模糊pid控制在废水处理站液位控制中之研究及应用 4页

　　模糊PID控制在废水处理站液位控制中之研究及应用第1章绪论1.1课题的提出水是生命的起源，是物种发展的基本条件，是人类赖以生存和发展不可或缺的重要组成部分[1]。但是随着人口数量的增加，和社会工业化的不断加快，水资源环境日趋恶化，这一点对于正处于社会主义初级阶段、需要大力发展工业的我国尤为突出。针对我国经济社会发展与资源环境间日趋凸显的矛盾，国务院在十一五规划纲要中提出了节能减排要求，以实现可持续发展的目的[2]。作为节能减排的主力军，污水处理行业这几年发展迅速，不论是污水处理总量还是城镇污水处理率都逐年上升。但目前中国污水处理行业仍处于发展的初级阶段[3]。如今，国内外不少关于污水处理控制的研究主要集中在污水处理的工艺参数上，如利用溶解氧、剩余污泥、泥龄等处理过程的工艺参数进行研究控制，以提高污水处理稳定运行率，确保出水水质。但他们同时也忽略了前端参数如液位、水量等对于污水处理厂运行的影响。实际运行中发现，污水厂一直处于低液位运行状态，潜水进水泵就会陷于干运行的潜在危险中，这样不但潜水泵的运行效率低，而且还存在烧坏电机的风险；相反的，如果一直处于高液位运行状态，则污水处理厂抗负荷、抗冲击能力就会降低，作为城市排水系统末端的污水处理厂抗洪防汛排涝的作用也会减弱，有可能会造成城区道路积水内涝等不良后果。本文着眼于污水处理厂的液位控制，在建立液位控制数学模型的基础上，利用MATLAB软件中Simulink模块对几种控制算法进行仿真与比较，确定适合本控制系统的控制策略，并运用于实际中，同时对实际效果进行分析。1.2国内外研究现状20世纪以来，世界范围内的工业化进程使得环境日益恶化，能源也日益枯竭。污水处理行业作为环保事业的先锋，也越来越为人们所接受认识。从上个世纪70n年代开始，全球各地都大兴土木建造污水处理厂，以应对越来越恶劣的水环境[4]。同时，随着科技的日新月异、自动化技术的不断普及，将高效的、稳定的、可靠的自动化技术广泛应用于污水处理行业，已经成为业界的共识。国外发达国家的污水处理自动技术起步早、基础好，又由于工业发达，污水厂的自动控制得到了长远的发展，污水厂智能控制等方面理论研究和具体实践也比较多。发达国家在二级处理基本普及后，投入了大量的资金和科研力量，加强污水处理设施的监测运行管理，实现了计算机控制、报警、计算和记录。美国在上个世纪7O年代中期开始实现污水处理厂的自动控制，目前主要的污水处理厂（尤其是大城市）已实现了污水处理工艺流程中主要参数的自动测试和控制。80年代以来在美国召开了两次水处理仪器化和自动化的国际学术会议，会议上发表的数百篇论文反应了水处理的仪器化、自动化已发展到实用水平[5]。在国外，自动控制的作用已经不仅仅体现在滤渣、自动冲洗、定时投药等生产过程的设备控制上，已经开始应用于实际的污水处理工艺中。PiersonJohn在家禽加工废水的预处理中，研究了化学需氧量（COD）和氨氮的去除率与氧化还原电位（ORP）之间的关系，通过对ORP的过程控制，实现了COD和氨氮的去除率大于93%和35%的目标[6]。ZipperT，N.Fleischmann，R.Haberl在一个的小型污水处理厂中，将氧化还原电位（ORP）作为一个合适的参数引入控制系统，可降低污泥负荷，并减少硝化时间的周期，同时还能提高污水处理的效率和减少能耗，经过反复试验，ORP控制器已经在自动控制和在线控制上得到了应用[7]。PuznavaN通过对曝气系统进行实时控制，使溶解氧一直处于低位（0.5~3mg/L），这样就使得曝气过程中的硝化反硝化的脱氮反应进一步得到渗透，在出水水质达标的基础上，同传统的硝化和反硝化曝气生物滤池反应相比还减少了50%的曝气量，降低了能耗，节约了成本[8]。通过将自动控制与氧化还原电位、溶解氧、化学需氧量等工艺参数的结合，并对工艺参数进行实时监控，当出现参数与设定值不符的情况时，通过PLC对现场设备进行实时控制，使污水厂正常运行。目前，这类控制已经实现了可操作的性能，并且在污水处理行业中得到普遍应用，在西方发达国家的绝大多数污水厂已基本已经实现了夜间及节假日的无人值守，体现出自动控制在减少劳动力和降低能耗方面的成效。第2章污水处理AAO工艺2.1我国污水处理的一般工艺n与国外相比，我国的污水处理具有基础弱、起步晚、发展快速等特点，按工艺流程分，污水处理可分为预处理工艺、一级处理工艺、二级处理工艺、深度处理工艺和污泥处理工艺[18]。预处理的目的是除去污水中的大块颗粒、保护水泵设备、保持管道通畅，它主要由粗格栅、细格栅、沉砂池等组成[19]。一级处理的目的是除去污水中的悬浮物和生物需氧量（BOD），它主要由初次沉淀池组成。二级处理是整个处理工艺的关键步骤，它是通过生物降解等手段将污水中的有机物和无机物转变为二氧化碳和水，它主要由曝气池与二次沉淀池组成。随着环保需求的不断提高，对污水处理的效果也提出了更高的要求，中水、污水回用污水处理行业关系的课题，是未来发展的趋势，这就需要深度处理。