CN107628691B - 一种曝气污水处理系统及其多参数模糊控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种曝气污水处理系统及其多参数模糊控制方法。本发明的一个目的是提供一种曝气污水处理系统，本发明的第二个目的是提供上述的系统的多参数模糊控制方法。本发明系统使用光伏电池作为能量来源，直流电机驱动曝气机作为执行机构。其运行方式为，通过检测污水支管和主管的液位值，以及传递的时间差，估算出污水流量；根据流量和入水口的电导率值、浊度值，计算出电机初始转速。运行一定时间后，检测出水口的电导率值和浊度值，根据其总量和变化率查模糊控制规则表，确定电机的实时转速，避免能量浪费。
Description
技术领域
本发明涉及一种曝气污水处理系统及其多参数模糊控制方法。
背景技术
农村生活污水的排放量和污染物含量是不稳定的，受季节，人口流动等因素影响很大。传统的分布式太阳能污水曝气处理装置是一个开环控制系统。若要保证最大排放时排污达标，则大部分时段消耗的能量是白白浪费的；反之若为了降低造价，降低光伏和储能电池的容量，则可能在某些时段排放超标。最终只能在总投资和污染排放上做出平衡妥协。若能够根据污染物含量调节曝气装置的功率，则既能降低成本又可以保证排放。最终实现在保证污水排放达标的前提下，尽可能节约能源。
对于目前的生活污水的主要水质指标为COD，标准测试为中和滴定法，需要采样并返回实验室检测。大型污水厂使用的光谱式在线测试仪价格非常昂贵，不可能在农村的分散式污水处理中应用。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的一个目的是提供一种曝气污水处理系统，本发明的第二个目的是提供上述的系统的多参数模糊控制方法。本发明可以对系统的运行进行智能化管理，系统运行状态根据水质、水量的状况而变化，达到无人值守、最大限度节能减排的目的。
为了实现上述的第一个目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种曝气污水处理系统，该系统包括曝气池、电源单元、数据采集单元、控制单元和执行单元，曝气池设置有由进水主管和多根进水支管，多根进水支管汇集连接进水主管，进水主管连接曝气池，所述的电源单元为数据采集单元、控制单元和执行单元提供电源；所述的数据采集单元包括多级液位传感器、电导率传感器和浊度传感器，在进水主管和多根进水支管分别设置所述的多级液位传感器，进水主管的入口、曝气池中央和排水口分别设置第一电导率传感器、第二电导率传感器和第三电导率传感器，进水主管的入口和排水口分别设置第一浊度传感器和第二浊度传感器；所述的控制单元包括数据采集模块控制器和中央处理器，多级液位传感器、电导率传感器和浊度传感器通过数据采集模块连接至中央处理器，中央处理器连接控制器；所述的执行单元包括直流电机和曝气机，中央处理器通过对采集的数据进行处理，通过控制器输出控制直流电机工作。
作为进一步改进，所述的电源单元包括太阳能光伏板、MPPT充电控制器和储能电池，太阳能光伏板通过PPT充电控制器连接储能电池。本发明利用太阳能光伏板进行光电转换，为污水处理中的曝气提供动力，并对设备运行进行智能化管理，系统运行状态根据水质、水量的状况而变化，达到无人值守、最大限度节能减排的目的。
作为进一步改进，所述的多级液位传感器通过zigbee通信模块连接至数据采集模块，电导率传感器和浊度传感器使用电缆连接至数据采集模块。
作为进一步改进，所述的控制器采用BLDC驱动器，直流电机采用BLDC电机。无论光伏电池还是蓄电池都只能提供低压直流电，若使用交流电机就必须加入电能转换环节。BLDC电机可以直接使用低压直流电，避免了升压-逆变-变频这一系列环节带来的能量损耗，降低了系统复杂度，提高了系统的可靠性。且BLDC机电效率更高，转速调节精确，特别适合这类应用。
本发明的系统运行状态根据水质、水量的状况而变化，达到无人值守、最大限度节能减排的目的。
为了实现上述的第二个目的，本发明采用了以下的技术方案：
上述的曝气污水处理系统的多参数模糊控制方法，该方法包括以下步骤：
