CN109761344A - 一种表面曝气溶解氧控制方法 - Google Patents

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钱宏
杨光
王永坚
梁斌伦
李伟民
马殿同
张萌萌
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Abstract

本发明公开了一种表面曝气溶解氧控制方法，涉及自动化过程控制技术领域。该表面曝气溶解氧控制方法，包括如下步骤：表曝机安装：针对一条生化池好氧段，在生化池内安装表曝机，根据水流方向安装于好氧段的上下游，变频驱动设备安装：根据表曝机的功率，在表曝机上分配相应的变频驱动设备，溶解氧测量仪安装：在生化池各分布的表曝机区域，选取稳定性的检测点处安装溶解氧测量仪。该表面曝气溶解氧控制方法，引用一种新型非线性控制策略，旨在解决生化池表面曝气系统扰动大、纯滞后的影响，在出水达标的前提上，使得表面曝气器快速响应，实现溶解氧的快速控制、恒定运行，从而节能降耗，降低污水厂的运营成本。

Description

一种表面曝气溶解氧控制方法
技术领域
本发明涉及自动化过程控制技术领域，具体为一种表面曝气溶解氧控制方法。
背景技术
溶解氧曝气装置从曝气方式分为表面曝气器和水下曝气器。表面曝气器与水下曝气器相比较由于其具有结构简单，径向推流能力强，完全混合区域广，动力效率较高，不挂垃圾，不会堵塞，维护方便等优点，从而被广泛用于城市生活污水的处理行业。但由于生化池容积大、环境复杂等因素，导致曝气器的恒氧量控制系统具有非线性、强耦合和大滞后特点，且扰动因素较多，因而传统控制方案难以获得满意的效果。鉴于进水水质、水量的波动，污水处理厂在运营过程中通常将溶解氧控制在一个较高水平，以应对一些不确定性的扰动带来对出水水质的冲击，这样会导致缺氧池中DO含量增加抑制反硝化反应影响脱氮效果，同时造成很大的能源浪费。
现有申请号CN201310190299.7的发明公开了一种曝气器、曝气系统和曝气方法。
该发明虽然解决了一些问题，但是在使用时依然存在以下等问题需要解决：
1、该发明仅采用曝气装置结构的改良，从而产生微米级气泡甚至纳米级气泡，以此实现智能曝气，难以很好的解决生化池表面曝气系统扰动大、纯滞后的影响；
2、该发明难以很好的根据实际情况改变装置的功率，从而难以很好的实现溶解氧的快速控制和恒定运行，增加能耗的同时增加了成本。
于是，本申请人秉持多年该相关行业丰富的设计开发及实际制作的经验，针对现有的结构及缺失予以研究改良，提供一种表面曝气溶解氧控制方法，以期达到更具有更加实用价值性的目的。
本发明引用一种新型非线性控制策略，旨在解决生化池表面曝气系统扰动大、纯滞后的影响，在出水达标的前提上，使得表面曝气器快速响应，实现溶解氧的快速控制、恒定运行，从而节能降耗，降低污水厂的运营成本。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种表面曝气溶解氧控制方法，解决了在表面曝气溶解氧过程中，控制效果差、曝气不精准和能源消耗较大的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种表面曝气溶解氧控制方法，包括如下步骤：
S1、表曝机安装：针对一条生化池好氧段，在生化池内安装表曝机，根据水流方向安装于好氧段的上下游；
S2、变频驱动设备安装：根据表曝机的功率，在表曝机上分配相应的变频驱动设备；
S3、溶解氧测量仪安装：在生化池各分布的表曝机区域，选取稳定性的检测点处安装溶解氧测量仪；
S4、溶解氧控制闭环回路组成：通过必要的信号隔离或信号转换装置将溶解氧测量仪测量的DO值y送入控制器。过程控制器(非线性控制器和Smith预估补偿控制器)经相应的算法计算得出u1和u2，逻辑控制器根据实际溶解氧值和设定溶解氧值的比较后，通过阈值判断控制切换开关S选择投运启动的表曝机数量，经过组合叠加得出相应的变频器控制频率f和启动台数，从而组成单个溶解氧控制闭环回路；
