模糊控制在污水处理中的应用.doc

化工仪表及自动化 模糊控制在污水处理中的应用
模糊控制在污水处理中的应用
()

摘　要：　本文在分析了污水处理的基本原理、基本处理流程及模糊控制系统的设计理论的基础上，针对污水厂污水处理系统的提升泵房部分，设计和实现了污水处理自适应模糊控制系统，将模糊控制这一新的控制策略引入到污水处理系统中来，有效克服了污水处理的非线性和强时滞性，实际运行表明该控制系统的控制性能和效果都优于常规的控制方法，有较好的稳定性和鲁棒性，节能效果明显，具有一定的推广价值。
关键词：　模糊控制；　污水处理；　提升泵房；　液位变化

1.模糊控制在污水处理中的应用的设计目的和意义
1.1目的：
在实际的污水处理运行中，许多工程系统变得越来越复杂。主要表现在高度的非线性、动态突变性及分散的传感元件与执行元件，复杂的信息结构等，还有某些不确定性，而这些都难以用精确的数学模型来描述。
然而，基于精确模型基础上的传统控制并不能解决这种复杂的控制问题。在这种情况下，采用模糊控制可以取得其他控制方式无法达到的控制结果。
1.2意义：
典型的复杂的污水处理系统无法找到精确的数学模型，传统的控制方式又缺乏灵活性和应变性。在此，模糊控制充分显示了自身的优越性。
因为建立模糊控制规则可以利用人的知识和经验以及新的研究成果，让计算机模拟人脑对模糊事物的处理能力，进而完成其他控制方式无法处理的模糊信息，实现具有智能化的模糊控制，让它在污水处理的应用中日益广泛与深入。

2.模糊控制在污水处理中的应用的发展现状
自从1974年英国的马丹尼将模糊语言逻辑用于过程控制成功后，模糊控制在工业过程、家用电器及高技术领域发挥了巨大的应用潜力。
2.1国内方面：
随着我国经济的高速发展，对环境保护方面提出了更高的要求，各大中城市都相继建成了污水处理厂。污水处理方案有好多，但实际运行效果好的只有少数。
科技人员通过对模糊控制新理论的分析及活性污泥法污水处理过程非线性、时变性与随机性的过程变化特点，强调指出模糊控制在污水处理中应用的可行性与必要性以及广阔的应用前景。
尤其在活性污泥法中通过在线检测PH来研究它们与有机物降解、硝化、反硝化、生物除磷等生化反应方面，实现模糊控制，取得了令人满意的控制效果。
2.2国外方面：
国外污水处理方面，目前研究较多的是Tsai.Y.P等人对出水悬浮物浓度进行预测和控制的活性污泥法模糊控制。次外，还有生物电极法模糊控制对硝酸态氮污染水的脱氮处理，也取得了好的控制效果。
3.模糊控制在污水处理中的应用的技术路线及主要工作原理
3.1污水处理工艺流程
鼓风供养 回流污泥

二沉池
提升泵房
沉砂池
反应池
隔栅
污水
清水
排外
剩 余 污 泥 剩
余
污
脱水
消化
浓缩
泥

图1 污水处理工艺流程图

污水处理工艺流程如图1所示，即由厂区外的主污水管道而来的污水进入格间，由2台粗格栅将污水中体积较大的污物拦住，通过格栅机的污水继续前行流入水泵房。进水泵房底部放置有5台潜水泵，主要用于将污水提升到高处，以使污水靠重力作用流经其余的处理阶段。
传统的提升泵站的控制方式采用液位控制，当水位达到一定值后，依次开启相应的潜水泵。这种控制方式存在的问题是泵启动频繁、泵磨损情况不同，造成泵更换周期短、维护量大等。于是，通过对泵站进水量和控制设备的分析，提出采用模糊控制方法对提升泵站进行控制。
3.2主要工作原理
3.2.1模糊控制简介
模糊控制系统由被控制过程和模糊控制器构成，模糊控制器由模糊化、模糊推理和去模糊化三部分组成，三者均建立在知识库（控制率和隶属函数）基础上。模糊控制的基本原理如图2所示。

