智能积分模糊控制在污水处理控制系统中的应用

王珍娟,孔秀琴

(1.兰州理工大学国资处,甘肃兰州730050;2.兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州730050)

智能积分模糊控制在污水处理控制系统中的应用

王珍娟1,孔秀琴2

(1.兰州理工大学国资处,甘肃兰州730050;2.兰州理工大学石油化工学院,甘肃兰州730050)

针对循环式活性污泥法(CASS)处理城镇污水控制系统中对溶解氧(DO)浓度控制的大延迟、非线性和时变的特点,设计一套基于智能积分器的模糊控制、倍福嵌入式PC、组态王软件的自动控制系统方案。从硬件配置和软件设计两方面探讨了倍福嵌入式PC在污水处理控制系统中的应用。实际运行结果表明,该系统运行稳定、可靠,达到了预期的控制要求。

智能积分;模糊控制;污水处理

在循环式活性污泥法(CASS)处理城镇污水控制系统中,溶解氧(DO)浓度决定着整个污水处理的效率以及能源的消耗[1],利用传统的模糊控制难以达到预期的控制目标。为提高污水处理的效率及降低能源消耗[2],作者采用带有智能积分环节的模糊控制方法来控制曝气电机,以控制污水中的溶解氧浓度,从而提高控制精度、降低能耗、减少系统波动[3];在此基础上,利用倍福嵌入式PC作为控制器、以组态王软件作为上位机监控系统,结合改进的模糊控制算法,构成了一个完整、高效的控制系统。

1 污水处理工艺流程

CASS流程包括:进水控制井、格栅机、除砂机、配水井、CASS池、接触池、污泥脱水间等。污水经过以上处理环节,达到标准要求就可以安全排放了。工艺流程如图1所示。

图1 污水处理工艺流程图Fig.1 Sewage treatment process

2 传统模糊控制的缺陷

传统的二维模糊控制器使用的输入量为误差e和误差的变化率△e(误差的微分),具有良好的鲁棒性和非线性的控制特性,成为在大时滞、时变参数和非线性等控制中的有效控制手段。但由于其没有积分环节,无法消除稳态余差,使其稳态输出不能很好地达到控制精度的要求。如果在传统的模糊控制中加入积分环节,在保留模糊控制优点的同时,又能提高其稳态时的准确性。

积分环节一般可分为两种:常规积分环节和智能积分环节。在二维模糊控制器中引入常规积分可以提高稳态精度,但是这种方法也有缺点。积分实际上是对误差信号的记忆功能,而常规积分控制记忆了误差及误差变化的所有信息(其中也包含了一些对控制不利的信息),对所有误差都进行无选择积分,因此这种积分控制作用针对性不强,有时甚至不符合控制系统的客观需要。由于这种积分作用只要有误差就一直进行积分,又会导致“积分饱和”,也降低了系统的灵敏度。

图2a是典型二阶系统的单位阶跃响应y(t)曲线。分析可知,在AB段和CD段,系统输出值偏离了稳态值,从图2b的误差曲线e(t)看,误差的绝对值向增大的方向变化且于B、F点达到最大值。对于这种情况,控制的目的应尽力压低超调,除采用比例控制外,要对误差进行积分从而强化控制作用,使系统尽快回到稳态值;BC段和DE段,系统误差逐渐减小,即系统在控制作用下已向稳态值变化,如按常规积分控制方式,仍然对误差进行积分,就会造成控制作用太强而出现系统回调,此时的积分作用实际上增大了系统误差。为了克服常规积分控制作用的缺点,模拟人的记忆特性及仿人智能控制方法,在(a,b)、(c,d)等区间进行积分,为控制作用及时地提供正确的附加控制量,抑制系统误差的增大,同时在(b,c)、(d,e)等区间停止积分,使系统仅在比例等控制作用的制约下,并借助于惯性向稳态过渡,这就是智能积分控制。

图2 智能积分曲线分析图Fig.2 The curves of intelligent integral analysis

3 CASS池的溶氧量控制

溶解氧浓度控制是污水生化处理过程中非常重要的环节,但由于其高度的非线性与时变性使得对其进行有效的控制非常困难。CASS池的溶氧量控制方法的选择直接关系着污水处理的精度。

3.1 控制对象及策略

城镇污水中的主要污染物为悬浮固体和溶解性的有机物,溶解性有机物的处理工艺主要有A/O、A2/ O、氧化沟、SBR、CAST、CASS池,本系统使用CASS池工艺。CASS池工艺中的关键影响因子即溶氧量,需要控制溶解氧浓度在合理的范围内。由于控制对象是一个典型的具有非线性、时变性、随机性、模糊性和非稳定性的复杂处理过程,很难用严格的数学方法对过程特性进行描述[4]。

