工藝流程，進行技術遠程控制，設備主要包括上位機。本次研究的廢水處理控制系統現場級包含總變配電分控站和進水泵房控制站，相互配合負責控制曝氣沉淀池、接觸池、回用池等廢水處理設施。

2 系統硬件設計

在深入分析煤制甲醇廢水處理工藝流程的基礎上，進行硬件選型，主要設備包括三菱FX2N-4DA型PLC、變頻器、電磁閥、繼電器等，各設備主要作用和特點如下：

（1）PLC。FX2N-4DA型PLC擁有功能強大、類型豐富的指令集，采用一體化設計，抗干擾能力強，因而在工業控制領域中得到廣泛應用，在煤制甲醇廢水處理控制系統中負責對整個廢水處理過程的I/O設備進行配置以及參數化。

（2）變頻器。煤制甲醇廢水處理控制系統中變頻器的作用是控制風機、水泵等設備。當電壓超出安全范圍時，變頻器可通過控制電機轉速調節電壓，達到節能效果。該系統采用ABB通用機械變頻器ACS510系列，具有配置簡單、適用于各類負載、環保經濟等優點，可有效保障系統的穩定運行。

（3）傳感器。傳感器主要負責檢測廢水處理系統的運行參數，如流體的溫度、體積、流速等，并將檢測的數據轉換成電壓或電流信號，發送給PLC，PLC進行數據處理后，發送控制指令給現場級控制設備，實現現場控制。

（4）電磁閥。電磁閥是一種電磁執行器件，具有很高的控制精度和靈活性，在工業控制中得到了廣泛使用，煤制甲醇廢水處理控制系統選用DN32型電磁閥來開閉蒸汽。

（5）繼電器。該系統采用JQ1/8HP型繼電器控制電路通斷，屬于常用的電子元件，常與接觸器結合形成電氣控制電路。

3 控制系統軟件設計

3.1 設計思路

在做好硬件配置的基礎上設計相應的軟件系統，最終實現煤制甲醇工業廢水處理的自動化控制。本次研究以溶解氧濃度的控制為例，結合PID控制和模糊控制理論，提出自適應模糊PID控制算法。實踐中溶解氧濃度的途徑主要是控制曝氣設備，將溶解氧濃度穩定在合理范圍，通常溶為2mg/L。具體來說，可調節曝氣設備的通風量，達到調節氧化溝中溶解氧濃度的目的。曝氣設備轉速與生化池的氧氣量成正比，氧氣越多，溶解氧濃度越高，反之，溶解氧濃度越低，而曝氣設備的轉速由與其相連的電機轉速決定。因此，該控制系統的軟件設計思路是將現場采集的溶解氧濃度與目標值對比分析，然后，由上位機發送控制命令給PLC，再由PLC向變頻器發出控制指令，調整曝氣設備的轉速，從而實現溶解氧濃度的控制，具體控制目標是將溶解氧濃度控制在1.5～2.5mg/L，并實時監控溶解氧濃度。基于此，本次研究以溶解氧濃度控制為例，設計自適應模糊PID控制算法，提高溶解氧濃度控制的準確性。

3.2 PID控制原理

作為最先用于生產實踐的控制器，PID（Proportional Integral Differential）控制器至今依然在工業生產控制中發揮著重要作用。控制器由比例塊(P)、積分塊(I)和微分塊(D)組成，溶解氧濃度的控制原理見圖2。

圖2 溶解氧濃度的控制原理

控制器的輸入e(t)與輸出u(t)之間的關系可通過以下公式表示：

式中，KP表示比例系數；TD表示微分時間常數；T1表示積分時間常數。根據公式可知，PID控制基于比例、積分和微分函數和系統誤差得到控制量，從而實現控制。以溶解氧濃度控制為例，首先現場檢測溶解氧濃度，將測量值y(t)、目標值r(t)的差值e(t)作為控制器輸入變量，通過公式（1）計算得到u(t)值，將數值發送給變頻器，控制曝氣設備的通風量，從而實現溶解氧濃度的控制。

3.3 模糊控制原理

模糊控制主要包括I/O接口、執行器、被監控對象、測量設備等組件。基本原理如圖3所示。

圖3 模糊控制原理

目標值r(t)與輸出值y(t)的差值e(t)經D/A轉換后得到模糊控制器能夠識別的模糊控制量。模糊規則的計算和組成如下：模糊量數模轉換后得到模擬量，方便執行器識別，執行器將模擬量傳遞給被控對象，實現控制。

3.4 模糊PID控制原理

模糊控制器簡易、有效，在工程控制系統設計中常使用二維模糊控制器，將系統誤差作為輸入量，使其具有與傳統PID控制器類似的功能。如果靜態穩定性可忽略，則使用模糊控制器就可滿足動態特性要求。而傳統PID控制器消除穩態誤差常用積分控制，動態響應速度慢，如要求動態響應速度快，則需要將PID控制與模糊控制相結合得到自適應模糊PID控制器，有效解決傳統PID控制器穩態性能不佳的問題。

3.5 模糊PID控制器設計

不同于傳統的PID控制器，模糊PID控制器結合了PID控制器、模糊控制器的優點。本次設計的煤制甲醇廢水處理控制系統在選擇模糊控制輸入量時遵循簡單高效的原則，采用2端口輸入、3端口輸出的模式，其中輸入量分別是溶解氧濃度偏差值e、溶解氧濃度偏差值的變化率ec；三個輸出量分別是PID控制器的三個參數的變化量ΔKP、ΔKi、ΔKd。根據專家知識和實際經驗總結三個輸出量與溶解氧濃度偏差之間的關系，基于此，建立模糊控制規則表。出于保障系統運行穩定的考慮，需多次采樣得到不同時刻的e和ec的最優值，最后得到相應的模糊控制表。系統啟動并運行時，根據溶解氧偏差值調用相應模糊控制表，明確PID控制器3個參數的最佳值，并根據整定參數求得控制量，基于控制量實現溶解氧濃度的高效精準控制，模糊PID控制器原理見圖4。

圖4 溶解氧濃度模糊PID控制器

得到偏差e和ec的值后，通過模糊規則控制表找到PID控制參數，將參數代入以下公式

其中x=p,i,d，K'x(x=p,i,d)表示PID控制器的給定值，可基于實際工況，運用試湊法確定，將整定后PID參數Kx(x=p,i,d)用于計算控制輸出量，從而控制變頻器頻率，進而控制曝氣通風量，最終實現溶解氧濃度的控制。只要可以查詢模糊控制表就可以應用模糊控制算法，上位機按照一定的規則將模糊控制表依次存儲在組態軟件數據庫中，可以實時查詢模糊控制表得到輸出量，高效、快速，其程序流程如圖5所示。

圖5 溶解氧濃度模糊PID控制程序流程

4 結語

綜上所述，PID控制被廣泛應用于工業生產自動化控制，其結構簡單、魯棒性和可靠性高。但是，隨著工業自動化控制系統復雜程度的不斷提升，傳統的PID控制器難以高效控制復雜的工業生產過程，尤其存在多變量、強非線性、嚴重的不確定性的工業廢水處理控制系統，由于系統建模難度大，尋找參數最佳值是一個非常困難的問題。對此，本文提出將模糊控制與PID控制相結合以獲得更好的參數整定效果，采用模糊PID控制算法實現PID參數整定，提高廢水處理控制精度，降低廢水處理成本，實現節能。