基于比例-積分-微分的全域自適應曝氣閥門調整策略

【中圖分類號】：TU992.3 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）03-40-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.010

Based on Proportion Integration Differentiation Omni-range Adaptive Aeration Valve Adjustment Strategy

PANGTao，YEChen1，LIJun2，XUBin

（1. XianyangRoadSewageTreatmentPlant，TianjinCapitalEnvironmentalProtection CroupCo.Ltd.，Tianjin3Oo382，China; 2. TianjinXibao Technology Co.Ltd.，Tianjin，China）

【Abstract】：Inorder tosolvetheproblemofpoorprecisioninadjusting theaerationvalveopeninginbiologicalponds，this paperdesigned a control system forthe aeration valve opening.By disassembling the mechanical structure of theaeration valve andanalyzing theexisting controllogic for valveopening，adeep reconstructionof the operational strategy was conducted inconjunction with data analysis.An aeration valve opening control system was established，which enhanced the levelofcontrol precision and the speed of conversion.Theoretical analysis and comparisons with test data validation showed that the system was effective and practical.

【Key words】：aeration valve； sewage treatment ;adaptive;PID control

現階段各種污水處理設備使用了種類繁多的閥門；基于行業規范和安全性要求，一些閥門只保留現場人工調整的操作方式。隨著自動化技術發展，部分節點的閥門開放遠程控制權限，具備了自動控制的硬件要求，閥門開始智能化改造。在污水處理各工藝流程中，生物處理工藝是最核心的處理階段，也是自動化改造的重點。不同種類的閥門被安裝在生物處理工藝段的速沉池、生物反應池和二沉池等不同位置，承擔著不同的功能作用。生物池好氧段曝氣閥門需要根據進水水量、數值和污水處理反應程度頻繁調節，閥門的開度也需要記錄，以往采用人工現場調節的方式調節周期長，調節效率低，調節成本高；因此對生物池曝氣閥門的自動化改造比較迫切[2]。

許多學者對閥門自動化展開了深入的研究。許秀鳳等3以閥門智能一體化控制為研究方向，詳細介紹了各種閥門驅動方式；王永兵等對智能物聯控制閥門進行了研究，詳細介紹了智能物聯控制閥門的結構組成和工作原理；吳鳳民等針對調節閥由于摩擦力、不平衡力等引起的時變、非線性特性，以AVP100閥門定位器為研究對象，根據輸出電壓及電壓變化趨勢，利用模糊控制智能權函數分別對偏差及偏差變化加權，設計了一種基于變隸屬度函數的閥門定位器模糊控制算法。

相關研究對閥門的智能化控制和驅動能力較為深入；對閥門的控制精度和調控速度的研究，尤其是針對污水處理行業的曝氣閥門的研究較少。本文提出一種基于比例-積分-微分（PID）的全域自適應曝氣閥門精確控制方法。通過拆解曝氣閥門的機械結構，解構原有低層代碼，加入閾值算法，有效減少閥門單次調節的超調周期，縮小調節誤差，提升調控效率，減少運行能源消耗。

1閥門電動執行器機械結構

執行器電動裝置應包括：專用電動機、轉矩控制機構、行程控制機構、位置指示機構手、電動切換機構、手動操作機構和控制器。電動裝置與閥門的連接型式和尺寸應符合GB/T12222—2023《多回轉閥門驅動裝置的連接》和GB/T12223—2023《部分回轉閥門驅動裝置的連接》的規定。見圖1。

閥門電動裝置對轉換精度與速度起到了決定性的作用，其傳動原理見圖2。

控制機構包括轉矩控制機構和行程控制機構。見圖3和圖4。

轉矩控制機構由曲拐、擋塊、凸輪分度盤、支板和微動開關組成，當輸出軸受到一定阻轉矩后，渦桿除旋轉外還產生軸向位移，帶動曲拐旋轉，同時使擋塊也產生一個角位移，從而迫近凸輪，使支板上抬。當輸出軸上的轉距增大到預定值時，則支板上抬直至微動開關動作，切斷電源，電機停轉，以實現對電動裝置輸出轉距的控制。

行程控制機構由減速箱內的主動小齒輪帶動計數器工作。如果計數器按閥門開或關的位置已經調整好，當計數器隨輸出軸轉到預先調整好的圈數時，凸輪將被轉動 90^° ，壓迫微動開關動作，切斷電源，電機停轉，以實現對電動裝置行程的控制。為了控制較多轉圈數的閥門，可調整凸輪轉 180^° 或 270^° ，再壓迫微動開關動作。