S5、修正非线性控制器的控制参数：不断的将进水流量和池内污泥浓度等参数作为干扰源送入非线性控制器的前馈网络，不断修正非线性控制器的控制参数Kp\kd\ki；
S6、预估补偿功能实现：将控制偏差e(t)引入Smith预估补偿控制器，从而实现大滞后环节的预估补偿功能，补偿纯滞后系统常数г；
S7、控制频率计算：叠加非线性控制器和Smith预估补偿控制器的输出，通过加权计算得出控制频率f；
S8、选择投运启动的表曝机数量：逻辑控制器根据实际溶解氧值和设定溶解氧值的比较后，通过阈值判断控制切换开关S选择投运启动的表曝机数量。
优选的，在步骤S1中，表曝机的数量至少为两组。
优选的，在步骤S8中，控制系统表曝机执行装置为倒伞型或者转碟型。
优选的，在步骤S4中，控制器设备包括可编程逻辑控制器和工业控制计算机。
优选的，在步骤S5中，非线性控制器参数计算是基于高斯函数的构造。
(三)有益效果
本发明提供了一种表面曝气溶解氧控制方法。具备以下有益效果：
(1)、该表面曝气溶解氧控制方法，采用非线性前馈控制网络，不断修正控制器的控制参数Kp\kd\ki，解决PID控制器的自适应性差和控制效果差的问题。
(2)、该表面曝气溶解氧控制方法，利用了Smith预估补偿控制器组合控制系统，实现大滞后环节的预估补偿功能，解决系统纯滞后问题，提高控制系统性能。
(3)、该表面曝气溶解氧控制方法，通过步骤S1和步骤S2改进途径，智能选择表曝机的数量和运行频率，具有较高的控制响应速度和控制稳定性，从而在保证出水达标的前提上，将生化池内的溶解氧控制在合理的范围，实现污水处理厂节能降耗，降低运营成本。
附图说明
图1为本发明的控制系统结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种表面曝气溶解氧控制方法，包括如下步骤：
S1、表曝机安装：针对一条生化池好氧段，在生化池内安装表曝机，根据水流方向安装于好氧段的上下游(表曝机的数量至少为两组)；
S2、变频驱动设备安装：根据表曝机的功率，在表曝机上分配相应的变频驱动设备；
S3、溶解氧测量仪安装：在生化池各分布的表曝机区域，选取稳定性的检测点处安装溶解氧测量仪；
S4、溶解氧控制闭环回路组成：通过必要的信号隔离或信号转换装置将溶解氧测量仪测量的DO值y送入控制器。过程控制器(非线性控制器和Smith预估补偿控制器)经相应的算法计算得出u1和u2，逻辑控制器根据实际溶解氧值和设定溶解氧值的比较后，通过阈值判断控制切换开关S选择投运启动的表曝机数量，经过组合叠加得出相应的变频器控制频率f和启动台数，从而组成单个溶解氧控制闭环回路(控制器设备包括可编程逻辑控制器和工业控制计算机)；
S5、修正非线性控制器的控制参数：不断的将进水流量和池内污泥浓度等参数作为干扰源送入非线性控制器的前馈网络，不断修正非线性控制器的控制参数Kp\kd\ki(非线性控制器参数计算是基于高斯函数的构造)；
根据上述的组合方法，采用高斯函数来构造非线性PID控制器：
构造非线性函数kp、kd、ki：
kp(e(t))＝ap+bp(1-exp(-(e(t)/cp)2)) (1)
kd(e(t))＝ad+bd(1-exp(-((e(t)-dd)/cd)2) (2)
ki(e(t))＝aiexp(-(e(t)/ci)2) (3)
式(1)中：ap,bp,cp为正常数。当误差ep→±∞时，kp取最大值ap+bp；当ep＝0时，kp取最小值为ap；bp为kp的变化区间，cp的大小是kp变化的速率；
式(2)中：ad,bd,cd,dd为正实常数，ad为kd的最小值，ad+bd为kd的最大值，当e(t)＝0时，kd(e(t))＝ad+bd(1-exp(-(dd/cd)2)，调整cd大小可调整kd变化速率；