1)将第一电导率传感器和第一浊度传感器测得的数值的偏差值加权处理，结合进水主管的入口污水流量，查模糊控制规则，得出对应的电机初始转速值；入口污水流量为多根进水支管流量和，且各进水支管的管径和传感器位置均为固定值，通过进水主管、进水支管的液位传感器的液位值，以及此液位值从支管传递至进水主管的时间差，估算出进入曝气池的入口污水流量；
2)在系统运行特定时间后，检测第三电导率传感器和第二浊度传感器的数值，根据传感器数值变化的速度，定性判断该次污水的特性，从而确定是否要进入第二阶段，当出口处传感器数值下降至特定值后，程序进入第二阶段；
3)第二阶段采用PID控制，其中Kp、Ki、Kd的数值需要根据传感器的数值查模糊控制表；Kp、Ki、Kd值的计算方式如下：先将第二电导率传感器和第二浊度传感器测得的数值的偏差值加权处理后得出电导率+浊度偏差，再将第一电导率传感器、第二电导率传感器和第三电导率传感器测得的数值的变化速度加权处理后得出电导率误差变化率，把两者者数值代入Kp、Ki、Kd值模糊控制规则表，分别得出该时刻的Kp、Ki、Kd值。
作为进一步改进，采样频率根据电导率变化率的数值控制在数秒至数十秒之间。
本发明的控制方法通过换算将污染物的实时浓度定性反馈给曝气控制装置，并通过控制算法，最终给出电机最佳工作功率，以达到最佳清污效果。
综上所述，本发明通过实时监测被测对象污染物含量，使用模糊PID控制算法，自动调节系统输出功率，最大程度节能。曝气驱动系统采用BLDC调速装置,当水中污染物发生变化时，控制器根据测得数值计算出当时所需的空气量,利用BLDC电机控制器改变空气压缩机电机的转速。当电机转速降低时，可以极大地降低电机的轴功率，从而达到节能的效果。
附图说明
图1:系统组成示意图。
图2:曝气池传感器布置示意图。
具体实施方式
本发明的系统中，多级液位传感器分别布置于：主管、支管A、支管B、支管C、支管D。各支管传感器之间最大距离不超过1km，使用zigbee无线通讯模块，将数据汇总至中央控制器。液位传感器和通讯模块由微型光伏板供电，超级电容作为光照不足时的储能装置。电导率传感器分别布置于主管入口，曝气池中央和排水口。浊度传感器分别布置于主管入口和排水口。电导率传感器和浊度传感器使用电缆连接至中央控制器。
附图2中“1主“是主管的液位传感器,1A、1B、1C、1D分别是支管A～支管D的液位传感器。每个传感器都有多级水位感应，互相间使用zigbee通讯传递数据。由于，主管流量＝支管A流量+支管B流量+支管C流量+支管D流量，且各支管的管径和传感器位置均为固定值。那么通过支管的液位值、主管液位值，以及此液位值从支管传递至主管的时间差，就可以估算出进入曝气池的污水流量。
附图2中2A是污水入水口的第一电导率传感器，2B是曝气池中央的第二电导率传感器，2C是出水口的第三电导率传感器。3A是入水口的第一浊度传感器，3B是出水口的第二浊度传感器。附图2中4是光伏阵列，作为系统工作的主能量来源。5是计算及执行机构，其中包含了储能电池、MPPT充电器，数据采集及中央处理器、GPRS通信模块、BLDC电机、BLDC控制器、曝气电机等设备。
由于污水曝气属于复杂动态系统，初始状态差异性大，控制过程滞后性大，无法用精确模型表述，因此用传统控制策略难以取得满意的控制效果。本发明利用模糊控制特有的简单、实用、有效的特点，建立一种自适应模糊PID控制算法，最终满足稳定性好、鲁棒性强，实时性好的要求。其设计思想是通过PID三个参数(其中Kp:比例系数，Ki:积分系数，Kd:微分系数)在控制系统中分别对响应速度、超调量和稳态精度等特性所取的不同作用而利用模糊规则进行在线调整。
针对该系统的特点，我们设计模糊逻辑控制器的要求是：在污染物含量与设定值偏差较大时使用全功率驱动，以尽可能快的调节；当污染物含量接近时采用PID算法限幅输出，根据不同的偏差给出不同的控制方式。尽可能在保证快速而准确的前提下，减小能量的损耗。在PID控制的过程中又根据不同的偏差和偏差率来决定3个参数的值。
具体的说，将入口污水第一电导率传感器电导率偏差值2A和入口污水第一浊度传感器浊度偏差值3A加权处理，结合入口污水流量，查模糊控制规则表1，可以得出对应的电机初始转速值。在系统运行特定时间后，检测曝气池出口处第三电导率传感器和第二浊度传感器的数值。根据传感器数值变化的速度，可以定性判断该次污水的特性，从而确定是否要进入第二阶段。当出口处传感器数值下降至特定值后，程序进入第二阶段。
