城市污水处理系统溶解氧的控制何世钧1,2,王化祥1,杨立功1,2,张　路2(1.天津大学自动化学院,天津300072;2.河南省自动化工程技术研究中心,河南郑州450008) 摘要:　介绍城市污水处理厂污水处理工艺和控制系统,给出污水处理三级分布式集散控制系统和溶解氧的P 2FUZZY 2PI 控制方案以及控制算法的实现。

关键词:　污水处理;P 2FUZZY 2PI 控制;集散控制系统 中图分类号:TP273　文献标识码:B 文章编号:100023932(2003)(01)200362031　引　言污水是环境污染的主要污染源。

在城市污水中,溶解性有机物质和悬浮固体是两类重要的污染物。

奥贝尔工艺作为一种成熟的污水处理工艺,在世界各地的污水处理中得到广泛应用,主要目的是去除污水中的这两类污染物,使出水满足地表水排放标准(工艺流程见图1)。

但其生物和化学过程建立平衡的时间较长,具有大滞后、非线性、随机性、多变量等特点。

如果仅采用传统的控制方式(如常规PI D 控制等),并不能在线整定参数,随进水水质、水量的变化来控制运行,而使出水水质达不到预期目标。

如果采用简单的模糊控制,对复杂的和模型不清楚的系统能进行简单而有效的控制,但由于不具备积分环节,又很难消除稳态误差,在变量分级不够多的情况下,常在平衡点附近出现小的震荡现象。

针对这种情况,本文采用具有网络结构的三级分布式集散控制系统、P 2FUZZY 2PI 多模分段控制算法解决实际问题。

图1　奥贝尔污水处理工艺流程2　城市污水处理控制系统构成污水处理的基本控制系统由各种物理化学参数在线监测和控制回路构成。

以长葛市污水处理厂为例,总体结构如图2所示。

包括两台工控机IPC 、四套美国GE FAUNC 公司90230T M系列P LC 、若干Versa Max 系列I/O 模块和德国E +H 公司现场仪表。

P LC 按场区进行单元配置,通过G e 2nius LAN 网和所属I/O 模块通信,工控机采用组态王5.1作人机界面,通过E thernet LAN 网以T CP/IP 协议和P LC 进行数据通讯。

控制系统对格栅前后液差、液位,泵房液位、曝气池温度、pH 值、出水流量,氧化沟溶解氧、转碟曝气机状态,二沉池吸泥机状态等参数进行采集、控制、报警、记录等工作。

对重要的控制参数,如氧化沟溶解氧采用P 2FUZZY 2PI 控制。

3　污水处理溶解氧P 2FUZZ Y 2PI 控制在采用奥贝尔工艺的污水处理过程中,对氧化沟的溶解氧浓度的控制是出水水质达标的关键。

奥贝尔氧化沟由三个相对独立的同心椭圆形沟道组成,污水由外沟道进入沟内,然后依次进入中间沟道和内沟道,最后经中心岛流出,至二沉池。

三个环形沟道相对独立,溶解氧分别控制在 收稿日期:2002205229 基金项目:河南省2001年重点科技攻关项目(河南省2000年重点招标工程(H MECT 22000232022)过程控制 化工自动化及仪表,2003,30(1):36～38　C ontrol and Instruments in Chemical Industry 0、1、2mg/l ,其中外沟道容积达50%～60%,处于低溶解氧状态,大部分有机物和氨氮在外沟道氧化和去除。

内沟道体积约为10%～20%,维持较高的溶解氧(2mg/l ),为出水把关。

在各沟道横跨安装有不同数量转碟曝气机,进行供氧兼有较强的推流搅拌作用,转碟曝气机间歇工作和组合的变化,改变污水中的溶解氧的浓度。

本文根据奥贝尔工艺的特点采用P 2FUZZY 2PI 控制的方法通过对溶解氧浓度监测来调整转碟曝气机间歇工作和组合的变化,达到控制溶解氧浓度的目的。

在控制器中输出u 表示转碟曝气机间歇工作和组合的变化的控制量。

图2　控制系统结构 P 2FUZZY 2PI 控制算法综合了比例、模糊和比例积分控制的优点,其控制器结构如图3所示。

图3　P 2FUZZY 2PI 控制器 设:r ———溶解氧设定值(精确量);e 、ec ———溶解氧误差和误差变化率(精确量);u ———控制器输出(精确量);y ———溶解氧实际值(精确量);E 、 E C ———误差和误差变化率的模糊集; U ———输出模糊集;ep ———阈值;ze ———模糊控制中语言变量“零”;t ———时间。

当e ≥ep 时,采用P 控制　u =K p e(1)式中:K p ———比例灵敏度。

当0≤e <ep 时,采用FUZZY 控制当e =ze 时,采用PI 控制　u =K p e +K pT i∫t0e d t (2)式中:T i ———时间常数。

