污泥深度脫水的加藥模糊控制系統設計與仿真

2020-06-29 18:45:53羅隆

機電信息 2020年15期

摘要：介紹了污泥深度脫水控制系統的基本原理，并設計了污泥調理加藥模糊控制系統算法，利用模糊專家控制技術建立控制模型對調理加藥過程進行動態控制調節，實現設備按需運行，通過仿真分析驗證了設計的有效性，該研究結果對于降低污泥深度脫水系統整體能耗、節省運行成本具有一定的實際意義。

關鍵詞：污泥脫水;模糊控制;加藥

0? ? 引言

城市污水處理必然會產生污泥，很多有害物質也會殘存在污泥中，所以需要對剩余污泥進行處理處置，否則會對環境造成污染。

目前污泥處理技術仍以能源干化和機械脫水為主，由于污泥干化處理的有機物含量、含水率及工藝環境存在不確定性，每批次的污泥量及泥質等各種參數都是不確定的，所以污泥調理配方及攪拌方式也不可能是一成不變的。

目前國內已有的工藝方案由于不具備自適應調節系統，往往會采用多加藥劑和放大保險系數的辦法，使出泥含水率達標，無法實現藥劑和工藝運行按需分配，導致運營成本增加。若要保證污泥處理系統的調理工藝及配方之間實現動態平衡，就需要動態地調節調理系統中的各種參數。然而在整個工藝系統中輸入參數和控制對象眾多，還存在非線性、大時滯的問題，這就需要使用智能控制技術來解決。通過對每批次污泥量及泥質進行實時動態監測和自適應控制，利用模糊專家控制技術建立控制模型對調理過程進行動態控制調節，實現設備按需運行，達到降低系統整體能耗、節省運行成本的目標。

1? ? 控制系統組成

系統由上位機采用高級語言編程開發，執行子系統由PLC與控制電機組成，通過標準的以太網通信協議實現模糊控制軟件和現場PLC的通信。污泥深度脫水系統工藝流程與控制流程圖如圖1所示。調理系統是污泥深度脫水系統的關鍵環節，調理藥劑需根據調理池中污泥含水率的情況進行計算，按提供泥藥比例及投加順序進行投加。調理藥劑成本也占到整個系統運行成本的一半以上，因此，按需投藥、降低成本，是本模糊控制系統的目標。

投藥量控制方法如下：投藥量以含水率控制作為主要控制手段。即在線監測和控制污泥調理過程中的含水率，在線監測進入泥量、含水率，并采樣分析每批泥的泥質情況輸入控制系統，在調理池中設置含水率檢測反饋，通過模糊控制算法對加藥量進行精確控制。

2? ? 模糊控制算法

具體算法如下：加藥量1# L和2# kg分別是加藥的核心被控制變量，需要制定控制規則，下面分別對其進行模糊規則的制定。

2.1? ? 確定輸入參數

根據關鍵控制參數的研究成果，對于1# L和2# kg取得以下兩個輸入參數：

Eratio：調理池內混合液含水率與設定值的偏差;

CEratio：調理池內混合液含水率與設定值的偏差變化率。

對以上各個參數通過模糊化變換成模糊量，再根據由大量實驗數據和專家經驗得出的模糊知識庫對模糊輸入量進行模糊推理，得到相應的模糊控制量，經模糊判斷將模糊控制量轉化為精確控制量輸出，從而實現對被控量（加藥量1# L和2# kg）的控制，進而調節調理池內混合液含水率。

2.2? ? 模糊控制器的結構選擇

所謂“模糊控制器的結構選擇”，就是確定模糊控制器的輸入、輸出變量。模糊控制器的結構對整個系統的性能有較大影響，必須根據被控對象的具體情況合理選擇。對于加藥量1# L和2# kg，該系統采用“二輸入-單輸出”二維模糊控制器，輸入變量分別為Eratio和CEratio，輸出變量為加藥量1# L和2# kg。

2.3? ? 模糊語言變量及論域的確定和模糊化

模糊規則是由若干語言變量構成的模糊條件語句，它們反映了人類的某種思維方式。在確定模糊變量時，首先確定其基本的語言值，再根據需要生成若干個語言子值。一般來說，一個語言變量的語言值越多，對事物的描述就越準確，可能得到的控制效果就越好。但是過細的劃分會使控制規則變得復雜，實現起來更困難，因此應根據具體情況而定。對于各個輸入量和輸出量，其模糊子集規定為：{負大（NB），負中（NM），負小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（OM），正大（PB）}。

2.4? ? 模糊控制規則的確定和模糊控制表的建立

在模糊控制系統中，模糊控制器的性能對系統的控制特性影響很大，而模糊控制器的性能在很大程度上取決于模糊控制規則的確立及其可調整性。采用經驗歸納法，根據對項目實際運行經驗的收集和分類，總結出對1# L和2# kg控制的各條規則，其形式為：

IF Eratio = … and IF CEratio = …， then 1# L =…

IF Eratio = … and IF CEratio = …， then 2# kg =…

根據以上的規則語句，對輸入變量采用最大隸屬度法進行反模糊化，經過離線計算得到每一個狀態的模糊控制器輸出，制成相關的控制規則。

3? ? 模糊控制算法仿真驗證

使用MATLAB9.0進行仿真實驗。通過調節投藥量，將污泥含水率維持在設定值，仿真結果如圖2所示。仿真結果表明，模糊控制方法可以有效地穩定污泥含水率。

4? ? 結語

模糊邏輯控制器的應用可以改善污泥脫水壓榨系統，以降低運行成本;模糊控制策略可以更有效地減少藥劑的投加量，得到穩定的污泥脫水效果。本文研究結果對于污水廠污泥深度脫水系統有一定的應用價值。

[參考文獻]

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