SPR污水處理系統的智能控制

李軍生

（寶雞文理學院 陜西 寶雞 721016）

現代城市污水處理大多采用傳統的SBR工藝和CCAS工藝，其相應的處理系統均存在污水輸送管道長、處理工藝流程長、占地面積大、系統組成龐大、投入大、散發臭氣、處理后的水不能回用、運行費用高等問題；隨著我國社會經濟的不斷發展，新興工業城市規模的不斷擴大，人們對水資源的需求在不斷地擴大，城市可持續發展中的水污染和節水、居住環境的好壞已越來越成為人們關注的焦點，特別是那些產生高濁度高濃度污水的高污染企業，給城鎮人類生存環境帶來巨大的壓力，人們迫切需要一種專用于高濁度高濃度污水處理的新技術，SPR污水處理技術正是應這種實際需求，依靠化學反應、物理吸附、懸浮泥層精細過濾與流體力學分離原理的巧妙結合，可直接進行高濁度高濃度污水處理的新技術，由于SPR污水處理系統具有高效、節省、占地少、無臭氣散發、污水凈化后可再生利用等特點，使其成為解決城市水污染和節水問題的最好途徑之一；但由于SPR污水處理系統出水水質和化學藥劑用量大小是依靠紊流速度、混合時間和污水凈化罐特有的水力學結構設計，通過污水在瓷球污水凈化罐內與藥劑取得最佳混凝凈化效果來保證的，這樣，它們極易受到電機轉速、紊流速度、電網電壓波動、輸入污水濁度濃度變化、罐內壓力變化的影響，使出水水質變差，或因水中含有化學藥劑成分較大而造成二次污染，降低系統效率；為此，提出一種通過對藥筒閥門開度的模糊控制，控制流入泵前管中的化學藥劑量，達到控制出水化學需氧量COD保持恒定的效果，以保證在各種條件下出水的水質，達到合理投藥量的目的。

1 藥筒閥門開度的控制原理

SPR污水處理工藝流程為：已被送入污水池的高濁度高濃度污水經水泵泵前管道、藥筒流入處、水泵葉輪和蛇形管道以一定的流速被送入瓷球污水凈化罐內，化學藥劑通過泵前吸藥管道、高速旋轉的水泵葉輪的攪拌、蛇形反應管的紊流切割和瓷球反應罐內球面趨膚效應等途徑后得以充分的混合，使污水中處于溶解狀態的有機污染物、重金屬離子和有害的鹽類從水中析出，成為有固相界面的微小顆粒，并依靠污水凈化罐內部結構凝聚吸附，在罐體的中上部形成一個幾十厘米厚、致密的懸浮泥層，對出水進行過濾，輸出達標的處理水；對罐內的污泥處理，當罐內形成的懸浮泥層達到一定量后，依靠渦流形成的向心力、過濾水力學形成的牽引力和自身的重量，被快速引入污泥濃縮室沉降分離，當污泥濃縮室蓄滿時被定期排出。

從上面的工藝流程中可以看出，藥筒閥門開度的大小在整個污水處理過程中起著很關鍵的作用，開度過小，隨污水流入的藥量小，不足以達到化學反應所需的藥量，不能保證出水的COD指標；開度過大，隨污水流入的藥量大，造成投入浪費和二次污染；為了使閥門開度能根據流入污水的實際情況和處理的效果有合理的開度，選擇處理后水中的化學需氧量COD大小作為衡量出水水質好壞的標準，通過監測出水COD大小，控制藥筒閥門的開度及化學藥劑的流入量，使出水COD基本保持不變，從而組成了COD閉環控制系統模式；由于在SPR污水處理工藝流程中存在物理、化學、流體力學等過程[1]，使整個過程非常復雜，此對象為一個非線性、大滯后、時變不確定環節，因而，采用二維模糊控制器和傳統的PI調節器相結合，構成混合型模糊控制器的控制形式，組成無差模糊控制系統[2，5-6]，系統框圖如圖1所示。

圖1 模糊控制系統框圖Fig.1 Block diagram of fuzzy control system

系統的工作原理為：首先，通過COD在線檢測儀測定出水的COD參數與給定的COD參數進行比較，得到偏差信號e，送到積分調節器，同時，將偏差信號和一個采樣周期后該偏差的變化量ec作為模糊控制器的輸入變量，經各自的量化因子，送到二維模糊控制器進行計算、判斷與決策、非模糊化處理，經比例因子Kuf得到控制變量uf，與經過PI運算和強弱因子Kui處理的ui相加，得到藥筒閥門開度的控制變量u，實現對污水中COD的無靜差控制，提高處理后的水質。

2 模糊控制器和積分調節器的設計

2.1 模糊化處理

為了提高系統的性能，模糊控制器采用二維模糊控制器，其輸入信號分別為COD偏差信號e和偏差的變化量ec，閥門開度控制信號uf，其對應的模糊變量分別為E、EC、Uf。