在系统开始运行过程中,一般误差e 较大,采用P 控制,提高系统的响应速度,随着误差的减小,会出现大的超调,用数学模型精确表示较困难,因此,在适当的阈值ep 下,切换到模糊控制,采用的模糊控制器如图4所示。

图4　模糊控制结构 FUZZY 控制是P 2FUZZY 2PI 控制算法的核心。

当0≤e <ep 时,采用FUZZY 控制,系统的溶解氧设定值r 和溶解氧实际值y 之间误差e 发生改变,求得误差变化率ec 。

对e 、ec 、u 分别进行模糊化定义为E 、 E C 、 U ,模糊控制的语言分档按以下方式给出:E :NB (负大)、NM (负中)、NS (负小)、ZE (零)、PS (正小)、PM (正中)、P B (正大)E C :NB (负大)、NS (负小)、ZE (零)、PS (正小)、P B (正大)U :NB (负大)、NM (负中)、NS (负小)、ZE (零)、PS (正小)、PM (正中)、P B (正大)模糊变量的隶属函数选择为三角函数。

根据污水处理过程中溶解氧的变化特点和控制经验,由模糊控制规则得到模糊控制关系,采用表1所示的模糊推理规则表。

表1　模糊控制规则表控制量U 误差ENB NM NS ZE PS P MP B误差变化率 E CNBP B P M P M ZE ZE NS NM NS P B P M P M ZE ZENS NMZE P M P M PS ZE NS NM NM PS P M PS ZE NSNS NM NBP BPSPSZENS NM NBNB 按照模糊推理规则表总结出的语言控制规则进行模糊推理和判决,求得模糊输出 U ,并将其解模糊,求得精确输出u ,对转碟曝气机间歇工作和组合的变化实施控制。

在模糊控制过程中,控制器对参数的变化不敏感,鲁棒性好,但由于没有积分环节,而且对输入量的处理是离散而有限的,存在较大的稳态误差,当e =ze 时,采用PI 控制(式(2))解决。

根据・73・第1期 何世钧等.城市污水处理系统溶解氧的控制 绝对误差及误差的变化趋势来改变积分器的作用,有效地改善了稳态误差。

通过引入P 2FUZZY 2PI 控制的方法,获得一个多模分段的系统动态控制,系统以误差e 的变化来控制各模态的运行时间,改变控制器的输出量,以此控制转碟曝气机间歇工作和组合的变化。

与常规PI D 控制器相比,提高了系统适应抗外部干扰和内部参数变化的鲁棒性,减小了超调,改善了动态特性与简单模糊控制器相比,减小了稳态误差,提高了平衡点的稳定度。

4　P 2FUZZ Y 2PI 控制算法的实现P 2FUZZY 2PI 控制算法应用于奥贝尔氧化工艺污水处理,主要是解决溶解氧控制精度问题,针对奥贝尔氧化工艺中溶解氧的变化规律和特点,建立控制数学模型、模糊关系和模糊控制规则,然后通过模拟实验加以验证、修改,通过三级分布式集散控制系统来实现,得到完整的在线监控系统P 2FUZZY 2PI 控制算法在控制系统的实现分为三部分,P 、PI 控制由美国GE FAUNC 公司的90230T M P LC 通过VersaPro 编程实现,其中,K p 、T i 参数由上位计算机提供,模糊控制算法程序采用组态王5.1中的应用程序命令语言编辑器来实现,在语言编辑器中,根据模糊控制规则表,生成模糊控制规则算法函数,由系统自动启动和关闭。

在具体实现过程中,除了P 2FUZZY 2PI 控制,还设置了手动控制和两个状态变量KG 、ZS ,通过两个状态变量来区分P 控制、FUZZY 控制、PI 控制、手动控制,其逻辑关系见表2。

P 控制、FUZZY 控制、PI 控制之间的转换在自动状态下进行,阈值ep 由用户根据实际情况自行设定,上位监控程序比较阈值ep 和误差e 的关系以及误差e 的大小确定状态控制量KG,KG状态决定使用何种控制算法。

系统模糊控制部分的模拟实验是根据表1的模糊控制规则,在Matlab 软件下仿真完成,经过验证和修改控制规则得到曲面如图5所示。

表2　用状态变量区分控制方式的逻辑关系KGZS P 控制01FUZZZY 控制11PI 控制21手动控制———图5　溶解氧模糊控制关系曲面5　结束语本文采用三级分布式集散控制系统、P 2FUZZY 2PI 多模分段控制算法,实现了对奥贝尔氧化工艺污水处理过程的控制,以本文的研究结果为基础设计的技术方案,在长葛市6×105t 吨污水处理厂具体实施。

应用结果表明,其设计结构合理,安全可靠,控制精度等技术性能指标满足了生产的实际需要。

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