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基于模糊PID控制的污水处理系统研究
摘要-采用高可靠性,反干扰能力强的PLC（可编程逻辑控制器）为特定的化工企业设计污水处理控制系统，可以实现污水处理的自动控制。模糊PID（管道和仪表图）控制器是为系统中的非线性控制而设计的，通过模糊控制算法在线调整PID参数，取代了传统PID控制和手动建模的控制方法， 它解决了数学模型难以获得的困难问题，并且掌握了污水处理控制系统的动态特性。 该系统动态性能好，稳定精度高，抗干扰性能强，鲁棒性好。 系统的实现提高了污水处理的效率，并降低了污水处理的成本。
关键词：污水处理，模糊控制
1 介绍
现代化工企业在工业制造过程中可能带来大量的污水，如果污水不处理就直接排入河道，生产将对环境造成严重破坏，必须按照标准进行处理达到标准之后才可以排入河道。 随着自动化技术和计算机技术的不断发展和完善，现代污水处理的自动控制正在进入计算机智能控制的阶段。 目前污水处理行业采用现场PLC控制，实时监测关键参数（如压力，温度，流量等），控制各种加工设备（如阀门，泵，风机等）启动和停止，上位机显示运行的技术参数，并设置系统的控制模型。本文根据某化工行业的污水处理技术，设计并实现了基于模糊PID的污水处理控制系统。
2污水处理系统过程的分析
污水处理技术采用预处理，厌氧生化，好氧生物化学，物理化学过程四个层次的一定
化学工业。 图1说明了污水处理过程。
图1 某化工行业的污水处理工艺
在预处理阶段，浓缩废液和洗涤废水升级为浓缩废水反应器，向反应器中加入絮凝和吸收剂，底部安装气管，使用空气搅拌，反应结束后使用潜水式污水泵 压力混合液进入调节储罐，调节储罐接受冷凝的分离液，污水和冷却水，降低盐的速率，并加入浓度较高的有机废物，以提高废水的原始生物降解性。污水的PH值在调整后为7〜8，COD为1082mg / L，在厌氧阶段，利用厌氧生化效应分解一些有机污染物，提高废水的生物降解性，在好氧阶段 采用鼓风曝气生物接触氧化，利用厌氧微生物学的生化效应分解有机污染物，物理化学过程阶段采用物理化学方法，进一步去除COD，SS等污染物，以达到 一流的排放标准
3控制系统组成
从污水处理过程，我们可以看到污水处理的自动化过程更复杂。 有更多的输入和输出点。由于这种情况，污水处理控制系统选择西门子S7-300系列PLC.S7-300是一个模块化小型PLC系统，可以满足中等性能要求的应用。通过分布式机架（CR）和2个扩展机架（ER），S7-300最多可以运行24个模块。 中央处理单元（CPU）集成了PROFIBUS-DP和通信接口多点接口（MPI），MPI用于同时连接编程器，PC和人机接口等。 信号模块（SM）用于数字和模拟输入和输出。在该控制系统中，PLC主要控制进水泵单元，浓缩废液反应，沉淀池单元，曝气池单元和PH调节单元。根据控制需求，CPU模块使用315-2DP，数字输入（DI）使用SM321模块，数字输出（DO）使用SM322模块，模拟输入（AI）使用SM331模块，模拟输出（AO）
在现实场景中，数字输入和输出（DI / DO），模拟输入和输出（AI / AO）都具有冗余的一部分，以满足系统临时扩展的需要。
4模糊PID参数控制算法
对于工业控制过程，PID控制器具有结构简单，使用方便，稳定可靠，无静电等优点，因此被广泛应用。然而，传统的PID控制存在许多缺陷，其中最重要的是PID控制器的参数设置问题。因为一旦参数设置好，整个控制过程是固定的。在污水处理控制系统中，添加絮凝和碱液，曝气等环节具有工艺复杂性和变异性，非线性和强滞后特性的特点，因此传统的PID控制不能达到满意的控制效果。为了解决这个难题，本系统采用模糊控制算法。
A.PID控制原理
PID控制器是线性调节器，它将的设定值与C的输出值进行比较以构成控制偏差e=r-c比例，积分和微分系数，并通过线性组合构成控制变量，因此它是P（比例），I（积分），D（差分）控制器的缩写。
常规PID算法数字控制律如下：
= (1)
在公式中，是控制器的输出，是控制器的输入偏差，是系统像差的变化率，是比例增益，是积分增益，是微分系数增益。