3.2 智能积分模糊控制的实现

以CASS池的溶解氧量作为控制对象,采用带智能积分器的模糊控制方法。选择二维模糊控制器,其输入为误差e和误差的变化率△e。在对e和△e进行量化之后,按照设定好的规则对其进行积分。并将积分所得结果叠加到模糊控制器的输出上,如图3所示。

图3 引入智能积分环节的模糊控制器Fig.3 The fuzzy controller with intelligent integrator

智能积分引入的逻辑规则为[5,6]:

(1)当e·△e＞0或△e=0且e≠0时,对误差进行积分;

(2)当e·△e＜0或e=0时,不对误差积分。

这种积分环节的引入方法,可以保证不会因为积分环节的引入而对系统的动态品质产生影响,不会出现小范围的持续震荡和积分饱和现象。这样既能消除余差,同时也保证了模糊控制器自身的优点。

根据现场实际操作经验,将其模糊控制规则列于表1。

表1 模糊规则库Tab.1 The fuzzyrule base

表1是最典型的模糊规则,模糊语句为:

If e=…And△e=…Then u=…

模糊控制器的输入e和△e的模糊集均取为{NB, NM,NS,ZO,PS,PM,PB},根据污水厂的控制要求及运行经验,将e和△e的变化范围取为[-3,3],于是将e和△e的论域取为{-4,4}。误差e、误差变化率△e和输出u的隶属函数曲线如图4所示。

图4 隶属函数曲线Fig.4 The curve of membership function

4 上位机监控系统

上位机的组态采用北京亚控公司的组态王6.53版本,它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短、人机界面友好等优点。本控制系统利用组态王完成了对全厂以及各工艺环节的组态,可以方便地在各工艺环节的控制界面进行切换,并进行实时的控制及数据的读取。并通过OPC技术与现场智能设备(如控制器、智能仪表)完成数据的交换,有效提高了控制的实时效率。CASS池工艺段的上位机截图见图5。

图5 CASS池段上位机截图Fig.5 The screenshot of the PC in cisternal segment of CASS

5 结语

智能积分模糊控制系统从根本上讲是将人工智能理论和技术同控制理论与方法相结合,在未知环境下,仿效人的智能行为进行决策和控制。基于带有智能积分模糊控制的污水处理控制系统,目前已在某县投入运行,该系统运行稳定,成功解决了CASS池溶氧量余差的问题,有效提高了系统运行的效率,降低了能耗。

[1] 柏景方.污水处理技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2006:370-378.

[2] 高大文,彭永臻,王淑莹,等.污水处理智能控制的研究、应用与发展[J].中国给水排水,2002,18(6):35-39.

[3] 梅小艳,杨志,查智.污水处理中基于仿人智能的DO参数控制策略[J].重庆大学学报(自然科学版),2006,29(11):101-104.

[4] 闫媛媛.模糊控制在污水处理控制系统中的应用与研究[D].兰州:兰州理工大学,2011.

[5] 杨世勇,刘文才.具有智能积分器的模糊控制方案[J].重庆大学学报(自然科学版),2002,25(4):27-29.

[6] 赵俊红.带仿人智能积分的模糊控制器[J].广东自动化与信息工程,2005,26(1):4-6.

Application of Intelligent Integral Fuzzy Control in Control System of Sewage Treatment

WANG Zhen-juan1,KONG Xiu-qin2
(1.Stateowned Asset Department,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 2.School of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

According to the characteristics of large delay,nonlinear and time-varying of the control of concentration of dissolved oxygen(DO)in the control system of urban sewage treatment processes(CASS),we design a set of automatic control system scheme that based on fuzzy control with intelligent integrator,beckhoff embedded PC,kingview software.In this paper,we discuss the application of beckhoff embedded PC both from the hardware configuration and software design in control system of sewage treatment.By the actual operation, the results show that the system is stable and reliable,and also can achieve the expected control requirements.

intelligent integral;fuzzy control;sewage treatment

X 505 TP 273

A

1672-5425(2013)03-0075-03

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.03.020

国家自然科学基金资助项目(5126803)

2012-11-14

王珍娟(1976-),女,陕西凤翔人,工程师,主要从事电气及其自动化控制技术,E-mail:guozc@lut.cn。