CN102830720A - 基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法，所述方法以工控机为上位机、以PLC控制器为下位机，共为主体构建一个污水处理自动控制实验平台，对污水进行处理，包括以下步骤：在所述PLC控制器中设置溶解氧控制模块，该溶解氧控制模块采用由模糊控制、开关控制和PID控制策略构成的模糊融合控制技术设计的算法对污水溶解氧浓度进行控制，在整个控制过程中对模糊控制策略进行优化重构。本发明采用由模糊控制、开关控制和PID控制策略构成的模糊融合控制技术设计的算法对溶解氧浓度进行控制，并对模糊控制策略进行优化重构提高其控制精度，在控制过程中将溶解氧值分为多个区段，对不同区段采用不同的控制形式，发挥各控制策略的优势。

Description

基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法

技术领域

本发明涉及一种污水溶解氧浓度控制方法，尤其是一种基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法，属于控制技术领域。

背景技术

在污水处理过程中，尤其在利用微生物进行生化处理的过程中，对微生物生存环境的控制很重要，而溶解氧浓度是非常重要的指标，直接反映生化反应过程中微生物的生命特征和对污水的处理活性，相关文献表明溶解氧浓度2.0mg/L是生化反应的最佳条件。由于污水溶解氧浓度控制无固有模型且具有很强非线性和动态性，而且溶解氧传感器存在固有延时，因此采用传统PID控制方法往往难以满足控制要求，采用单一的模糊控制方法往往控制精度并不高。

发明内容

本发明的目的，是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种控制精度高的基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法，其特征在于：所述方法以工控机为上位机、以PLC控制器为下位机，共为主体构建一个污水处理自动控制实验平台，对污水进行处理，包括以下步骤：在所述PLC控制器中设置溶解氧控制模块，该溶解氧控制模块采用由模糊控制、开关控制和PID控制策略构成的模糊融合控制技术设计的算法对污水溶解氧浓度进行控制，在整个控制过程中对模糊控制策略进行优化重构。

作为一种优选方案，所述的污水处理自动控制实验平台还包括可连接各泵的SBR反应器，在所述SBR反应器内设置有溶解氧传感器，该溶解氧传感器与溶解氧控制模块信号连接。

作为一种优选方案，所述污水为合成污水或造纸污水。

作为一种优选方案，所述造纸污水的处理过程包括：

a）取100L造纸污水，测得其COD为1195mg/L；

b）按照质量比COD:N:P=230:5:1添加尿素和磷酸，以补充营养元素N和P，加入尿素5.599g，85%的磷酸1.93g；

c）将造纸污水置于实验室，冷却1天至室温，待用；

d）采用SBR工艺处理造纸污水，保持污水悬浮固体浓度MLSS在2.0g/L，在每个SBR周期内加入3L造纸污水进行处理。

作为一种优选方案，模糊融合控制技术设计的算法流程包括：

a）运行模糊控制查询表的Matlab快速制取程序；

b）分别制取低溶解氧、中心设定值和高溶解氧3个区域的模糊控制查询表；

c）对溶解氧模糊控制查询表进行优化重构；

d）获得新的模糊控制查询表；

e）实施模糊融合控制；

f）如果控制效果不满意，则改变中心频率和摆动频率的参数，返回步骤a）；如果控制效果满意，则结束控制。

作为一种优选方案，所述溶解氧设定值为2mg/L，溶解氧传感器量程为0~20mg/L，溶解氧浓度对应的PLC数值为6400~32000。

作为一种优选方案，步骤b）所述的模糊控制查询表采用下式制取：

$u_{\mathrm{real}}=f(a,b)=512\×(u\×\frac{b}{6}+a)+6400---\left(1\right)$

其中，a是中心频率，b是摆动频率，u是论域范围为[-6,6]的13×13矩阵，u_real是PLC数值，其输出为13×13的矩阵；通过该式求出其PLC数值，得到一个13×13矩阵形式的模糊控制查询表，前6行为低溶解氧区、中心行为设定值区和后6行为高溶解氧区。

