智能控制在污水處理中的應用

摘 要：在污水處理中，提升泵站是生產的核心設備之一，其控制的好壞直接影響污水處理的效果和是否能實現節能降耗。本文主要以某污水處理廠為背景，分析了傳統控制在提升泵站控制中的缺陷和不足，介紹了模糊控制和輪值控制的特點及在泵站的應用,實際運行表明該方案是合理和行之有效的。

關鍵詞：污水處理; 模糊控制; 輪值控制; 提升泵房

0 引言

　　本文在分析了污水處理系統的基本原理、基本處理流程及模糊控制系統的設計理論的基礎上，將模糊控制這一新的控制策略引入到污水處理系統中來，針對污水處理系統的提升泵房部分，設計和實現了污水處理自適應模糊控制和輪值控制系統，有效地克服了污水處理的非線性和強時滯，有較好的穩定性和魯棒性，節能效果明顯，具有一定的推廣價值。

　　0.1生產流程

　　由廠區外的主污水管道而來的污水進入格間，由2臺粗格柵和兩臺細格柵將污水中體積較大的污物攔住，通過格柵機的污水繼續前行流入進水泵房。該處為全廠區標高的最低處，進水泵房底部放置有5臺潛水泵，主要用于將污水提升到高處，以使污水只靠重力作用流經其余的處理階段。

　　0.2提升泵控制

　　傳統提升泵站的控制方式采用液位控制，根據工藝條件計算集水井水位可能的變化范圍，當水位達到一定值后，依次開相應的潛水泵。這種控制方式存在的問題是泵啟動頻繁、泵的磨損情況不一樣，造成泵更換周期短、維護量大，而且在污水流量變化較大的情況下，還會產生無法滿足流量要求的現象。通過對泵站進水量和控制設備的分析，我們提出采用模糊控制和輪值控制方法對提升泵站進行控制。

1 泵站模糊控制

　　1.1模糊控制簡介

　　模糊控制系統由被控制過程和模糊控制器構成，模糊控制器由模糊化、模糊推理和去模糊化三部分組成，三者均建立在知識庫（控制率和隸屬函數）基礎上。模糊控制的基本原理如圖2所示。

　　泵站的傳統控制只考慮了液位的變化，沒有考慮液位變化速率。采用計算機技術和先進液位檢測儀表后，可以非常簡便地得到液位差和液位變化率，通過引入模糊控制方法，利用液位變化率，實現PD控制結構，能明顯提高泵站對進水量變化的響應能力[1][2]。

　　1.2泵站模糊控制方法

　　采用模糊控制方法的主要工作是確定模糊論域、隸屬度函數、量化因子、模糊控制規則和模糊判決方法。結合有關文獻和現場實際[1][5]，對該廠污水提升泵站我們進行了以下的控制方法實施。

　　1.2.1模糊控制器語言變量（The language variable of fuzzy controller）

　　模糊控制器采用三個模糊變量：液位差（E），液位變化率（EC），啟動泵臺數（U）其中E和EC為輸入模糊變量，U為輸出模糊變量。模糊控制器由PLC編程實現。根據現場實際，采樣間隔設為10秒，這種結構實質上是非線性的PD控制方式。

　　1.2.2 模糊論域和隸屬度函數（Fuzzy region and membership function）

　　根據現場對集水井液位變化情況的了解以及廠方的要求，三個控制變量的論域量化關系如下：

　　液位差E分為 6檔 11級，即

　?。?5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝

　　模糊子集選取如下語言值

　?。鸑B（負大），NM（負中），NS（負?。?，PS（正小），PM（正中），PB（正大）｝

　　液位變化率EC分為5檔7級，即

　?。?，-2，-1，0，+l，+2，+3｝

　　模糊子集選取如下語言值

　　｛NB（負大），NS（負?。?，Z（零），PS（正小），PB（正大）｝

　　控制變量U分為5檔5級，即

　　｛0，1，2，3，4｝

　　模糊子集選取如下語言值

　　｛小，中，大，很大｝

　　在各變量隸屬函數選擇時，我們參考有關資料[2][3][4],由于不同形狀隸屬函數所代表的控制含義不同，結合實際控制要求，對液位變化率和控制變量采用三角函數形式。在選擇變量的隸屬度時，我們進行了大量的現場調查，同時查閱了其它相關行業對泵控制的成功經驗[5][6]，首先在實驗室對系統進行計算機仿真，在此基礎上，在保證生產正常進行的情況下，進行了在線調試，最后確定了較合理的變量隸屬度。