深度处理就是将经过二级处理的污水进行更深度的处理，使出水满足工业用水的需要，它主要由普曝池和沉淀池组成。污泥是污水处理的产物，污泥处理指的是通过硝化、脱水、干化、填埋、焚烧等手段处置污泥[20]，它主要由脱水机处理。第3章液位控制系统建模及控制策略............22-463.1液位数学模型的建立............22-253.1.1被控对象模型的分析............22-233.1.2被控对象模型的建立............23-253.2MATLAB及Simulink仿真软件............25-273.2.1MATLAB............25-263.2.2Simulink............26-273.3液位控制系统策略的选择............27-443.3.1PID控制............28-333.3.2模糊控制............33-393.3.3模糊-PID控制............39-443.4液位控制系统策略的确定............44-453.5本章小结............45-46第4章液位控制系统的应用实例............46-604.1液位控制系统的应用背景............46-474.2液位控制系统的组成............47-514.3液位控制系统的实现............51-554.4液位控制系统的应用效果............55-594.5本章小结............59-60第5章结论与展望............60-625.1结论............60-615.2展望............61-62结论n污水处理行业作为节能减排的主力军，它的发展至关重要。虽然目前自动控制技术已经广泛应用于污水处理行业，但技术远远落后于国外发达国家。液位控制作为常用的控制手段，已经应用于食品灌装、石油化工等领域并取得了显著的成效，但在污水处理行业的应用却不多。本文的常年工作在基层一线，深知自动化技术对工作的重要性，一个行业自动化程度越高、工作效率就越高、节能降耗也越明显，本文的研究背景是宁波市江东北区污水处理厂的自动控制系统，笔者根据污水处理厂实际运行情况，以单容水箱为基础建立模型，结合污水处理工艺运行特点，建立数学模型，将传统的PID与模糊控制结合，提出将模糊-PID应用于液位控制系统的构想。通过实践证明：将模糊-PID控制应用于污水处理AAO工艺的液位控制系统，在提高了污水处理效率、减轻一线工人劳动强度、降低能耗、节约运行成本、延长设备使用寿命等方面成效显著。本篇论文主要完成以下工作：1、简单介绍了我国污水处理工艺，重点介绍了AAO生物脱氮除磷工艺的原理和特点，分析了几种工艺参数特别是液位参数对AAO工艺的影响，建立液位参数数学模型。2、根据液位参数时变性、非线性等特点，用MATLAB软件中的Simulink模块对PID、模糊、模糊-PID三种控制器进行仿真和比较，发现用模糊-PID控制器对液位进行控制，具有超调量小、响应时间短、稳态精度高等优点，同时提出液位控制系统方案。3、验证液位控制系统方案。根据宁波市江东北区污水处理厂的实际运行情况，在欧姆龙公司的CS1DPLC硬件系统和RSVIE]，[硕士学位论文]，山西大学，2009[4]张敬东，张家华，污水处理技术的新发展[J]，环境技术，2000[5]李树伟，有关污水处理场微机自动调控的一些看法[J]，石油化工环境保护，1994，（1）：55-57[6]PiersonJohn.Real-timemonitoringandcontrolofsequencingbatchreactorsforsecondarytreatmentofapoultryprocessingentalEngineering,2000,126(10):943-948[7]ZipperT,N.Fleischmann,R.Haberl.Developmentofaneforcontrolandoptimizationofsmallentplantsusingoxidation-reductionpotential(ORP)[J].WaterScienceandkzgclultaneousnitrificationanddenitrificationinbiofilterseaerationcontrol[J].WaterScienceandTechnology,2001,43(1):269-276[9]于广平，张平，魏松岩等，仿人智能PID控制及在污水处理溶解氧控制中的应用[J]，控制系统，2006，13-16[10]刘建勇，周雪飞，薛罡等，智能控制在污水处理中的应用现状及展望[J]，中国给水排水，2002，18（11）：22-24(责任编辑：gufeng)