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1  引言

    隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染已成為全世界不得不關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，特別是大規(guī)模城市的出現(xiàn)，生活污水的處理問(wèn)題已經(jīng)變得越來(lái)越突出。目前，在SBR污水處理系統(tǒng)中，溶解氧DO的控制基本上為定時(shí)、DO恒值或風(fēng)機(jī)恒頻控制，耗費(fèi)了大量的電能。根據(jù)SBR 原理，吞噬污水中有機(jī)廢物的微生物有一定的生命周期，使得污水處理過(guò)程中耗氧量按一定規(guī)律變化，針對(duì)該特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用的方法是：在污水處理過(guò)程中，根據(jù)耗氧量曲線(xiàn)，在不同時(shí)刻提供相應(yīng)量的氧。實(shí)驗(yàn)表明，該方法穩(wěn)定了出水水質(zhì)，縮短了處理時(shí)間，減少了電能消耗。

    為了能更好地模擬污水處理過(guò)程，系統(tǒng)采用了一套完整的實(shí)驗(yàn)裝備，配備有高精度DO測(cè)量?jī)x和濁度儀。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合PID控制算法，系統(tǒng)采用多輸入、多輸出的模糊PID控制方法，解決了因處理過(guò)程大滯后而帶來(lái)的普通模糊控制超調(diào)量過(guò)大的難題，并且系統(tǒng)調(diào)節(jié)迅速、上升時(shí)間短，具有較好的魯棒性。通過(guò)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)頻率，使實(shí)際耗氧量曲線(xiàn)與理論耗氧量曲線(xiàn)基本達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)污水處理的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，減小電能消耗，穩(wěn)定出水水質(zhì)。同時(shí)，系統(tǒng)以工控軟件組態(tài)王為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，方便地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互和實(shí)時(shí)控制。

2  序批式活性污泥法（SBR）簡(jiǎn)介

    活性污泥法就是以活性污泥為主體的污水生物處理方法。活性污泥為充滿(mǎn)微生物的絮狀泥粒，具有很強(qiáng)的吸附和氧化分解有機(jī)物的能力。由于活性污泥具有較強(qiáng)的凈化水質(zhì)的能力，而且這些污泥又不像生物膜法的生物膜那樣固定在載體上，它在混和液中自由流動(dòng)，有較多的機(jī)會(huì)和廢水中的污物接觸，所以活性污泥法是目前工作效率最高的人工生物處理方法。

    普通活性污泥法的基本工藝流程如圖1所示。

    首先，根據(jù)變量的變化范圍和量化等級(jí)，確定量化因子。例如：若某變量的基本論域?yàn)椋?e_m，e_m），量化等級(jí)為9級(jí)即模糊狀態(tài)論域?yàn)閧-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，則量化因子G_e=4/e_m。

    其次，確定模糊變量的量化論域和輸入輸出變量的模糊子集的隸屬函數(shù)。可將輸入、輸出變量的量化論域分為7個(gè)模糊子集：正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZE)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)、負(fù)大(NB)，同時(shí)確定各模糊子集的隸屬度函數(shù)均服從正態(tài)分布，則可以得到各變量的賦值表。

    最后，確定模糊控制規(guī)則。根據(jù)PID參數(shù)的整定原則和各變量模糊子集賦值表，建立合適的模糊控制規(guī)則表，從而可得PID控制三個(gè)參數(shù)（K_P、K_I、K_D）的模糊控制表。

4.4  去模糊處理
    PID控制器輸出為鼓風(fēng)機(jī)頻率的變化量的模糊子集，而鼓風(fēng)機(jī)只能接受精確的控制量，因而需要進(jìn)行去模糊處理。本系統(tǒng)采用最大隸屬度法，在輸出模糊集合中，選取隸屬度最大的論域元素為判決結(jié)果，如果在多個(gè)論域元素上同時(shí)出現(xiàn)隸屬度最大值，則取它們的平均值作為判決結(jié)果。

    設(shè)已知論域{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}上的輸出模糊集合UI=0.7/(-7)+0.7/(-6)+0.3/(-5)+0.3/(-4)+0.3/(-3)+0.2/(-2)+0.7/(-1)+7/0+0.7/1+0.2/2+0.2/5+
0.3/6+0.3/7，則按最大隸屬度法取得判決結(jié)果為：UI=(-7-6-1+0+1)/5=-2.6，取整后可用量化等級(jí)中的-3級(jí)對(duì)應(yīng)的精確值作為控制量的變化加到被控對(duì)象上。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，其缺點(diǎn)是概括的信息量最少，原因在于該法屏蔽了其他一切隸屬度小的論域元素（量化等級(jí)）的作用。