　　下面是三個變量的隸屬度列表。

　　1.2.3量化關系

　　根據現場泵站工作情況，集水井最大高度4.5m，要求液位變化范圍在1.5m—3.5m之間。取2.5m為液位基準值，液位差的變化范圍在（-1m，+1m）之間，通過以下公式可以得到液位與液位差E論域元素之間的變換關系：

　　y=10/（b-a）＊[x-（a+b）/2] 1——-1 注：[a，b]即液位范圍[1.5m, 3.5m]

　　x為液位值，y為量化級數

　　污水提升泵站的液位變化率可以通過計算獲得，集水井最大進水量為 1萬立方/天，4臺泵工作的最大提升流量為 480立方/小時，根據集水井容積，10s內的最大液位變化率約為士0.3m。可以得到液位變化率的量化關系：

　　y=6/（b-a）＊[x-（a+b）/2] 1——-2

　　注：[a，b]即液位變化范圍[-0. 3m/10s，0 .3m/10s]

　　X為液位變化值，y為量化級數

　　1.2 .4模糊控制規則

　　根據資料[1][2]和操作人員經驗的總結，模糊控制規則可綜合為以下控制狀態表：

　　Table 4 The state of Fuzzy control

　　根據控制狀態表可以采用以下方法計算得到模糊控制的總模糊關系矩陣：

　　R=R1 V R2…V Ri…

　　R-總模糊關系，Ri-每條規則的模糊關系

　　每條規則所代表的模糊關系，可以用下面方法得到：

　　R1=（NB）E X （NB）EC X （零）U

　　R2=（NB）E X （NM）EC X （零）U

　　┋

　　將得到的30條規則各自的模糊關系進行合并運算，可以得到總的關系矩陣。 已知模糊關系，采用加權平均法模糊判決，可以計算得到總的控制表。

　　以上模糊控制可通過PLC編程實現，將上表內容存放在PLC內存中，作為控制查詢表來實現模糊控制規則。PLC間隔10秒檢測集水井水位，根據式（1-1）和式（1-2）計算得到E和EC的量化級數;將級數轉化為控制表位置，查詢得到實際應啟動的泵臺數。

2.污水提升泵輪值控制

　　在PLC邏輯連鎖控制程序中我們考慮了泵站負載均勻分配和啟動頻率控制。有別于傳統控制方式之處是通過對泵啟動次序和運行時間的控制，本程序可以基本保證在泵站長時間運行過程中各泵的負荷均勻分配。為了便于控制，將4臺泵按l# -4#的順序依次編號加以區分。在PLC中設立每臺泵的啟動和停止序號，存放在相應的內存單元中。

　　我們設計的思想是當一臺泵啟動時，其相應的本次運行時間開始計時;當它停止時，本次運行時間計時停止，同時將其加到累計運行時間上，并按每個泵的累計運行時間進行排序，按排序結果置相應的啟動序號。當系統根據模糊控制器的輸出判定需要啟動泵時，程序檢測相應的啟動序號，按啟動序號啟動相應的泵，當系統根據模糊控制器的輸出判定需要停止泵時，程序檢測相應的停止序號，按停止序號停相應的泵。停止序號的設定是在啟動時完成的，即啟動每一臺泵時，按順序設定其停止序號，以保證先啟的泵先停，后啟的泵后停，避免一臺或數臺泵長期工作，其他泵閑置的情況。由于系統在泵啟、停控制時不再針對某一臺固定的泵操作，而是不斷檢測泵己啟動的臺數和模糊控制器輸出比較以確定系統應執行啟泵或停泵操作;因此，當出現某一臺泵故障時，自動控制程序會跳過該泵而正常運行，從而增強了自動程序的故障處理能力。

　　當泵房水位不發生明顯變化時，某臺泵會出現長期工作的情況，為此對單臺泵的工作時間要進行限制，程序通過監視泵工作時間，對工作時間超過設定值的泵進行強制切換。通過以上方法，基本可以保證每臺泵工作負荷均勻分配。泵站控制的另一關鍵問題是泵的啟動頻率問題，頻繁啟動會造成電氣和機械設備的沖擊，影響設備壽命。因此，在程序中需要對泵的啟動周期進行限制。污水提升泵輪值控制邏輯框圖見圖3。

3 結論

　　本文作者創新點是將模糊控制這一新的控制策略引入到污水處理系統中來，針對提升泵房部分，設計和實現了污水處理自適應模糊控制和輪值控制系統，有效地克服了污水處理的非線性和強時滯，具有較好的穩定性和魯棒性，控制速度快，超調量小，運行結果良好，節能效果明顯。

參考文獻

　　[1] 張悅.淺談城市污水處理自動化系統的總體設計[J].自動化儀表,1998,13（1）: 22-23

　　[2] 章衛國.楊向忠著.模糊控制理論與應用[M] 西安：西北工業大學出版社，1999.10 59-79

　　[3]吳振綱，陳虎.PLC的人機接口與編程[J].微計算機信息，2005，8-1：21-23