从公式（1），我们可以看出通过增加比例增益，系统可以移动更快和灵敏。在系统稳定的情况下，可以提高控制精度，减少平稳状态误差，但不能完全消除误差。 在大侧，振荡频率增大，调节时间延长，但过大会导致系统不稳定。另一方面，太小的会导致系统运动缓慢，降低灵敏度。介绍积分增益是为了消除系统状态误差。然而，引入值使得系统响应的快速下降，系统的稳定性变得贬义。特别是当系统出现大的偏差时，积分常常使系统出现过度的过冲，使调整周期延长。 微分增益的作用是根据偏差变化的电流对变化趋势做出反应，加速反应速度关于偏差变化，可以有效减少过冲，降低最大动态偏差。然而，同时它通过高频干扰使系统易受影响。
B．模糊自定义PID参数控制器设计
模糊PID控制器系统的参数可调主要由可调参数的PID控制器和模糊控制器两部分组成，模糊控制器将控制系统的误差和误差变化率作为输入，采用模糊推理 方法实现PID控制器的三个参数，即比例增益，积分增益和微分增益在线自动设置。该参数可调的PID控制器通过模糊控制的结果实现控制系统的PID控制。图2示出了模糊自设定PID参数控制器结构。
图2 模糊自设定PID参数控制器结构图
根据污水处理控制的要求，将关于系统误差E和误差EC的变化率的总体划分为7个模糊子集：关于控制器偏差E的语言变量值和偏差EC的变化率 {负，中，负，小，零，正小，正中，正大}，定量度取{ - 6，-5，-4，-3， 2， 3， 4， 5， 6}。 每个模糊子集的下级函数采用三角函数，结构如图3所示。
图3 三角函数结构图
根据每个模糊子集的从属度分配表和每个参数模糊控制模型，通过应用模糊综合推理设计PID参数调整量△，△，△的模糊调整规则表，如表Ⅰ所示 ，表Ⅱ和表Ⅲ。 其中NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分别表达负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。
表一 △模糊控制规则表
表二 △模糊控制规则表
表三 △模糊控制规则表
根据污水处理控制的手动操作经验，模糊控制器的规则可以写成条件语句的以下形式：
如果| e | = 并且|Delta;e| = ，则或 或 = ，i= 1,2，...，n; j = 1,2，... m，
其中，和是领域X，Y的模糊集，Z定义关于| e |，| △e | 和，，。
R= (2)
当| e | ，| △e | 分别取模糊集A，B，根据模糊后果合成规则，，可获得：
(A*B)*R (3)
C. 模糊自定义PID参数控制器算法应用
在污水处理控制系统中，添加絮凝和碱液，曝气等环节具有工艺复杂性和变异性的特点，因此都采用模糊控制算法。 以下以曝气链接为例进行说明
在曝气链路中，控制系统通过调节换能器的频率来调节鼓风机的转速，然后改变鼓风机负荷进入池中的输入空气，最终控制进入曝气池的空气。在系统中，首先将溶解氧浓度的设定值与测试值进行比较，将结果载入模糊控制器，然后通过模糊控制器和换能器控制鼓风机的转速，以控制曝气 值和溶解氧浓度。 整个系统是一个闭环反馈控制系统。 图4示出了曝气链路控制结构。
图4 曝气链接控制结构图
在模糊控制器中，首先将过程的量化因子E和EC保存到PLC的维护继电器中，然后使用A / D模块将输入收集到PLC的DM数据区，在处理限幅后 ，根据其相对输入模糊理论的相应元素，查表模糊控制值查找模糊输出U，通过乘以输出量化因子，可以得到实际输出值V，传感器由D / A控制 模块输出
5.软件设计
污水模糊控制系统的软件包括上位机和PLC控制器两部分，上位机软件的主要功能是设置PLC控制器的控制值，显示污水处理后的PH值数据，报警，报告写入器和上传污水处理数据到服务器的行业管理系统。上位机软件的开发采用视觉开发平台VC进行设计。PLC控制软件的主要功能是数据采集，处理过程控制，并将数据上传到计算机。图5示出了曝气链接流程图的PLC控制器软件。
图5 曝气链接控制流程图
6.结论
在本文中，模糊控制和PID控制技术相结合，提出了智能复合控制策略，应用于某一化工行业的污水处理控制系统。 通过模糊控制算法在线自适应调整PID参数不仅解决了难以确定的问题，而且使系统的静态和动态性能更好。 应用结果表明，基于模糊PID的污水处理控制系统的研究具有响应快，稳定精度高，鲁棒性好等特点。
参考文献
任平，王创新，“污水处理系统模糊控制系统”，微机信息。 北京，第22卷，第9-11页，2006年8月
