污水處理系統(tǒng)加藥泵模糊PID控制研究*

徐立軍，吳春艷，段 英

(新疆工業(yè)高等專科學(xué)校，烏魯木齊830091)

1 引言

目前，農(nóng)用地膜在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用非常普遍。農(nóng)用地膜屬于聚乙烯類，且絕大多數(shù)地膜均為不可降解地膜，即使是有降解處理也會(huì)用至少30年深埋地下才能消食，屬于白色污染，國(guó)家政策正在實(shí)施強(qiáng)制性回收。如果能夠把地膜全部回收再利用，將對(duì)減少白色污染起到積極作用。同時(shí)，回收的地膜經(jīng)過(guò)清洗、造粒、烘干等工藝處理，可以作為塑料制品行業(yè)的廉價(jià)原料，降低塑料制品的成本，在有的地方再生塑料已經(jīng)成為一個(gè)產(chǎn)業(yè)［1］。

回收地膜在清洗過(guò)程中需要耗費(fèi)大量清水。通過(guò)對(duì)新疆回收地膜清洗企業(yè)的調(diào)研，作者發(fā)現(xiàn)幾乎所有的此類作業(yè)使用的設(shè)備均為手動(dòng)或半自動(dòng)設(shè)備，沒(méi)有成熟的專用污水處理系統(tǒng)，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重且對(duì)周邊環(huán)境造成了污染。針對(duì)這種情況，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一套回收地膜清洗污水處理專用自動(dòng)系統(tǒng)，并在新疆優(yōu)力塑料制品有限公司進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，用自動(dòng)控制系統(tǒng)代替原有的人工控制以及繼電器控制，可以極大降低投資，減小勞動(dòng)強(qiáng)度，并可有效降低成本。設(shè)備運(yùn)行可靠，可維護(hù)性好，具有一定的靈活性，并能實(shí)現(xiàn)整個(gè)水處理系統(tǒng)的管理和監(jiān)控，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)參考文獻(xiàn)［1］。

在該污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中，混凝劑投放是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它決定了水中懸浮雜質(zhì)顆粒的聚結(jié)和顆粒成長(zhǎng)的質(zhì)量及其沉降特性，其效果好壞直接關(guān)系到處理后的水質(zhì)能否滿足工藝要求，并且關(guān)系到后續(xù)工藝及整個(gè)水處理的成本。但因混凝機(jī)理目前仍未有明確的解釋，更不存在一個(gè)統(tǒng)一精確的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)研究中也發(fā)現(xiàn)混凝的影響因素很多，有原水濁度、PH值、堿度、電導(dǎo)率、水溫、雜質(zhì)類別及混凝時(shí)間、水力條件等等。這就使得這一過(guò)程存在非線性、時(shí)滯性、模糊性等問(wèn)題。系統(tǒng)原先采用傳統(tǒng)的PID控制，但控制效果不理想，輸出量經(jīng)常會(huì)反復(fù)出現(xiàn)震蕩且調(diào)節(jié)參數(shù)難以準(zhǔn)確確定。

為了有效解決上述問(wèn)題，項(xiàng)目組嘗試使用了模糊PID控制法，以期系統(tǒng)具有更好的處理效果。

2 投藥模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由模糊控制器、輸入/輸出接口、檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。

(1)模糊控制器。是模糊控制系統(tǒng)的核心，也是該模糊系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的標(biāo)志，硬件部分由三菱FX2N-32MR構(gòu)成。

(2)輸入/輸出接口。是實(shí)現(xiàn)控制器與接收信息及發(fā)送控制指令的橋梁。輸入接口與檢測(cè)裝置連接，把檢測(cè)機(jī)構(gòu)發(fā)送的檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。輸出接口與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，將控制器輸出的控制指令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作的模擬信號(hào)。本系統(tǒng)采用FX0N-3A模塊，該模塊包括了A/D及D/A轉(zhuǎn)換功能。

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。是控制器向被控對(duì)象施加控制作用的裝置。本系統(tǒng)采用英威騰超小型變頻器。

(4)檢測(cè)裝置。采用Harch公司1720型低量程在線檢測(cè)濁度儀對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，其檢測(cè)精度完全滿足要求。

(5)計(jì)量泵。采用意大利愛(ài)米克(EMEC)CMS系列電磁計(jì)量泵。該泵可微電腦控制，具有藥桶液位偵測(cè)、報(bào)警輸出、加藥輸出自我檢測(cè)、沖程頻率及沖程長(zhǎng)度雙調(diào)整等功能，可接收電壓、電流、脈沖等信號(hào)。

圖1 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 模糊控制器的設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制器的組成及工作原理

模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖

PLC經(jīng)中斷采樣得到濁度儀檢測(cè)輸入的信號(hào)，將該數(shù)值與給定值進(jìn)行比較得到偏差e，并將e進(jìn)行微分求得偏差變化率ec。將e和ec作為PLC控制器的輸入量，將這兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行模糊化處理得出E和EC并映射到相應(yīng)的輸入論域上，得出模糊子集。根據(jù)模糊推理的合成規(guī)則做出模糊決策，得到模糊控制量U。為了對(duì)被控對(duì)象施加精確控制，再將U進(jìn)行解模糊處理，得到確定的控制變化輸出量去控制變頻器［2］。