作为一种优选方案：步骤c）对溶解氧模糊控制查询表优化重构和步骤d）获得新的模糊控制查询表如下：

首先是确定低溶解氧区、中心行设定值区和高溶解氧区三个区域的中心频率和摆动频率，然后分别计算出三个模糊控制查询表：低溶解氧区模糊控制查询表、设定值区模糊控制查询表和高溶解氧区模糊控制查询表；其次低溶解氧区模糊控制查询表选取低溶解氧区数据，设定值区溶解氧模糊控制查询表选取设定值区数据，高溶解氧模糊控制查询表选取高溶解氧区数据；最后将上述获取的三部分数据按对应位置重新整合成一个新的模糊控制查询表

作为优选方案1，在步骤e）实施模糊融合控制时，将溶解氧值划分为4个区段分别进行控制，在0~1.4mg/L采用50Hz恒频输出；在1.4~1.9mg/L采用40Hz恒频输出；在1.9~2.1mg/L采用模糊控制，其中1.9~2.0mg/L时的中心频率和摆动频率分别为30Hz和5Hz，2.0mg/L时的中心频率和摆动频率分别为26Hz和3Hz，2.0~2.1mg/L时的中心频率和摆动频率分别为22Hz和6Hz；在大于2.1mg/L时，输出频率为0，停止曝气。

作为优选方案2，在步骤e）实施模糊融合控制时，将溶解氧值划分成6个区段分别进行控制，在0~1.4mg/L采用50Hz恒频输出；在1.4~1.7mg/L采用40Hz恒频输出；在1.7~1.9mg/L和2.1~2.15mg/L采用PID控制，其中比例常数为0.65、积分时间为0.01分钟，微分时间为500分钟；在1.9~2.1mg/L采用模糊控制，其中1.9~2.0mg/L时的中心频率和摆动频率分别为30Hz和5Hz，2.0mg/L时的中心频率和摆动频率分别为26Hz和3Hz，2.0~2.1mg/L时的中心频率和摆动频率分别为22Hz和6Hz；在大于2.15mg/L时，输出频率为0，停止曝气。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明采用由模糊控制、开关控制和PID控制策略构成的模糊融合控制技术设计算法对污水溶解氧浓度进行控制，并对模糊控制进行优化重构提高其控制精度，在污水溶解氧控制过程中将溶解氧值分为多个区段，对不同区段采用不同的控制形式，发挥各控制策略的优势，以期达到较优的污水溶解氧浓度控制效果。

2、本发明将溶解氧模糊融合控制算法应用于对污水处理中溶解氧浓度的控制，一旦控制效果不满意，可以改变模糊融合控制算法中的控制参数，使之达到满意的效果，非常方便。

附图说明

图1为本发明的模糊融合控制算法流程图。

图2为本发明实施例1溶解氧值各区段的示意图。

图3为本发明实施例1的控制效果示意图。

图4为本发明实施例2溶解氧值各区段的示意图。

图5为本发明实施例2的控制效果示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的控制方法包括以下步骤：

1）以一台研华610L工控机为上位机，利用组态王Kingview6.53设计人机交互界面，以西门子S7-200PLC的CPU224作为下位机，并设计PLC控制程序，构建一个污水处理自动控制实验平台，所述的污水处理自动控制实验平台还包括可连接各泵的SBR反应器，在所述SBR反应器内设置有溶解氧传感器；在所述PLC控制程序中开发溶解氧控制模块，所述溶解氧控制模块与溶解氧传感器信号连接。

2）污水处理自动控制实验平台处理的污水为造纸污水，其处理过程如下：

a）从某造纸厂进入SBR池的入水总管取出100L造纸污水，测得其COD为1195mg/L；

b）按照质量比COD:N:P=230:5:1添加尿素和磷酸，以补充营养元素N和P，加入尿素5.599g，85%的磷酸1.93g；

c）将造纸污水置于实验室，冷却1天至室温，待用；

d）采用SBR工艺处理造纸污水，保持污水悬浮固体浓度MLSS在2.0g/L，在每个SBR周期内加入3L造纸污水进行处理。

其中，步骤a）所述100L造纸污水用4个25L等大的塑料容器盛装；所述污水COD值通过美国HACH公司的DR1200COD仪进行测定。步骤b）所述尿素的含N（氮）质量分数为46.4%；所述磷酸的含P（磷）质量分数为98%。步骤（c）所述室温为19.7℃。步骤（d）所述SBR工艺包括静态进水、混合进水、曝气进水、曝气阶段、混合阶段、沉降阶段、排泥阶段和滗水阶段，对应各阶段的时间分别为10分钟、5分钟、25分钟、180分钟、10分钟、65分钟、10分钟和60分钟，一个SBR周期为360分钟。