模糊控制规则表1
表中NL、NM、NS、NO、PO、PS、PM、PL的具体数值可以根据前期的试验和工程经验给出。
第二阶段采用PID控制，其中Kp、Ki、Kd的数值需要根据传感器数值查模糊控制表。下面以Kp控制表为例说明。先将2C和3B加权处理后得出电导率+浊度偏差，再将2A、2B、2C的变化速度加权处理后得出电导率误差变化率，把2者数值代入模糊控制规则表2，便得出该时刻的Kp值。Ki、Kd的规则表与表2类似，不做赘述。
模糊控制规则表2
表中NL、NM、NS、NO、PO、PS、PM、PL的具体数值可以根据前期的试验和工程经验给出。为避免系统出现震荡，采样频率不宜过高，根据电导率变化率的数值，一般控制在数秒至数十秒之间；变化率越高，采样频率越高。
Claims (5)
1.一种曝气污水处理系统的多参数模糊控制方法，该曝气污水处理系统包括曝气池、电源单元、数据采集单元、控制单元和执行单元，曝气池设置有由进水主管和多根进水支管，多根进水支管汇集连接进水主管，进水主管连接曝气池，所述的电源单元为数据采集单元、控制单元和执行单元提供电源；其特征在于，所述的数据采集单元包括多级液位传感器、电导率传感器和浊度传感器，在进水主管和多根进水支管分别设置所述的多级液位传感器，进水主管的入口、曝气池中央和排水口分别设置第一电导率传感器、第二电导率传感器和第三电导率传感器，进水主管的入口和排水口分别设置第一浊度传感器和第二浊度传感器；所述的控制单元包括数据采集模块控制器和中央处理器，多级液位传感器、电导率传感器和浊度传感器通过数据采集模块连接至中央处理器，中央处理器连接控制器；所述的执行单元包括直流电机和曝气机，中央处理器通过对采集的数据进行处理，通过控制器输出控制直流电机工作；
该多参数模糊控制方法通过实时监测曝气池污染物含量，使用模糊PID控制算法，自动调节系统输出功率，在污染物含量与设定值偏差较大时使用全功率驱动；当污染物含量接近时采用PID算法限幅输出，根据不同的偏差给出不同的控制方式；具体包括以下步骤：
1)将第一电导率传感器和第一浊度传感器测得的数值的偏差值加权处理，结合进水主管的入口污水流量，查模糊控制规则，得出对应的电机初始转速值；入口污水流量为多根进水支管流量和，且各进水支管的管径和传感器位置均为固定值，通过进水主管、进水支管的液位传感器的液位值，以及此液位值从支管传递至进水主管的时间差，估算出进入曝气池的入口污水流量；
2)在系统运行特定时间后，检测第三电导率传感器和第二浊度传感器的数值，根据传感器数值变化的速度，定性判断该次污水的特性，从而确定是否要进入第二阶段，当出口处传感器数值下降至特定值后，程序进入第二阶段；
3)第二阶段采用PID控制，其中Kp、Ki、Kd的数值需要根据传感器的数值查模糊控制表；
Kp、Ki、Kd值的计算方式如下：
先将第二电导率传感器和第二浊度传感器测得的数值的偏差值加权处理后得出电导率和浊度偏差，再将第一电导率传感器、第二电导率传感器和第三电导率传感器测得的数值的变化速度加权处理后得出电导率误差变化率，把两者数值代入Kp、Ki、Kd值模糊控制规则表，分别得出对应时刻的Kp、Ki、Kd值。
2.根据权利要求1所述的一种曝气污水处理系统的多参数模糊控制方法，其特征在于，电源单元包括太阳能光伏板、MPPT充电控制器和储能电池，太阳能光伏板通过MPPT充电控制器连接储能电池。
3.根据权利要求1所述的一种曝气污水处理系统的多参数模糊控制方法，其特征在于，多级液位传感器通过zigbee通信模块连接至数据采集模块，电导率传感器和浊度传感器使用电缆连接至数据采集模块。
4.根据权利要求1所述的一种曝气污水处理系统的多参数模糊控制方法，其特征在于，控制器采用BLDC驱动器，直流电机采用BLDC电机。
5.根据权利要求1所述一种曝气污水处理系统的多参数模糊控制方法，其特征在于，采样频率根据电导率变化率的数值控制在数秒至数十秒之间。
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