按照生物曝氣池空氣流量閥門現場實際使用場景，搭建仿真系統測試平臺。見圖5。

通過觸摸屏下發閥門轉動指令，測量控制信號輸出電流值得出轉動時間，同時記錄單次滿量程轉動閥門開度數據。見圖6。

在 20^°～82^° 區間內，閥門轉換時間為45s，振蕩周期為4次，穩定誤差在 1^° ，系統魯棒性較差，超調振蕩周期長導致調節速度受影響。

為了提高轉動速度，縮減轉動時間，提升轉動精度，本文設計了一套全域自適應角度控制系統。在閥門轉動過程采集轉動角度，以相鄰兩采集點斜率作為判定閾值，當達到臨界點重新下發目標角度，結合傳統PID控制方法對行程做到全域自適應控制，進而縮短振蕩周期，達到提升轉換速度和精度的目的。見圖7。

屏幕下 PC通過角度 集網采轉動角度制作

發期待 參數，并動 線方程，定方程之√Y閥門停止轉動并重新下發期待角度N達到期待角度， 閥門保持當前PID N停止轉動 是否達到停止條件 方程結論，繼續轉動

2傳統PID控制與全域自適應控制

2.1傳統PID控制方法

式中： u（t） 為控制器輸出的控制量； 為偏差信號，等于給定與輸出量之差； K_p 為積分系數，決定系統對偏差的響應速度； K_i 為積分系數，用于消除系統中的靜差； K_d 為微分系數，用于預測偏差的變化趨勢。

式（1）是PID控制器的連續時間形式。在實際應用中，控制系統通常是離散時間系統，因此還需要將式（1）轉換為離散時間形式。

式中： u（k） 為第 k 個采樣時刻的輸出值； e^（k） 和e^（k-1） 分別為當前和前一個采樣時刻的偏差值。

簡單的采用傳統PID算法經過參數調節，曲線基本符合功能需要；但因為閥門機械結構限制，導致調節的跟隨性較差。因為速度慣性，控制器下發命令至執行器接受命令并采取行動之間，被控對象已脫離原位置，導致調節超調情況伴隨運動全過程，并影響精度及轉換速度。見圖8。

為解決這一問題，引人全域自適應控制，當閥門速度變化超過閾值，控制器下發停止轉動命令并依據實時角度重新計算 u（k） 。

2.2全域自適應控制

2.2.1閾值的計算

Y=KX+B

式中： K 表示斜率。

表示閥門轉動的劇烈程度。通過閱讀閥門說明書和分析運行數據可以得出，閥門開度發生變化初始段斜率最陡， K 值為3。

分析數據，第22s曲線斜率為2.95，第23s曲線斜率急劇減少至 0.56 。通過分析閥門運行開度變化數據發現此特征為普遍規律；因此，設定

u（q）?2

式中： e（w） 與 e（w-1） 分別為相鄰兩采集點斜率。

從開始運行第2采集點開始運算，當滿足式（5），判定閥門開度變化速度發生突變，控制器下發停正命令并重新計算驅動數值，直到當前角度達到停止范圍，本次切換完成。

3實測數據分析

以西門子S7-200SMARTCPU為控制器，搭建曝氣閥門開度調整測試系統進行測試，具體操作流程：

1）打開顯示屏，設定P、I、D參數，輸入位置設定;

2）點擊啟動，等待閥門完成轉動，點擊記錄并輸出本次轉動參數。

將優化前后閥門運行開度曲線進行對比，可以發現經過閾值處理之后的總時長縮短至35s，當閥門開度第一觸發停車閾值條件后，控制器下發停止轉動命令，重新計算PID參數后閥門啟動，重啟后因位移差縮短，PID輸出力度變低。雖然轉速變低，但震蕩周期縮短至1，閥門在經過第二次停車和重啟后順利抵達預期角度并將誤差縮短至 .±0.5^° 以內。見圖9。

為了證明本文提出方法的普適性，對系統采取多角度重復性轉動試驗。本文提出方法計算值與實際波形觀測值的誤差在 1% 以內，基本滿足檢測要求。見表1。

4結論

針對傳統PID控制在城鎮污水處理廠曝氣閥門開度調節控制中的應用問題，本文提出一種全域自適應控制優化方法，在閥門調節過程中加入判定運動趨勢的閾值，對超閾值運行情況進行調節。試驗證明此方法科學有效，并且通過干預閥門調節過程，縮短超調周期、減少了調節時間、提升了調節精度。

參考文獻：

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