5  通過(guò)工控軟件組態(tài)王實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制

    本系統(tǒng)以集成了多線(xiàn)程、COM組件等新技術(shù)的工控軟件組態(tài)王6.01作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)，并且軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

    由于組態(tài)王內(nèi)置了大量設(shè)備驅(qū)動(dòng)作為與外部設(shè)備的通訊接口，本系統(tǒng)采用了控制設(shè)備為可編程控制器，通過(guò)編程控制，可以調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)頻率，改變反應(yīng)池中的曝氣量，從而達(dá)到優(yōu)化控制。

    根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，通過(guò)編程、設(shè)計(jì)，組態(tài)王軟件完成了如下功能：
    (1)  運(yùn)用其先進(jìn)完善的圖形生成功能，將污水處理工程直觀、生動(dòng)地體現(xiàn)于計(jì)算機(jī)上；
    (2)  通過(guò)人機(jī)界面輸入構(gòu)造不同的DO控制曲線(xiàn)；
    (3)  將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)編程設(shè)定，實(shí)時(shí)地在計(jì)算機(jī)上顯示；
    (4)  結(jié)合SBR原理、模糊PID控制方法和組態(tài)王軟件，通過(guò)編程，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同DO曲線(xiàn)下的穩(wěn)定控制。不僅能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)恒頻控制功能，也能實(shí)現(xiàn)DO的恒值控制功能，實(shí)際效果如圖2中的②號(hào)線(xiàn)（虛線(xiàn)為參考曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)為實(shí)際運(yùn)行曲線(xiàn)），而且還能較好地實(shí)現(xiàn)DO變值控制功能。在DO的變值控制中，結(jié)合模糊PID控制方法和微生物需氧量經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)，在相應(yīng)的模糊規(guī)則控制下，實(shí)際的溶解氧值基本上能按給定的經(jīng)驗(yàn)曲線(xiàn)變化，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，實(shí)際運(yùn)行效果如圖2中的①號(hào)線(xiàn)（虛線(xiàn)為參考曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)為實(shí)際運(yùn)行曲線(xiàn)）；
    (5)  運(yùn)用其特定的模板，能完成查看歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線(xiàn)和報(bào)表功能。

6  試驗(yàn)的修正和驗(yàn)證

    本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的模糊PID控制器需進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)檢驗(yàn)和修正調(diào)整，可以在線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，也可離線(xiàn)進(jìn)行仿真試驗(yàn)或計(jì)算機(jī)仿真，以檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的控制器是否達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)。

    對(duì)采用模糊PID控制和不采用模糊PID控制的兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行比較可知，采用模糊PID控制的系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性均得到明顯地提高。

    當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)發(fā)生突變或較大變化時(shí)，可通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行判斷，并采用不同的模糊控制規(guī)則進(jìn)行控制。

7  結(jié)論

    運(yùn)用模糊PID控制，根據(jù)SBR污水處理的特點(diǎn)，以組態(tài)王工控軟件作為運(yùn)行平臺(tái)，建立起一套完善的污水處理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同DO曲線(xiàn)下的穩(wěn)定控制，解決了一般控制下的大滯后和數(shù)學(xué)建模難題，實(shí)現(xiàn)了DO的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。同時(shí)，基于大量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)不同DO曲線(xiàn)對(duì)降低能源的效果分析可知，DO值按污泥的生長(zhǎng)曲線(xiàn)變化控制，在反應(yīng)前加大曝氣量使之略高出所需要的DO值是最省電的供氣方法，其優(yōu)于現(xiàn)在普遍運(yùn)用的DO恒值和風(fēng)機(jī)恒頻控制方法，縮短了處理時(shí)間，減小了電能消耗。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，變值DO控制耗電量是DO恒值控制和恒定曝氣量（即不變頻或普通風(fēng)機(jī)控制）的85%，實(shí)現(xiàn)了以穩(wěn)定出水水質(zhì)、降低能源消耗為指標(biāo)的優(yōu)化控制。