模糊控制在污水處理中的應用探討

摘 要：本文針對在某氧化溝污水處理中應用的模糊控制技術進行詳細分析，在詳細分析模糊控制系統的結構和原理的基礎上，主要就其中關鍵技術進行分析，通過在某污水廠三期工程中的實踐應用表明，該技術方法應用效果良好。

關鍵詞：預估補償 模糊控制 污水處理

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（c）-0067-02

硝化段、反硝化段和沉淀段是在三溝式氧化溝污水處理中常見的池子的容積比例分配方式，通過特定的工藝，實現脫氮去磷，凈化污水的有效處理，是通過對于三溝中各溝的硝化-反硝化、曝氣和沉淀時間的相關組合來進行。對于這種活性污泥法的一種變型處理工藝來說，為了更好能夠解決延時曝氣的運行問題，一般是在較為低的運行負荷上運行。其中，硝化-反硝化模式和硝化模式則是污水處理的兩種運行模式，而BOD5，COD，NH3，-H等則為出水的指標參數，也就是所謂的控制對象的指標要求[1，2]。溶解氧反饋控制是工程上常用的工藝方法，在此工藝中，生物菌的硝化和硝化—反硝化反應是通過溶氧參數間接進行控制。在實際的工程中，入水參數的穩定性受到單一的溶解氧控制系統作用而表現一直良好。但是需要值得注意的是，入水的狀況在實際運行中或是運行初期往往不能始終保持穩定狀態，存在比較大的擾動性問題，為了保證良好的控制效果，這樣就應該通過工藝經驗，由相關操作人來進行修正，這樣就不可避免存在較大的人為因素影響。本文主要在三溝式氧化溝污水處理中應用模糊控制技術，以說明實際工程的應用效果。

1 控制原理

圖1為常見的一般反饋控制系統示意圖。在該反饋系統中，其中，輸出為Y（S），輸入為W（S），被控對象為Gs（S），控制器傳遞函數為GR（S），干擾作用為Gsz（S）。在圖1的結構中，當采用閉環PI的控制方法時，則應該得到

其中，Kc為比例系數；T為積分時的常數。

分析可得，系統的較大的擾動問題往往是由于遲后特性的化學指標值的影響，但是這點通過精確的數學模型就比較難以說明。模糊控制方法正是能有效解決這一問題，并不要求對于控制對象的非常精確且完整的數學模型。在人為的直觀經驗和基本控制控制規律的基礎上，建立相關模糊控制模型的控制規律，提煉加工人的自然語言和控制經驗，目的能讓微機結構接受并處理相關的控制法則，其后的決策控制都是由微控制器給出[3，4]。

在模糊控制結構圖中，設定誤差E存在于控制系統的設定值與輸出值之間，且其實是時間的系數，在求誤差變化率過程中，模糊化E和，然后進行的模糊推理是根據按照由人的經驗總結出來的語言控制規則進行。下列方式給出了控制量U的語言分檔：

在測試指標的遲延效應影響下，一般的受控對象可以表示為：，因此，在采用相關的PI控制情況下，相應的閉環特征方程可以表示為：

從上式可以看出，比較難以整定在特征方程中的純遲延項影響下的控制器參數，PI系統控制的性能會受到在較大影響下而表現出急劇惡化的情況，當采用Smith預估補償法控制時，應該增加相關的補償環節，其中，可以設定閉環傳遞函數如下：

此時，在考慮上述公式的情況下，可以看出系統能夠基本使得純遲對于系統控制品質影響得以消除，在特征方程中并沒有含有項。但是首先應該確定被控對象的數學模型的精確性，但是用精確的數學模型往往很難對于本系統進行表述，這里的控制規則表則是對于模糊控制器有效的控制方式，詳細參見表1，此表則是根據人為的控制經驗總結而得，模糊關系是由模糊控制規則所得，而模糊查詢表則是在經過相關的模糊推理以及相關的判決而進行相關總結歸納而成，這樣就可以得到模糊控制的規律。

通過研究并且可以發現，在模糊控制遲延中具有較好的魯棒性，對于相關參數變化并不敏感，但是往往相對比較大的穩態誤差容易出現；對于這種近似最優控制的PI控制來說，具有較高的控制精度，系統的動態性能由于大滯后環節而有所變差。解決了大滯后系統的有效辦法則是Smith預估控制器，但是同時還要求控制對象的模型的精確化，這樣的情況下，當出現參數變化的情況下，往往控制效果不是太好。根據上述分析，在實際的應用過程中，應該采用相關的結合的模糊控制與PI控制方法，利用一個切換裝置對被控對象來進行相關控制操作，如圖2所示，其中，誤差變化確定切換時機。

系統的誤差和誤差變化率在過渡過程中存在較大的變化率情況，這樣模糊控制作用主要是在當進水水質和量發生了較大的變化以后；系統的誤差變化率是在系統接近穩態的情況下而呈現出比較小的特點，當在誤差比較大的情況下，則往往由模糊控制轉換為PI控制；模糊控制在穩態誤差的允許范圍之內則仍然有效進行；在擾動情況影響下的系統來說，對于模糊控制來說，其誤差在擾動后依然存在，然后應該讓系統進行PI控制轉化，這樣能夠使得穩態誤差消除過后，使得系統再次回到模糊控制狀態。

2 模糊控制應用

在相關的三溝式氧化溝的控制中，為了達到工藝要求，對于三溝中的充氧量進行改變，利用對于控制轉刷電機進行間歇式和組合方式。系統中以計算機控制為核心點，進行相關的水質指標的監測工作，包括指標為溶解氧和流量的在線監測，以及還有就是BOD、COD、NH3等等方面。相關污水處理工藝要求是經過模糊控制的專家系統來完成的，而相關的對轉刷電機的組合運轉情況及定時的控制則是通過時間序列控制器所完成的，為了更好能夠符合實際需要，這里根據模糊控制的實際應用效果建有模糊控制專家系統。

一個階段長度的系統動態控制是可以根據引入模糊控制的方法獲得，在此系統中，各階段的時間是通過標準函數來進行相關控制的。硝化階段在氨氮濃度低的情況下而出現自動減少的情況，而在硝酸鹽濃度低時反硝化階段減少。同樣，電機轉刷的運行狀態亦可進行改變，使得沖氧量大小同時得以改變，這樣的情況下，硝化和反硝化反應的速率必然能夠受到影響。另外，在特定的要求下，還應該根據實際的出水標準、污水和污水處理后的特點，進行模糊控制規則的修正工作，大大增強系統的控制靈活性。

3 結語

利用本文所提出的基于模糊控制和模糊控制與優化控制相互結合的方法，使得三溝式氧化溝處理得以自動化進行，明顯使得污水處理負荷能力得以加強，使得使硝化、反硝化作用隨負荷而變化，滿足系統波動系數小的特點，使得出水更加穩定，取得明顯的控制效果，此方法在摸污水處理廠三期工程應用中，在實際運行過程中能夠取得很好的運行效果。

參考文獻

[1]高大文，彭永臻，王淑瑩，等.污水處理智能控制的研究、應用與發展[J].中國給水排水，202，18（6）.

[2]周月俠，孫懸.模糊控制污水處理中溶解氧調節的應用[J].科技資訊，2010（26）.

[3]李友善，李軍.模糊控制理論及其在過程控制中的應用[J].北京：國防工業出版社，1993.

[4]王永初.滯后過程的預估與控制[M].北京：機械工業出版社，1986.