基于模糊控制的曝氣量智能控制

禹瑋

摘? 要：文章將模糊控制引入曝氣量控制中，使用MATLAB軟件輔助設(shè)計(jì)模糊控制器，并通過Simulink仿真驗(yàn)證，使得污水處理過程中溶解氧值在工藝要求范圍內(nèi)波動(dòng)，證明了模糊控制器在曝氣量控制方面具有良好的控制效果。

關(guān)鍵詞：污水處理;曝氣量控制;模糊邏輯控制;DO值控制

中圖分類號(hào)：X703? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）26-0023-03

Abstract： In this paper， the fuzzy control is introduced into the aeration control， and the fuzzy controller is designed with the aid of MATLAB software， and verified by Simulink simulation， the dissolved oxygen value in the sewage treatment process fluctuates within the process requirements， which proves that the fuzzy controller has a good control effect in aeration control.

Keywords： sewage treatment; aeration control; fuzzy logic control; DO value control

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)，對(duì)各種污染物排放標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高，這要求污水處理廠必須對(duì)現(xiàn)有工藝與控制方法進(jìn)行改進(jìn)。活性污泥法污水處理技術(shù)是污水處理常用的一種工藝，而其中曝氣量的控制有著重要意義。曝氣量不足容易使水質(zhì)下降，達(dá)不到環(huán)保要求，而曝氣量過多，一則是使得污水硝化，水質(zhì)品質(zhì)下降，再則使得能耗增高，增加支出，經(jīng)濟(jì)效益減低。由于污水處理動(dòng)態(tài)過程復(fù)雜，一般控制方法難以達(dá)到要求。在實(shí)踐中，一般依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行曝氣量的判斷，結(jié)果是能耗較大且控制效果不穩(wěn)定。

智能控制是人們?cè)谔剿鱾鹘y(tǒng)控制方法無法有效解決的一些工程問題時(shí)所發(fā)展的若干理論。而模糊控制是智能控制中應(yīng)用較為廣泛的一種，該方法以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，將人們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)用模糊數(shù)學(xué)的方法描述，使得該方法在一些非線性的領(lǐng)域具有不錯(cuò)的控制效果。

本文將模糊控制引入曝氣量控制中，與傳統(tǒng)控制方法相比，模糊控制可以更自然有效地將人的控制策略和經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為機(jī)器可執(zhí)行的控制策略[1]。本文設(shè)計(jì)一種模糊控制器，使得污水處理過程中溶解氧值在工藝要求范圍內(nèi)波動(dòng)，證明了模糊控制器在曝氣量控制方面具有良好的控制效果。

1 曝氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在污水處理過程中，污水處理生化池中的水體生化動(dòng)態(tài)過程中，耦合了很多的擾動(dòng)因素，所以很難準(zhǔn)確測(cè)量和控制。因此，在實(shí)踐中，一般選擇將生化池出水口處的污水DO濃度維持在一個(gè)定值，在該定值下，既能促進(jìn)污水中有機(jī)污染物分解，又能夠很好保持污水中的污泥活性[2]。實(shí)踐表明，該定值為2mg/L。所以本文控制策略為控制水體中的溶解氧值，使其保持恒定，控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 曝氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型

污水處理中的生化反應(yīng)過程是多變量強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，建立其精確的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)困難。在若干合理假設(shè)后，根據(jù)溶解氧的物料平衡算式[3]：

DO濃度變化率=DO輸入率-DO輸出率-DO消耗率

根據(jù)對(duì)曝氣系統(tǒng)的分析并參考文獻(xiàn)[4]，可進(jìn)一步得到曝氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型為

1.2 鼓風(fēng)機(jī)模型

在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，曝氣機(jī)是由三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，目前三相異步電機(jī)大多采用變頻技術(shù)來驅(qū)動(dòng)，變頻器改變輸出頻率，進(jìn)而改變鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著溶解氧變化而成比例變化，轉(zhuǎn)速無級(jí)可調(diào)，可平穩(wěn)調(diào)整風(fēng)量。變頻技術(shù)的使用也帶來了節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)對(duì)實(shí)際的污水處理廠數(shù)據(jù)的分析并參考文獻(xiàn)[5]，可以得到鼓風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型為：

1.3 控制器的設(shè)計(jì)

控制器的輸出為變頻器運(yùn)行頻率，控制器的輸入可以選擇控制變量的誤差，即測(cè)量DO值與設(shè)定DO值的偏差，這樣構(gòu)造為一維模糊控制。一維模糊控制雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是控制效果有限，故而本文選擇兩個(gè)輸入量，DO的偏差量E以及E的變化率Ec，所設(shè)計(jì)的模糊控制器結(jié)構(gòu)見圖 2。

