污泥深度脱水的加药模糊控制系统设计与仿真

摘 要：介绍了污泥深度脱水控制系统的基本原理，并设计了污泥调理加药模糊控制系统算法，利用模糊专家控制技术建立控制模型对调理加药过程进行动态控制调节，实现设备按需运行，通过仿真分析验证了设计的有效性，该研究结果对于降低污泥深度脱水系统整体能耗、节省运行成本具有一定的实际意义。

关键词：污泥脱水;模糊控制;加药

0    引言

城市污水处理必然会产生污泥，很多有害物质也会残存在污泥中，所以需要对剩余污泥进行处理处置，否则会对环境造成污染。

目前污泥处理技术仍以能源干化和机械脱水为主，由于污泥干化处理的有机物含量、含水率及工艺环境存在不确定性，每批次的污泥量及泥质等各种参数都是不确定的，所以污泥调理配方及搅拌方式也不可能是一成不变的。

目前国内已有的工艺方案由于不具备自适应调节系统，往往会采用多加药剂和放大保险系数的办法，使出泥含水率达标，无法实现药剂和工艺运行按需分配，导致运营成本增加。若要保证污泥处理系统的调理工艺及配方之间实现动态平衡，就需要动态地调节调理系统中的各种参数。然而在整个工艺系统中输入参数和控制对象众多，还存在非线性、大时滞的问题，这就需要使用智能控制技术来解决。通过对每批次污泥量及泥质进行实时动态监测和自适应控制，利用模糊专家控制技术建立控制模型对调理过程进行动态控制调节，实现设备按需运行，达到降低系统整体能耗、节省运行成本的目标。

1    控制系统组成

系统由上位机采用高级语言编程开发，执行子系统由PLC与控制电机组成，通过标准的以太网通信协议实现模糊控制软件和现场PLC的通信。污泥深度脱水系统工艺流程与控制流程图如图1所示。调理系统是污泥深度脱水系统的关键环节，调理药剂需根据调理池中污泥含水率的情况进行计算，按提供泥药比例及投加顺序进行投加。调理药剂成本也占到整个系统运行成本的一半以上，因此，按需投药、降低成本，是本模糊控制系统的目标。

投药量控制方法如下：投药量以含水率控制作为主要控制手段。即在线监测和控制污泥调理过程中的含水率，在线监测进入泥量、含水率，并采样分析每批泥的泥质情况输入控制系统，在调理池中设置含水率检测反馈，通过模糊控制算法对加药量进行精确控制。

2    模糊控制算法

具体算法如下：加药量1# L和2# kg分别是加药的核心被控制变量，需要制定控制规则，下面分别对其进行模糊规则的制定。

2.1    确定输入参数

根据关键控制参数的研究成果，对于1# L和2# kg取得以下两个输入参数：

Eratio：调理池內混合液含水率与设定值的偏差;

CEratio：调理池内混合液含水率与设定值的偏差变化率。

对以上各个参数通过模糊化变换成模糊量，再根据由大量实验数据和专家经验得出的模糊知识库对模糊输入量进行模糊推理，得到相应的模糊控制量，经模糊判断将模糊控制量转化为精确控制量输出，从而实现对被控量（加药量1# L和2# kg）的控制，进而调节调理池内混合液含水率。

2.2    模糊控制器的结构选择

所谓“模糊控制器的结构选择”，就是确定模糊控制器的输入、输出变量。模糊控制器的结构对整个系统的性能有较大影响，必须根据被控对象的具体情况合理选择。对于加药量1# L和2# kg，该系统采用“二输入-单输出”二维模糊控制器，输入变量分别为Eratio和CEratio，输出变量为加药量1# L和2# kg。

2.3    模糊语言变量及论域的确定和模糊化

模糊规则是由若干语言变量构成的模糊条件语句，它们反映了人类的某种思维方式。在确定模糊变量时，首先确定其基本的语言值，再根据需要生成若干个语言子值。一般来说，一个语言变量的语言值越多，对事物的描述就越准确，可能得到的控制效果就越好。但是过细的划分会使控制规则变得复杂，实现起来更困难，因此应根据具体情况而定。对于各个输入量和输出量，其模糊子集规定为：{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（OM），正大（PB）}。

2.4    模糊控制规则的确定和模糊控制表的建立

在模糊控制系统中，模糊控制器的性能对系统的控制特性影响很大，而模糊控制器的性能在很大程度上取决于模糊控制规则的确立及其可调整性。采用经验归纳法，根据对项目实际运行经验的收集和分类，总结出对1# L和2# kg控制的各条规则，其形式为：

IF Eratio = … and IF CEratio = …， then 1# L =…

IF Eratio = … and IF CEratio = …， then 2# kg =…

根据以上的规则语句，对输入变量采用最大隶属度法进行反模糊化，经过离线计算得到每一个状态的模糊控制器输出，制成相关的控制规则。

3    模糊控制算法仿真验证

使用MATLAB9.0进行仿真实验。通过调节投药量，将污泥含水率维持在设定值，仿真结果如图2所示。仿真结果表明，模糊控制方法可以有效地稳定污泥含水率。

4    结语

模糊逻辑控制器的应用可以改善污泥脱水压榨系统，以降低运行成本;模糊控制策略可以更有效地减少药剂的投加量，得到稳定的污泥脱水效果。本文研究结果对于污水厂污泥深度脱水系统有一定的应用价值。

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收稿日期：2020-03-30

作者简介：罗隆（1976—），男，湖南邵阳人，博士，副教授，主要从事自动化控制研究和教学工作。