CASS污水處理曝氣控制系統中模糊控制的設計與仿真

摘 要：本文根據宜賓市某污水處理廠實際工藝需求，在基于CASS工藝的污水處理曝氣過程當中，就溶解氧的改變對污水處理產生的影響，指出可將模糊控制技術應用在溶解氧濃度控制的方法。通過MATLAB仿真表明具有良好的控制效果，從而保證污水處理的有效性。

關鍵詞：CASS工藝；模糊控制；MATLAB

中圖分類號：TP273；X703 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）12-0153-04

Design and Simulation of Fuzzy Control in CASS Sewage Treatment Aeration

Control System

ZHANG Huaiyu1，YANG Sentao2

（1.Yibin Vocational and Technical College，Yibin 644003，China；2.Yibin Environmental Monitoring Center，Yibin 644000，China）

Abstract：In this paper，according to the actual process requirement of a sewage treatment plant in Yibin City，in the process of sewage treatment and aeration based on CASS process，the influence of dissolved oxygen on sewage treatment is pointed out，and the method of applying fuzzy control technology to dissolved oxygen concentration control is pointed out.Simulation by MATLAB shows that it has good control effect，thus ensuring the effectiveness of sewage treatment.

Keywords：CASS process；fussy control；MATLAB

0 引 言

宜賓市某個基于CASS工藝的污水處理廠曝氣過程中，原本為人工設定鼓風機頻率，根據目前工藝需求，就溶解氧（DO）的變化對污水處理過程產生的影響，提出將模糊控制（Fuzzy Control）應用于溶解氧濃度的智能控制。通過溶解氧濃度變化控制變頻器給定頻率，實時調整鼓風機風量，使曝氣池中溶解氧濃度維持在適當水平，從而保證污水處理的有效性，達到節約污水處理成本，提高污水處理效率的目的。

1 CASS池曝氣模糊控制方案確定

曝氣池內影響溶解氧的因素較多，如鼓風量、進水水質、溫度等，同時污水處理過程中溶解氧的改變非常緩慢，目前沒有較精確的生化過程模型，常規控制不容易取得較好的效果。因此，采用模糊控制可以更好地實現CASS池中溶解氧的控制。本課題建立的控制系統模型，將CASS池內污泥混合液中溶解氧（DO）濃度作為被控變量，鼓風機曝氣量為操縱變量。集合系統特點，可選用簡單易分析的二維模糊控制系統，其控制過程框圖如圖1所示。

本課題將原本控制系統中人為控制鼓風機頻率改進為變頻器控制鼓風機頻率，將DO儀檢測得到的溶解氧值與設定的期望值間的偏差e以及偏差的變化ec作為該模糊控制器的輸入。實際運行中由上位機或觸摸屏設定溶解氧值，再由溶解氧在線測試儀實時檢測CASS生化池中溶解氧的濃度，通過溶解氧濃度變化控制變頻器給定頻率，實時調整鼓風機風量，使曝氣池溶解氧濃度維持在適當水平，從而保證污水處理的有效性，提高污水處理效率。

2 CASS池曝氣數學模型的建立

污水處理曝氣過程是比較復雜的動態系統，建立精確數學模型比較困難，因而在建立仿真模型時可做一定假設。

假設1：在一個周期內，認為CASS池中的生物量近似不變；

假設2：在一個周期開始前，忽略不計生化池中前一周期的出水濃度與原水濃度之比；

假設3：既定的廢水，反應速率為常數；

由CASS池內溶解氧（DO）濃度平衡關系：

DO變化率=DO輸入率-DO輸出率-DO消耗率

可得：

3 CASS池曝氣溶解氧模糊控制設計

3.1 論域量化

對CASS池曝氣過程DO濃度的分析，可設定DO偏差E的連續論域是[-2 +2]，偏差變化EC的連續論域是[-0.05 0.05]。由以上分析，本系統E和控制量U的量化級數可取13，EC的量化級數可取9，即：

E量化論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，

EC量化論域{-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4}，

U量化論域{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。

3.2 模糊子集劃分

模糊子集劃分與論域的個數有一定關系，由前可求出E、U的模糊子集個數均是7，EC的模糊子集個數是5，可分別表示為：

E={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

EC={NB，NS，ZO，PS，PB}

U={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

3.3 確定隸屬函數

本系統采用梯形和三角形隸屬函數來描述各模糊變量由參數a，b確定的升半梯形函數部分為：

3.4 建立模糊控制規則

根據污水處理廠以穩定性為主的控制原則，將工作人員的經驗作為模糊控制規則的建立基礎。由鼓風機變頻器和DO濃度的變化關系，以及工作人員工程經驗，可得出模糊控制規則表，如表2。

由模糊語句決定的模糊關系Ri（i=1，2，…，35），可得出總的模糊關系矩陣R：

4 CASS池模糊控制系統仿真

在MATLAB中的模糊系統搭建完成后，可搭建相應仿真模型，如圖3。

對前面論述中曝氣過程的近似模型式（7）進行仿真。根據經驗及實驗數據，式中先后設定以下3組數據，τ是延遲時間。

（1）1/T=0.2，K/T=15；（2）1/T=0.0157，K/T=15.24；（3）1/T=0.0134，K/T=15.83。

雙擊Scope后可得出仿真結果，如圖4所示。

由圖4的仿真結果可得，當輸入為階躍信號，參數設定為1/T=0.0157，K/T=15.24，曲線能夠較迅速地達到設定值，即響應速度較快，穩態誤差在調整參數的作用下，基本可達期望值2mg/L，基本達到控制系統要求，從而驗證了該模糊控制方法適用于實際CASS池中溶解氧（DO）濃度控制。

5 結 論

針對目前CASS工藝的污水處理系統中具有的非線性、時變性和復雜性等特點，本課題提出在曝氣階段應用模糊控制策略，選擇CASS生化池曝氣過程中溶解氧（DO）濃度作為被控變量。通過MATLAB仿真表明具有較好的控制成效，初步解決了生化系統中存在非線性、遲滯性等存在的問題。

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作者簡介：張懷宇（1984-），女，四川宜賓人，教師，講師。從事過程控制、電氣自動化技術方面的研究工作。