在MATLAB軟件的幫助下，可以很方便的實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)模糊控制器。具體設(shè)計(jì)過程如下：

（1）根據(jù)污水處理的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，模糊控制器的輸入輸出范圍。本文中 DO值偏差的取值范圍為[-5，5]、偏差變化速率Ec取值范圍[-10，10]，輸出控制量u的取值范圍為 [0，1000]。

（2）在MATLAB軟件中，調(diào)用Fuzzy控制器設(shè)計(jì)工具進(jìn)行模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)參數(shù)輸入界面，選擇輸入輸出變量個(gè)數(shù)，并確定輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)的范圍，界面見圖3。

（3）輸入輸出變量的模糊化。將輸入變量e分為5個(gè)模糊子集（見圖4），ec分為5個(gè)模糊子集，u分為5個(gè)模糊子集，分別設(shè)置隸屬度函數(shù)。隸屬度函數(shù)決定了對(duì)輸入量如何“定性“，對(duì)于連續(xù)模擬量輸入常見的隸屬度函數(shù)可以是高斯型或者S形等隸屬度函數(shù)。本設(shè)計(jì)選擇高斯型隸屬度函數(shù)。

（4）制定模糊控制規(guī)則表。根據(jù)該控制系統(tǒng)輸入?yún)?shù)模糊子集數(shù)量，確定5×5=25條模糊控制規(guī)則，其結(jié)果見圖5。

（5）輸出模糊量的解模糊。將模糊控制系統(tǒng)的“大”、“小”等模糊輸出量轉(zhuǎn)換為可以在系統(tǒng)中使用的精確量這一過程稱為解模糊。解模糊的方法有最大隸屬度法、重心法和加權(quán)平均法等，本控制系統(tǒng)中選擇重心法。

2 仿真分析

為了證明本設(shè)計(jì)的實(shí)用性和可操作性，運(yùn)用MATLAB仿真軟件中的模糊控制工具箱和simulink模塊進(jìn)行仿真。結(jié)合污水處理溶解氧的過程，將控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化為由一個(gè)比例環(huán)節(jié)、一個(gè)滯后環(huán)節(jié)和兩個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)所組成的預(yù)估模型。

首先在MATLAB中使用Fuzzy控制器設(shè)計(jì)工具，按照上面的設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)模糊控制器，所得到的設(shè)計(jì)可以存為文件后綴為FIS的文件。然后在Simulink窗口中添加對(duì)應(yīng)模塊，將創(chuàng)建好的模糊控制器與FIS文件建立鏈接，建立基于模糊控制下的溶解氧控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖6所示。圖7為階躍信號(hào)響應(yīng)，從仿真結(jié)果看，該系統(tǒng)性能良好。

3 結(jié)論

溶解氧濃度的控制，是活性污泥法工藝中關(guān)鍵要素。但在工程實(shí)踐中，由于系統(tǒng)具有多變量、強(qiáng)耦合、非線性，使得無法精確確定控制過程的數(shù)學(xué)模型，故而在運(yùn)用經(jīng)典的控制方法處理時(shí)，使得工藝處理效果不佳。所以一般污水處理廠普遍采用人工的方法控制曝氣機(jī)的曝氣量，雖然符合工藝要求，但是能耗較大。本文設(shè)計(jì)了一種采用模糊控制的控制器，并進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明該控制器在溶解氧濃度控制方面具有較好表現(xiàn)。

模糊控制規(guī)律可實(shí)現(xiàn)與有經(jīng)驗(yàn)的人工相似的控制反應(yīng)，從而使得模糊控制適用于一些傳統(tǒng)控制方法比較難處理的被控對(duì)象。在污水處理工藝控制策略中引入智能控制，具有良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]金曉明，榮岡，王驥程.自適應(yīng)模糊控制新進(jìn)展[J].信息與控制，1996，25（4）：217-223.

[2]張偉，李東華，武少偉，等.在線溶解氧儀在智能曝氣系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2014，35（8）：83-85.

[3]Lira V V， Barros P R， Neto J S D R， et al. Automation of an anaerobic-aerobic wastewater treatmentprocess[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement， 2003，52（3）：909-915.

[4]張崇.曝氣系統(tǒng)控制方法的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2016.

[5]原魁.污水處理廠曝氣系統(tǒng)的控制研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2011.