青島卷煙廠含磷污水處理方案的優(yōu)化設(shè)計

任明海　滕朋霏　張文雪

摘 要：為降低工藝及生活污水的含磷量，本文通過研究含磷污水的處理工藝，對現(xiàn)有的除磷加藥方案進行了優(yōu)化設(shè)計，即在傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)加藥量的基礎(chǔ)上，加入了模糊控制，形成模糊自適應(yīng)PID調(diào)節(jié)方法，以彌補PID控制調(diào)節(jié)滯后，特別是對于非線性系統(tǒng)調(diào)節(jié)時動態(tài)性能差的缺點，并通過MATLAB仿真，達到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：含磷污水;模糊PID控制;MATLAB仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.011

0 引言

青島卷煙廠的含磷污水包括澡堂洗澡污水、制絲洗梗工藝生產(chǎn)污水、卷包刷膠缸、澡堂洗澡污水及辦公區(qū)域生活污水。含磷廢水通常含有有機磷和無機磷，這些污水如果直接排放到河水中，會造成水質(zhì)的富營養(yǎng)化，從而導(dǎo)致藻類繁殖過度，影響水生生物的生態(tài)平衡，以及水質(zhì)發(fā)臭等問題。根據(jù)國際環(huán)保要求，這些含磷污水不能直接排放，必須要進行處理，達到含磷0.5mg/l的排放要求[1]。

1 含磷污水的處理工藝

在含磷污水的處理中，一般采用化學(xué)沉淀法即通過添加絮凝劑（氯化鈣）的方法使其與含磷污水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成沉淀以達到除磷的效果。以前傳統(tǒng)的人工配制藥劑量存在費時、費力、配制比例難以保證要求，且投藥過程中產(chǎn)生的粉塵等損害工人的身體健康[2]。因此在含磷污水處理過程中，實現(xiàn)藥劑的自動投放是十分必要的。其含磷污水處理流程如圖1所示。

管道混合器實現(xiàn)混凝劑與含磷污水瞬間混合，污水通過時產(chǎn)生分流、交叉混合和反向旋流，能使藥物與污水快速均勻的混合。加藥泵用變頻器控制加藥量多少。本文著重探討含磷污水處理的優(yōu)化方案。

2 含磷污水處理方案的優(yōu)化

在含磷污水處理過程中，主要通過添加絮凝劑使含磷污水中磷與氯化鈣發(fā)生反應(yīng)凝聚成絮狀沉淀。由于含磷污水在提升過程中，水的含磷程度和水的流量在不斷的變化，所以絮凝劑的加藥量也在不斷變化，采用人工調(diào)節(jié)加藥量無法滿足任務(wù)要求，必須采用自動加藥的方式，現(xiàn)在普遍用的加藥方式為PID調(diào)節(jié)的方式，但是由于常規(guī)PID控制的動態(tài)性能差，不具有自適應(yīng)能力，調(diào)節(jié)滯后，對于時變系統(tǒng)或者是非線性的系統(tǒng)控制效果差，所以本文提出在原有PID控制方式的前提下，加入智能控制中的模糊控制的方法來控制加藥量，從而解決PID控制動態(tài)特性差的問題[3]。

2.1 模糊控制原理

1965年，L.A.Zadeh創(chuàng)立模糊集合論，經(jīng)過多年發(fā)展，模糊控制廣泛應(yīng)用于時變系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，在這些復(fù)雜的工控領(lǐng)域，傳統(tǒng)控制方法則很難實現(xiàn)。模糊控制是一種用模糊邏輯推理以及模糊集合論來進行控制的方法[4]。它以模糊控制理論、模糊推理、模糊規(guī)則與變量建立聯(lián)系，特別是在數(shù)學(xué)模型難以建立的控制系統(tǒng)，應(yīng)用模糊控制理論是一種良好的策略。模糊控制的設(shè)計分為三部分：輸入偏差的模糊化、基于模糊規(guī)則的推理、反模糊化。

以本文含磷污水循環(huán)處理系統(tǒng)為例，在原有PID控制的基礎(chǔ)上加上模糊控制，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

含磷污水循環(huán)處理系統(tǒng)控制原理的基本流程如下：

（1）模糊控制的輸入為污水達標的設(shè)定含磷值0.5mg/L與含磷污水含磷測量值的偏差e和偏差變化率。其中偏差變化率=-;

（2）將輸入的偏差進行模糊化處理，得到相應(yīng)的模糊量E、;

（3）編寫相應(yīng)的模糊規(guī)則，對輸入的模糊量進行推理;

（4）把得到的模糊結(jié)果反模糊化，輸出對原有PID控制的參數(shù)進行修正，然后傳送給PLC和變頻器控制加藥量。

2.2 系統(tǒng)模糊控制器的MATLAB設(shè)計

模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，設(shè)計模糊控制器必須按照正確的模糊控制規(guī)則，這樣才能保證模糊控制的實際意義。