模糊PID控制器的輸出可以表示為:

式中:kj分別表示 kp、kI和 kD。kjt為參數(shù) kP、kI和kD在不同狀態(tài)下的加權(quán)值。

參數(shù)調(diào)整規(guī)則如下:

(1)當(dāng)|e|較大時(shí)，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的kP和較小的kd，同時(shí)為了防止積分飽和，應(yīng)取ki=0;

(2)當(dāng)|e|和|ec|中等大時(shí)，為避免系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)量，應(yīng)讓kP的值較小，而kd和ki大小應(yīng)適當(dāng)，以使系統(tǒng)保持較好的響應(yīng)速度;

(3)當(dāng)|e|較小時(shí)，應(yīng)當(dāng)使kd大小適當(dāng)，若|ec|較小，kd應(yīng)當(dāng)適量大些，若|ec|較大，kd應(yīng)當(dāng)適量小些，以保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能［3］。

根據(jù)以上參數(shù)調(diào)整規(guī)則，可制定出模糊控制參數(shù)的模糊控制規(guī)則。

3.2 模糊控制器設(shè)計(jì)原理

誤差E和誤差變化率EC的模糊子集為:{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閧3，2，1，0，-1，-2，-3}。

模糊控制器的輸出ΔkP、ΔkP和ΔkD的模糊子集為{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}，對(duì)應(yīng)的論域分別為{0.3，0.2，0.1，0，-0.1，-0.2，-0.3}、{0.06，0.04，0.02，0，-0.02，-0.04，-0.06}、{3，2，1，0，-1，-2，-3}。

根據(jù)查表法進(jìn)行模糊推理運(yùn)算，根據(jù)模糊規(guī)則求出控制量從而制定模糊控制表。模糊推理語(yǔ)句形式可以表示為:If E=Aiand EC=Bithen Δkj=Ci。其中Ai、Bi、Ci分別為 E、EC和模糊控制器輸出量Δkj(j=P，I，D)的模糊子集。如表示 ΔkP的一條模糊規(guī)則為:if E=NB and EC=NB then ΔkP=PB。

在計(jì)算出每一條模糊條件語(yǔ)句的模糊關(guān)系Ri(i=1，2，…，m，其中 m 為語(yǔ)句數(shù))之后，根據(jù)語(yǔ)句之間存在的或關(guān)系，即可計(jì)算出總模糊關(guān)系，即

根據(jù)推理合成規(guī)則求出其輸出語(yǔ)言變量論語(yǔ)上的模糊集合U，即U=(E×EC)·R，將每一條模糊語(yǔ)句求出的U求并集，可得模糊子集

U=∨mi=1(E×EC)·Ri

對(duì)模糊控制輸出U進(jìn)行反模糊加權(quán)平均法求得輸出變量Δkj的精確值，得表1、表2、表3所示的模糊規(guī)則表。

表1 ΔkP整定的模糊規(guī)則表

表2 ΔkI整定的模糊規(guī)則表

表3 ΔkD整定的模糊規(guī)則表

4 系統(tǒng)仿真

模糊控制器參數(shù) e和 ec的隸屬函數(shù)分別如圖3-圖4所示。用Simulink建模如圖5所示。仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，加藥泵采用模糊自整定PID控制相對(duì)于傳統(tǒng)PID控制策略控制效果更好，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能得到了較大的改善，ts從15s降到6s左右，φ%從26.5%降為0。

5 結(jié)束語(yǔ)

仿真結(jié)果表明，模糊自適應(yīng)PID控制將模糊控制與PID控制相結(jié)合，相對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制具有更強(qiáng)的魯棒性，響應(yīng)快速，無(wú)靜差，即具備了傳統(tǒng)PID控制器具有較高控制精度的特點(diǎn)，又具備了模糊PID適應(yīng)性強(qiáng)、控制靈活的特點(diǎn)［4］，尤其適應(yīng)于污水處理這種時(shí)變、大滯后、非線性、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，在實(shí)際使用中易于實(shí)現(xiàn)。

項(xiàng)目根據(jù)污水處理系統(tǒng)中多變量輸入輸出的特點(diǎn)，根據(jù)地膜清洗污水實(shí)際情況，采用以PLC為控制器的模糊控制策略，提高了控制系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性，減少了藥耗，提高了污水處理質(zhì)量，明顯降低了每日新水補(bǔ)充用量，在節(jié)約水資源方面起到了積極效果，既符合現(xiàn)代化工廠高效生產(chǎn)的要求，又符合節(jié)能減排的環(huán)保理念，為污水處理廠實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化控制提供了較好的控制方案，具有較好的市場(chǎng)前景。

圖5 系統(tǒng)Simulink仿真建模圖

圖6 常規(guī)和模糊自整定PID控制響應(yīng)曲線

［1］ 徐立軍，段友蓮，等.基于PLC的回收地膜清洗污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)［J］.環(huán)境工程，2010，28(3):60-62.

［2］ 曾光奇.模糊控制理論與工程應(yīng)用［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2006.

［3］ 楊云飛.基于PLC的自適應(yīng)模糊-PID壓力控制系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(9-1):89-90.

［4］ 王健，張興申.污水處理系統(tǒng)溶解氧的模糊自適應(yīng)PID控制［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2010(1):39-41.