3）溶解氧控制模块采用模糊融合控制技术设计的算法对污水溶解氧浓度进行控制，在整个控制过程中对模糊控制策略进行优化重构。

如图1所示，模糊融合控制技术设计的算法流程如下：

a）运行模糊控制查询表的Matlab快速制取程序；

b）分别制取低溶解氧、中心设定值和高溶解氧3个区域的模糊控制查询表；

c）对溶解氧模糊控制查询表进行优化重构；

d）获得新的模糊控制查询表；

e）实施模糊融合控制；

f）如果控制效果不满意，则改变中心频率和摆动频率的参数，返回步骤a）；如果控制效果满意，则结束控制。

其中，溶解氧浓度设定值为2mg/L。溶解氧传感器量程为0~20mg/L。溶解氧浓度对应的PLC数值（即PLC控制器的内部运行数值）为6400~32000。

步骤b）~步骤d）具体步骤如下：

任意溶解氧值x，对应的PLC数值y：

$\frac{y-6400}{32000-6400}=\frac{x-0}{20-0}\⇒y=1280x+6400---\left(2\right)$

溶解氧误差Δx，对应PLC数值误差Δy：

$y=1280x+6400\⇒\mathrm{\Δy}=1280\mathrm{\Δx}---\left(3\right)$

溶解氧误差变化率Δ'x，对应PLC数值变化率Δ'y：

$\mathrm{\Δy}=1280\mathrm{\Δx}\⇒{\mathrm{\Δ}}^{\′}y=1280{\mathrm{\Δ}}^{\′}x---\left(4\right)$

变频器的频率输出范围是[a-b,a+b]，而频率输出范围是[0,50]，对应PLC数值范围是[6400,32000]，因而得到其转换过程：

从模糊控制的输出u向变频器的频率输出z的转换：

$\frac{z-(a-b)}{(a+b)-(a-b)}=\frac{u-(-6)}{6-(-6)}\⇒z=u\×\frac{b}{6}+a---\left(5\right)$

从变频器的频率输出z向PLC数值u_real的转换：

$\frac{u_{\mathrm{real}}-6400}{32000-6400}=\frac{z-0}{50-0}\⇒u_{\mathrm{real}}=512z+6400---\left(6\right)$

故通过式（5）和（6），可得到PLC数值：

$u_{\mathrm{real}}=f(a,b)=512\×(u\×\frac{b}{6}+a)+6400---\left(7\right)$

通过式（7）求出其PLC数值，得到一个13×13矩阵形式的模糊控制查询表。式中a是中心频率（指当溶解氧达到设定值，且无误差变化率时的输出频率），b是摆动频率（指偏差达到规定的上下限时对应的变化频率），u是论域范围为[-6,6]的13×13矩阵，它是模糊控制器的输出，u_real是与u相对应的PLC数值，其输出为13×13的矩阵，该公式用函数简写为u_real=f(a,b)。

对13×13矩阵形式的模糊控制查询表进行区域划分：前6行为低溶解氧区、中心行为设定值区、后6行为高溶解氧区。对这三个不同区域的数据采用三种不同的中心频率和摆动频率分别计算，即对模糊控制查询表进行重构。

首先是确定低溶解氧区、设定值区和高溶解氧区三个区域的中心频率和摆动频率（中心频率和摆动频率通过实验加经验确定），然后分别计算出三个模糊控制查询表：低溶解氧区模糊控制查询表、设定值区模糊控制查询表和高溶解氧区模糊控制查询表；其次低溶解氧区模糊控制查询表选取低溶解氧区数据，设定值区溶解氧模糊控制查询表选取设定值区数据，高溶解氧模糊控制查询表选取高溶解氧区数据；最后将上述获取的三部分数据按对应位置重新整合成一个新的模糊控制查询表。