模糊控制器

控制率、隶属函数

知识库

模糊推理
去模糊化
模糊化
D/A
A/D
设定值 偏差
　　　 x e
－
z
敏感环节
被控过程
敏感环节

测量值

图2 模糊控制系统方块图
模糊控制系统的主要特点是对操作人员的控制经验进行总结，形成可以通过控制系统表达的控制方法，达到自动控制的目的。泵站的传统控制只考虑了液位的变化，没有考虑变化率。由于集水井具有非线性和大延迟性，因此，往往出现控制滞后现象。采用计算机技术和先进液位检测仪表后，可非常简便地得到液位差和液位变化率，通过引入模糊控制方法，利用液位变化率，实现PD控制结构，能明显提高泵站对进水量变化的响应能力。
3.2.2泵站模糊控制方法
结合有关文献和实际，对污水厂污水提升泵站进行了以下的控制方法实施。
3.2.2.1模糊控制器语言变量
模糊控制器采用三个模糊变量：液位差（E）、液位变化率（EC）和启动泵台数（U），其中E和EC为输入模糊变量，U为使出模糊变量。模糊控制器由PLC编程实现。现采样间隔设为10s，这种结构实质上为非线性的PD控制方式。
3.2.2.2模糊论域和隶属度函数
根据现场对集水井液位变化情况的了解，三个控制变量的论域量化关系如下：
液位差E分为6档，11级，即：
{―5，―4，―3，―2，―1，0，1，2，3，4，5}
模糊子集选取如下语言值：
{NB（负大），NM（负中），NS（负小），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}
液位变化率EC分为5档7级，即：
{―3，―2，―1，0，1，2，3}
模糊子集选取如下语言值：
{ NB（负大），NS（负小），Z（零），PS（正小），PB（正大）}
控制变量U分为5档5级，即：
{0，1，2，3，4}
模糊子集选取如下语言值：
{小，中，大，很大}
参考有关资料可知，由于不同形状隶属函数所代表的控制含义不同，模糊自己的隶属函数形状较尖，反映模糊集合具有高的分辨率特性，其控制的灵敏度较高；模糊自己的隶属函数形状较宽，反映模糊集合具有低的分辨率特性，其控制的灵敏度较低，控制特性比较平缓，系统稳定性较好。
基于以上分析，结合实际控制要求，选择液位差变量隶属函数形状较宽，使液位引起的控制作用减弱，控制特性平缓，满足需要消除泵的频繁启动情况；选择液位变化率隶属函数形状较尖，使液位变化率引起的控制作用加强，使控制作用对进水量变化的反映比较灵敏，以适应实际控制中要求尽可能按进水量提升污水的要求。为了计算方便，对液位变化率和控制变量采用三角函数形式。液位差变量的隶属度列如表１所示。
表1 液位差变量隶属度（注：空白处均为0）
语言值 E
―5 ―4 ―3 ―2 ―1 0 1 2 3 4 5
1 PB
2 PM
3 PS
4 NS
5 NM
6 NB
0.2 0.8 1.0
0.2 0.8 1.0 0.8 0.2
0.2 0.8 1.0 0.8 0.2
0.2 0.8 1.0 0.8 0.2
0.2 0.8 1.0 0.8 0.2
1.0 0.8 0.2

3.2.2.3量化关系
集水井最大高度4.5m，要求液位变化在1.5m~3.5m之间。取2.5m为液位基准值，液位差的变化范围在-1m~+1m之间，通过以下公式可得到液位与液位差E论域元素之间的变换关系：
y=10／(b－a)×[x－(a＋b)／2] （1）
注：[a,b]即液位变化范围[1.5m~3.5m]，x为液位值，y为量化级数。
污水提升泵站的液位变化率可以通过计算获得，集水井最大进水量为1万m/d，4台泵工作的最大流量为480m/h，根据集水井容积，10s内的最大液位变化率约为±0.3m。可以得到液位变化率的量化关系：
y=6／(b－a)×[x－(a＋b)／2] （2）
注：[a,b]即液位变化范围[-0.3m/10s~0.3m/10s]，x为液位值，y为量化级数。
3.2.2.4模糊控制规则
根据有关资料和经验总结，模糊控制规则可综合为以下控制状态表（如表2所示）。
表2 控制状态表
EC E
NB NM NS PS PM PB
NB
NS
Z
PS
PB
零 零 小 中 中 大
零 零 小 中 大 大
零 小 中 大 大 很大
小 小 中 大 大 很大
小 中 中 很大 很大 很大
根据控制状态表可以采用以下方法计算得到模糊控制的总模糊关系矩阵：
R=R∪R……∪R R为总模糊关系， R为每条规则的模糊关系。
每条规则所代表的模糊关系，可以用下面的方法得到：
R=(NB)E×(NB)EC×(零)U R=(NB)E×(NB)EC×(零)U ……
将得到的30条规则各自的模糊关系进行合并运算，可以得到总的关系矩阵。已知模糊关系，采用加权平均法模糊判断，可以计算得到总的控制表如表3所示。
表3 总控制状态
EC E
液 位 变 化 率
―3 ―2 ―1 0 1 2 3