王华强和宣豪，“自动控制系统设计用于当前污水处理厂”，工业控制计算机。南京，第19卷，第12-13页，2006年6月
石艳琼，“基于模糊理论调整参数的PID控制器”，芜湖职业技术学院学报，湖北师范，第9卷，第41-22页，2007年
Robert Fuller，Introduction to neuron-fuzzy systems，Physica-Verlag，New York，2000
2011年国际代尔夫特感应和控制网络会议，2011年4月11日至13日，荷兰
PLC在SBMBR污水处理系统中的应用自动控制
1青岛科技大学环境与市政工程系，青岛，qdlvmou@yeah.net
2计算机工程和技术学院Staffordshire大学，Beaconside Stafford英国ST18 0AD w.wu@staffs.ac.uk
摘要-为了确保污水处理设备运行周期和抽水泵间歇工作，并实现智能自动SBMBR污水处理设备，本文选择三菱FX2N系列PLC介绍SBMBR污水处理系统的控制系统。 通过分析自动控制系统目标，给出程序设计过程。 最终，设计的自动控制系统实现了自动水搅拌，水和厌氧，缺氧，有氧时间的控制。 自动控制系统为SBMBR的正常运行和出水质量提供了可靠的保证。 调试和操作实践证明，该系统大大提高了自动化程度，取得了良好的效果。
关键词：程序逻辑控制（PLC）; 测序分批膜生物反应器（SBMBR）; 自动控制系统
Iota;.引言
程序逻辑控制器（PLC）是一种专为工业环境工作而设计的数字操作电子设备。高可靠性，良好的容量和方便的操作的优点使其广泛应用于自动工业控制和机电一体化。它是工业自动化的骨干之一[1]。在水处理行业中，作为智能社区的主要水处理设备，定序分批膜生物反应器（SBMBR）越来越受到重视。国内污水处理排序分批反应器是一种通过间歇反应器活性污泥法和膜生物反应器整合而成的新型污水处理系统，通常从氧气剥夺到足够的氧气运行，可以同时实现硝化和抗硝化同一反应器。 SBMBR具有非常好的除磷和除磷效果[2-3]。膜生物反应器的连续工作可以使膜的污染更差，并且降低膜的通量，并且需要间歇地工作抽吸泵。为了使操作方案适合磷酸盐清除细菌的生长，便于需要脱硝，更好地弥补了不足的需求
氮和磷的去除，污水处理应该有一个合适的操作循环去除氮和磷。 利用PLC定时控制和计数控制对SBMBR的普及具有重要意义。
II． MBR污水处理系统控制要求
PLC控制对象SBMBR污水处理系统如图1所示。污水处理系统由两个搅拌水箱，曝气装置和MBR水箱组成。 水箱NO.1和NO.2高于MBR水箱。 当电磁阀C1和C2打开时，可以实现重力排水。 废水将从原水泵泵入搅拌水箱，在搅拌器中厌氧搅拌后稍微充气半小时，然后在充分通风两小时后排至MBR水箱。 最后，水将被抽吸泵的细胞对加压。 为了控制系统的运行周期时间，确保自动执行和出水效果，加强系统的安全性，建立了控制系统，以实现以下目的。
- NO.1搅拌水箱的控制。
当浮球式水位计在低水位时，磁阀A1打开，A2，C1关闭，返回污泥泵和原水泵上电; 当仪表处于高水位时，磁阀A1关闭，返回污泥泵和原水泵关闭，混合器M1工作1.5小时，然后停止工作，然后磁性B11和爆炸性空气泵打开，0.5 小时后，磁阀B11关闭，B12打开，2小时后磁阀B12关闭，C1打开。
图1 SBMBR污水处理系统示意图
NO.2搅拌水箱的控制。
当NO.1水箱的给水量升至高水位时，NO2水箱的磁阀打开，A1，C2关闭，回水污泥泵和原水泵开始工作; 当NO.2水箱中的浮球式液位计处于高位时，磁阀A2，回流污泥泵和原水泵停止工作，混合器M2开始工作1.5小时，然后停止工作，同时磁性B21 将在0.5小时后关闭，B22将打开，2小时后磁阀B22将关闭，C2将打开。
控制MBR水箱
系统操作（按下RUN按钮）后，A磁阀组将打开，B磁阀关闭，吸气泵开始工作; 当膜电阻增加并使电压真空计的负压超过15秒时，系统进入初始过滤水步骤，然后A组磁阀关闭，B组磁阀打开，抽吸泵开始工作，5分钟后 抽吸泵停止工作，膜反冲洗完成。
控制中水箱
保持中水箱中的液位保持在一定温度，并保证反洗水和回水的供应。 当中间水箱的水位达到浮球水位计的低水位时，中间水泵停止工作。 当达到高水位
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