而在步骤e）的实施模糊融合控制中：

如图2和图3所示，溶解氧设定值为2mg/L，从曝气进水到曝气结束，溶解氧控制阶段为15~220分钟，此时将溶解氧值划分为4个区段分别进行控制：在0~1.4mg/L采用50Hz恒频输出；在1.4~1.9mg/L采用40Hz恒频输出；在1.9~2.1mg/L采用模糊控制，其中1.9~2.0mg/L时的中心频率和摆动频率分别为30Hz和5Hz，2.0mg/L时的中心频率和摆动频率分别为26Hz和3Hz，2.0~2.1mg/L时的中心频率和摆动频率分别为22Hz和6Hz；在大于2.1mg/L时，输出频率为0，停止曝气。1.9~2.0mg/L为低溶解氧区，2.0mg/L为设定值区，2.0~2.1mg/L为高溶解氧区，各区域的中心频率和摆动频率通过式（5）计算输出频率，输出频率通过式（7）计算PLC数值，PLC数值再通过式（2）计算溶解氧值。

从第一次超过1.85mg/L到曝气反应结束的时间里，开始计算溶解氧的平均值、最大值、最小值和标准方差，其中选取数据的采样周期为20秒钟；然后得到各项控制控制指标：平均值2.001mg/L、最大值为2.06mg/L、最小值为1.90mg/L、标准方差为0.0233。

由于溶解氧的平均值为2.001mg/L，非常接近设定值2.0mg/L，标准方差仅为0.0233，说明曝气阶段溶解氧数据的波动非常小，控制效果非常好。

实施例2：

本实施例处理的污水为造纸污水，在模糊融合控制策略中：

如图4和图5所示，溶解氧设定值为2mg/L，从曝气进水到曝气结束，溶解氧控制阶段为15~220分钟，此时将溶解氧值划分为6个区段分别进行控制：在0~1.4mg/L采用50Hz恒频输出；在1.4~1.7mg/L采用40Hz恒频输出；在1.7~1.9mg/L和2.1~2.15mg/L采用PID控制，其中比例常数为0.65、积分时间为0.01分钟，微分时间为500分钟；在1.9~2.1mg/L采用模糊控制，其中1.9~2.0mg/L时的中心频率和摆动频率分别为30Hz和5Hz，2.0mg/L时的中心频率和摆动频率分别为26Hz和3Hz，2.0~2.1mg/L时的中心频率和摆动频率分别为22Hz和6Hz；在大于2.15mg/L时，输出频率为0，停止曝气。其中，图5中的黑色实线代表溶解氧，点划线代表变频器的输出频率，虚线代表溶解氧浓度的设定值。

从第一次超过1.85mg/L到曝气反应结束的时间里，开始计算溶解氧的平均值、最大值、最小值和标准方差，其中选取数据的采样周期为20秒钟；然后得到各项控制控制指标：平均值为2.012mg/L、最大值为2.10mg/L、最小值为1.81mg/L、标准方差为0.0453。

由于平均值为2.012mg/L，很接近设定值2.0mg/L，而标准方差很小为0.0453，说明曝气控制阶段溶解氧数据波动小，控制效果好。其余实施方式同实施例1。

以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法，其特征在于：所述方法以工控机为上位机、以PLC控制器为下位机，共为主体构建一个污水处理自动控制实验平台，对污水进行处理，包括以下步骤：在所述PLC控制器中设置溶解氧控制模块，该溶解氧控制模块采用由模糊控制、开关控制和PID控制策略构成的模糊融合控制技术设计的算法对污水溶解氧浓度进行控制，在整个控制过程中对模糊控制策略进行优化重构。

2.根据权利要求1所述的基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法，其特征在于：所述的污水处理自动控制实验平台还包括可连接各泵的SBR反应器，在所述SBR反应器内设置有溶解氧传感器，该溶解氧传感器与溶解氧控制模块信号连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法，其特征在于：所述污水为合成污水或造纸污水。