式(3)中：ki的取值范围为(0,ai),e(t)＝0时，ki取最大值。ci取值决定了ki的变化快慢程度；
计算非线性PID调节器的控制输出为：
S6、预估补偿功能实现：将控制偏差e(t)引入Smith预估补偿控制器，从而实现大滞后环节的预估补偿功能，补偿纯滞后系统常数г；
加权计算如式：
f(t)＝k1(t)u1(x)+k2(t)u2(x),(t为时间常数，x＝xk1、xk2...) (5)；
S7、控制频率计算：叠加非线性控制器和Smith预估补偿控制器的输出，通过加权计算得出控制频率f；
S8、选择投运启动的表曝机数量：逻辑控制器根据实际溶解氧值和设定溶解氧值的比较后，通过阈值判断控制切换开关S选择投运启动的表曝机数量(控制系统表曝机执行装置为倒伞型或者转碟型)，将生化池内一条好氧池内的表曝机组组合，组成一种表面曝气器溶解氧控制系统。
综上所述，该表面曝气溶解氧控制方法，采用非线性前馈控制网络，不断修正控制器的控制参数Kp\kd\ki，解决PID控制器的自适应性差和控制效果差的问题；
同时，利用了Smith预估补偿控制器组合控制系统，实现大滞后环节的预估补偿功能，解决系统纯滞后问题，提高控制系统性能；
并且，通过步骤S1和步骤S2改进途径，智能选择表曝机的数量和运行频率，具有较高的控制响应速度和控制稳定性，从而在保证出水达标的前提上，将生化池内的溶解氧控制在合理的范围，实现污水处理厂节能降耗，降低运营成本。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种表面曝气溶解氧控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、表曝机安装：针对一条生化池好氧段，在生化池内安装表曝机，根据水流方向安装于好氧段的上下游；
S2、变频驱动设备安装：根据表曝机的功率，在表曝机上分配相应的变频驱动设备；
S3、溶解氧测量仪安装：在生化池各分布的表曝机区域，选取稳定性的检测点处安装溶解氧测量仪；
S4、溶解氧控制闭环回路组成：通过必要的信号隔离或信号转换装置将溶解氧测量仪测量的DO值y送入控制器。过程控制器(非线性控制器和Smith预估补偿控制器)经相应的算法计算得出u1和u2，逻辑控制器根据实际溶解氧值和设定溶解氧值的比较后，通过阈值判断控制切换开关S选择投运启动的表曝机数量，经过组合叠加得出相应的变频器控制频率f和启动台数，从而组成单个溶解氧控制闭环回路；
S5、修正非线性控制器的控制参数：不断的将进水流量和池内污泥浓度等参数作为干扰源送入非线性控制器的前馈网络，不断修正非线性控制器的控制参数Kp\kd\ki；
S6、预估补偿功能实现：将控制偏差e(t)引入Smith预估补偿控制器，从而实现大滞后环节的预估补偿功能，补偿纯滞后系统常数г；
S7、控制频率计算：叠加非线性控制器和Smith预估补偿控制器的输出，通过加权计算得出控制频率f；
S8、选择投运启动的表曝机数量：逻辑控制器根据实际溶解氧值和设定溶解氧值的比较后，通过阈值判断控制切换开关S选择投运启动的表曝机数量。
2.根据权利要求1所述的一种表面曝气溶解氧控制方法，其特征在于：在步骤S1中，表曝机的数量至少为两组。
3.根据权利要求1所述的一种表面曝气溶解氧控制方法，其特征在于：在步骤S8中，控制系统表曝机执行装置为倒伞型或者转碟型。
4.根据权利要求1所述的一种表面曝气溶解氧控制方法，其特征在于：在步骤S4中，控制器设备包括可编程逻辑控制器和工业控制计算机。
5.根据权利要求1所述的一种表面曝气溶解氧控制方法，其特征在于：在步骤S5中，非线性控制器参数计算是基于高斯函数的构造。
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