模糊化處理就是將輸入變量、輸出變量、控制變量由基本論域轉換成相應的模糊論域。而基本論域一般由實際要求決定，模糊論域由經驗設定，其量化因子、比例因子及實際輸入值的計算公式為[3]：

式中，x為輸入輸出變量的實際值，a、b為其基本論域的上下限，c、d為模糊集論域的上下限，k為量化因子或比例因子。

根據SPR污水處理工藝的實際情況，通常出水COD一般要求為40 mg/L以下，本系統中出水COD要求基本穩定在30 mg/L，設偏差 e的基本論域為[-30，30]，其模糊量 E的模糊論域為[-6，6]，則模糊量化因子Ke=0.2；誤差變化率ec的基本論域為[-6，6]，模糊量EC的模糊論域為[-6，6]，則模糊量化因子 Kec=1；控制量 uf的基本論域為[-78°，78°]，其模糊量 Uf的模糊論域為[-6°，6°]，則比例因子Ku=13。為了提高穩態精度，E的模糊集取8個元素，有NO和PO之分；EC及Uf的模糊集取 7 個元素，它們是 NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、NO（負零）、ZO（零）、PO（正零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。

各變量隸屬函數的確定是由實際具體情況和設計者的經驗來選擇的，不同形狀隸屬函數所代表的控制含義不同，系統的性能不同，為使系統具有較好的穩定性，隸屬度函數均取為三角形函數，表1為COD偏差E的隸屬度列表，其他列表在此省略。

表1 模糊變量E的隸屬度表Tab.1 Membership list of fuzzy variable E

2.2 模糊控制規則

模糊控制規則建立的原則是必須保證引入模糊控制器能使系統的動態性能和靜態性能達到最佳，根據總結的實際控制經驗和實際運行情況，建立的糊控控制規則可用21條模糊條件語句來描述，具體以表2的形式來表示。

表2 模糊量Uf的模糊控制規則表Tab.2 Rule table of fuzzy variable Uf

2.3 解模糊化

根據模糊控制規則表2，運用模糊推理合成規則，可求出輸出模糊量，采用最大隸屬度法進行解模糊化計算，即可得到藥筒閥門開度控制的模糊控制量表，如表3所示。當系統進行控制時，只要知道E和EC的值，按此表所對應的數值乘上比例因子Kuf，即可得到藥筒閥門開度的實際控制量，通過對流入藥量的控制，實現最終COD的控制。

表3 模糊量Uf的模糊控制表Tab.3 Fuzzy control table of fuzzy variable Uf

2.4 PI調節器設計

為了提高系統的靜態性能和穩態準確度，系統在采用模糊控制的同時，又引入傳統的PI控制，組成了混合型模糊控制器的形式，PI調節器采用位置式數字PI算法，其參數KPI、TI按典Ⅰ系統的二階最佳系統進行設計[4]（具體過程省略），ui的變化范圍為[-12°，12°]，強弱因子 Kui=0.133 3，它與 uf相加共同完成對藥筒閥門開度的控制。

3 模糊控制的軟件設計

鑒于常規的SPR污水處理系統一般均采用PLC對系統各部分進行開關量控制，為了節省硬件資源，降低成本，根據PLC內部資源的使用狀況，在允許的條件下，可在系統硬件方面增加A/D模塊、D/A模塊、COD在線檢測儀及變送電路、藥筒電閥門進行硬件改造；也可采用PLC+單片機的模式進行控制。

在軟件方面，設計時將增加硬件初始化、軟件初始化，參數 Ke、Kec、Kuf、T、KPI、TI的預置和各變量的量化，模糊控制表及量化預置、計算、判斷等內容，其模糊控制子程序流程圖如圖2所示。

4 模糊控制仿真與結論

圖2 模糊控制子程序圖Fig.2 Subroutines diagram of fuzzy control

鑒于本設計的控制對象為電磁閥和污水凈化罐，根據它們的電磁物理過程和實際運行情況，其傳遞函數可以用2個慣性環節來等效，為了分析該模糊控制系統對輸入信號的響應情況，在MATLAB中,用FUZZY工具箱構造模糊控制器，建立了模糊控制系統仿真模型，仿真參數設置如下:電磁閥的慣性時間常數T1=0.05 s，比例系數K1=4.8；污水凈化罐的慣性時間常數T2=0.5 s，比例系數K2=0.44，采樣時間T=0.1 s，通過對出水COD的給定設置（30 mg/L）進行仿真，仿真結果如圖3所示。從仿真曲線可以看出，控制速度快，超調量小，調節時間短，系統具有良好的動態響應性能、靜態性能和較高的魯棒性。

圖3 系統仿真波形Fig.3 Simulation waveformof system

[1]馬勇，彭永臻.城市污水處理系統運行及過程控制[M].北京：科學出版社，2007.

[2]陶永華，葛蘆生，等.新型PID控制及其應用[M].北京：機械工業出版社，2001.

[3]諸靜.模糊控制與應用[M].北京：機械工業出版社，1999.

[4]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].3版.北京：機械工業出版社，2007.

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