误

差

―5
―4
―3
―2
―1
0
1
2
3
4
5
0 0 0 0 1 1 1
0 1 1 1 1 1 2
0 1 1 1 1 2 2
1 1 1 1 2 2 2
1 1 1 2 2 2 2
1 1 2 3 3 3 3
2 2 2 3 3 3 4
2 3 2 3 3 3 4
2 3 3 3 3 4 4
3 3 4 4 4 4 4
3 4 4 4 4 4 4

以上模糊控制可以通过PLC编程实现，将上表内容存放在PLC内存中，作为控制查询表来实现模糊控制规则。PLC间隔10s检测集水井水位，根据式（1）和式（2）计算得到E和EC的量化级数；将级数转化为控制表位置，查询得到实际应启动的泵台数。
实际运行结果表明：集水井水位可以控制在2.0m~3.0m之间，泵运行台数2~4台。

4.模糊控制在污水处理中的应用的主要重点与难点
4.1主要重点
1.确定泵站模糊控制的模糊论域及将液位差和液位变化率输入变量模糊化，即根据输入变量迷糊子集的隶属度函数找出相应的隶属变的过程。
2.制定模糊控制规则。模糊控制规则是模糊控制的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。同时，有必要对规则进行优化，以提高控制的品质。
3.输出变量的精确化。通过液位差变量隶属函数的形状，将输出语言的模糊量回复到精确的数值，得出控制的结果。
4.2技术难点
1将输入量的隶属度函数、模糊规则及输出量的隶属度函数用表格表示出来，输入量的模糊化、模糊推理规则和输出量的精确化均通过查表的方法来实现。
2.知识库的建立。知识库包括了应用领域中的知识和要求的控制目标，由数据库和模糊控制规则库组成。

5.结束语
模糊控制在污水处理中的应用，使得控制速度快，超调量小，运行效果好。同时，泵的循环工作方式运行良好，避免了泵的频繁启动，达到了有效控制的目的和要求。
本文在设计过程中，得到了郭老师的全力支持和热情指导，同时还有一些同学的大力帮助，才得以论文的顺利和有效完成，在此谨向他们表示致谢！
由于设计时间仓促和个人知识水平有限，文中难免存在不当和错误之处，恳切希望老师批评、指正，提出宝贵的意见。

6.设计时间分配
本论文历时七周，具体时间分配如下：
⒈确定题目（第3周—第4周）
⒉查阅资料（第4周—第5周）
⒊撰写论文（第5周—第7周）
⒋修改论文（第7周—第8周）
⒌排版定稿（第8周）
⒍设计封面（第9周）

参考文献
［1］ Zadeh.L.A．Fuzzy Seas and Their Application．New York: Academic Press, 1975．
［2］ Tsai.Y.P.el al．Effluent Suspended Solid Control of Activated Sludge Process by Fuzzy Control Approach．Wal,Enviro,Res,1996．68（98—105）．
［3］ 章正斌等著．模糊控制工程．重庆：重庆大学出版社，1995．06（14—20）．
［4］ 章卫国，杨向忠著．模糊控制理论与应用．西安：西北工业大学出版社，1999．10．
［5］ 戎月莉编著．计算机模糊控制原理及应用．北京：北京航空航天大学出版社，1995．04．
［6］ 李 海，孙瑞征，陈振选等编．城市污水处理技术及工程实例．北京：化学工业出版社，
2002．06（289—296）．

Fuzzy control in sewage treatment application
(The chemical Engineering College of Qinghai University 2007 level of chemical engineering
and craft specialized chemical industry craft class 2 Liang Yongqiang Xining 810016)

Abstract: This article in has analyzed the sewage treatment basic principle, the basic processing flow and in the fuzzy control system design theory foundation, in view of the sewage factory sewage treatment system promotion pump house part, designed and has realized the sewage treatment auto-adapted fuzzy control system, will blur controls this new control strategy to introduce in the sewage treatment system, has overcome the sewage treatment non-linearity and the strong time viscosity effectively, the actual movement indicated this control system the control performance and the effect all surpassed conventional the control method, had the good stability and robustness, the energy conservation effect is obvious, has certain promoted value.
Key words: Fuzzy control; Sewage treatment; Promotes the pump house; Fluid position change
7