輸入變量的模糊化：模糊化過程主要包括測量輸入變量，然后完成論域轉(zhuǎn)換，最后實現(xiàn)模糊化。在該設(shè)計中，含磷濃度值的變化誤差e的區(qū)間為[0，10]mg/l，誤差變化率的區(qū)間為[0，10]mg/l/S，變頻器的頻率范圍為[20，50]Hz，對應(yīng)于電流模擬量輸入為[4，20]mA。在本文中，我們規(guī)定輸入、和輸出的語言變量的論域為，變量的變化范圍為內(nèi)的連續(xù)量，然后我們令其離散化，構(gòu)成包含7個元素的集合。以輸入的含磷污水濃度值的偏差為例，其變量賦值如表1所示。

在MATLAB命令窗口中打開fruzzy編輯器，在隸屬度函數(shù)編輯器中進行偏差、和的設(shè)置，制定模糊控制規(guī)則：模糊規(guī)則的制定沒有固定方法，主要靠現(xiàn)場技術(shù)工人的經(jīng)驗和控制系統(tǒng)的特性來決定，并且在以后的運行過程中不斷地調(diào)整和優(yōu)化，以確保控制性能。隨后是模糊推理和反模糊化：模糊推理的過程是指按照我們經(jīng)驗設(shè)計的模糊控制規(guī)則，利用模糊條件語句對輸入量做模糊化處理，而反模糊化過程則是把得到的模糊量進行清晰化處理，因為執(zhí)行機構(gòu)的輸入量必須是清晰的變量。在MATLAB中，我們用Mamdani推理實現(xiàn)推理，利用最大隸屬度法（mom）進行反模糊化處理。

3 含磷污水處理系統(tǒng)的MATLAB仿真研究

3.1 被控對象數(shù)學(xué)模型的建立

在污水處理系統(tǒng)中，控制對象包括加藥泵和變頻器。但是由于污水的處理是動態(tài)時變的、非線性的，并且具有滯后性，所以無法確定精準的數(shù)學(xué)模型。為了便于MATLAB仿真，我們需做一些假設(shè)。

加藥泵電機模型可以看做是在模擬量控制信號[4-20]mA作為輸入，泵速的變化[0，96]r/min作為輸出的有延遲的一階慣性環(huán)節(jié)，變頻器可以看做是和同理變頻器的數(shù)學(xué)模型可以把PLC輸出的模擬量控制電流[4-20]mA做為輸入，輸出頻率[20-50]Hz作為輸出的有延遲的一階慣性環(huán)節(jié)。慣性其傳遞函數(shù)為：，其中K為比例系數(shù)，為了仿真需要這里設(shè)置為1。

T為時間常數(shù)，對加藥泵來說，當泵的轉(zhuǎn)速達到規(guī)定值的0.982（對應(yīng)于2%的誤差帶）時，用的時間除以4即為T。若泵的轉(zhuǎn)速從一個值達到規(guī)定值用時為5S，則T=1.25。所以加藥泵的傳遞函數(shù)近似為。對于變頻器，通常變頻器的變流時間為幾百毫秒，這里我們設(shè)T=0.5S。從而得出變頻器的傳遞函數(shù)近似為。

由于控制系統(tǒng)的滯后性，加一個延遲時間的延遲環(huán)節(jié)后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

3.2 MATLAB仿真

MATLAB中的Simulink建立的模型下圖3所示，該模型包含了傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)方式和模糊PID調(diào)節(jié)方式。

由經(jīng)驗和實驗法確定PID調(diào)節(jié)的參數(shù)（0.8，0.2，0.6），調(diào)節(jié)比例因子和量化因子得到如圖4所示曲線，其中紫紅色曲線為傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)，而黃色曲線為模糊PID調(diào)節(jié)，從圖中可以看出，加入模糊控制以后，超調(diào)量變小，調(diào)節(jié)時間變短，且曲線更加平穩(wěn)，控制效果明顯改善。

4 本章小結(jié)

本文主要介紹了卷煙企業(yè)含磷污水除磷加藥處理的方法，即在傳統(tǒng)的PID控制模式下用模糊控制方法對PID的三個參數(shù)進行調(diào)整的模糊自適應(yīng)PID方法，最后利用MATLAB仿真得出結(jié)論的可行性。

參考文獻：

[1]魏雙勤，劉媛.廢水除磷方法與原理的研究進展[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2010（10）：28-34.

[2]蔣玲.PLC控制的絮凝劑自動配制系統(tǒng)的研究[D].安徽理工大學(xué)，2007.

[3]崔東鋒.基于S7-1200PLC的加藥系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2015，34（05）：16-19.

[4]任恒妮.淺談模糊理論的廣泛應(yīng)用[J].品牌（理論月刊），2011（06）：147.

作者簡介：任明海（1990-），男，山東廣饒人，研究生，從事電氣維修工作。