4.根据权利要求3所述的基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法，其特征在于：所述造纸污水的处理过程包括：

a）取100L造纸污水，测得其COD为1195mg/L；

b）按照质量比COD:N:P=230:5:1添加尿素和磷酸，以补充营养元素N和P，加入尿素5.599g，85%的磷酸1.93g；

c）将造纸污水置于实验室，冷却1天至室温，待用；

d）采用SBR工艺处理造纸污水，保持污水悬浮固体浓度MLSS在2.0g/L，在每个SBR周期内加入3L造纸污水进行处理。

5.根据权利要求1或2所述的基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法，其特征在于：模糊融合控制技术设计的算法流程包括：

a）运行模糊控制查询表的Matlab快速制取程序；

b）分别制取低溶解氧、中心设定值和高溶解氧3个区域的模糊控制查询表；

c）对溶解氧模糊控制查询表进行优化重构；

d）获得新的模糊控制查询表；

e）实施模糊融合控制；

f）如果控制效果不满意，则改变中心频率和摆动频率的参数，返回步骤a）；如果控制效果满意，则结束控制。

6.根据权利要求5所述的基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法，其特征在于：所述溶解氧设定值为2mg/L，溶解氧传感器量程为0~20mg/L，溶解氧浓度对应的PLC数值为6400~32000。

7.根据权利要求6所述的基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法，其特征在于：步骤b）所述的模糊控制查询表采用下式制取：

$u_{\mathrm{real}}=f(a,b)=512\×(u\×\frac{b}{6}+a)+6400$

其中，a是中心频率，b是摆动频率，u是论域范围为[-6,6]的13×13矩阵，u_real是PLC数值，其输出为13×13的矩阵；通过该式求出其PLC数值，得到一个13×13矩阵形式的模糊控制查询表，前6行为低溶解氧区、中心行为设定值区和后6行为高溶解氧区。

8.根据权利要求7所述的基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法，其特征在于：步骤c）对溶解氧模糊控制查询表优化重构和步骤d）获得新的模糊控制查询表如下：

首先是确定低溶解氧区、中心行设定值区和高溶解氧区三个区域的中心频率和摆动频率，然后分别计算出三个模糊控制查询表：低溶解氧区模糊控制查询表、设定值区模糊控制查询表和高溶解氧区模糊控制查询表；其次，低溶解氧区模糊控制查询表选取低溶解氧区数据，设定值区溶解氧模糊控制查询表选取设定值区数据，高溶解氧模糊控制查询表选取高溶解氧区数据；最后将上述获取的三部分数据按对应位置重新整合成一个新的模糊控制查询表。

9.根据权利要求8所述的基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法1，其特征在于：在步骤e）实施模糊融合控制时，将溶解氧值划分为4个区段分别进行控制，在0~1.4mg/L采用50Hz恒频输出；在1.4~1.9mg/L采用40Hz恒频输出；在1.9~2.1mg/L采用模糊控制，其中1.9~2.0mg/L时的中心频率和摆动频率分别为30Hz和5Hz，2.0mg/L时的中心频率和摆动频率分别为26Hz和3Hz，2.0~2.1mg/L时的中心频率和摆动频率分别为22Hz和6Hz；在大于2.1mg/L时，输出频率为0，停止曝气。

10.根据权利要求8所述的基于模糊融合控制技术的污水溶解氧浓度控制方法2，其特征在于：在步骤e）实施模糊融合控制时，将溶解氧值划分成6个区段分别进行控制，在0~1.4mg/L采用50Hz恒频输出；在1.4~1.7mg/L采用40Hz恒频输出；在1.7~1.9mg/L和2.1~2.15mg/L采用PID控制，其中比例常数为0.65、积分时间为0.01分钟，微分时间为500分钟；在1.9~2.1mg/L采用模糊控制，其中1.9~2.0mg/L时的中心频率和摆动频率分别为30Hz和5Hz，2.0mg/L时的中心频率和摆动频率分别为26Hz和3Hz，2.0~2.1mg/L时的中心频率和摆动频率分别为22Hz和6Hz；在大于2.15mg/L时，输出频率为0，停止曝气。

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