城镇污水处理厂水量调节模糊控制系统

摘要：通过阜阳污水处理厂在污水提升泵站的自动控制设计中引入模糊控制的策略工程实例，介绍城镇污水处理厂水量调节模糊控制系统的系统配置、工作原理、运行方式和设计思路。该系统充分结合了城镇污水处理水量变化特点及其对自控系统提升泵站自控设计的具体要求，已在该厂运行一年，运行平稳，安全可靠，对污水处理厂适应城市排水管理在不同季节和不同时段的水量变化情况，保证水量连续、平滑调控，并有利于后续工艺调控和节能降耗，保障污水处理质量，因此该系统达到了设计要求，具有较大的应用推广价值。

关键词：模糊控制

近年来，国家为保护水环境不断加强城镇污水治理，陆续在各级城镇建设了污水处理厂。污水处理厂生产过程控制系统早期设计采用的PID控制方式，这种控制适合于可建立数学模型的确定性控制系统，但在实际的污水处理过程控制系统中存在很多非线性或时变不确定的因素。随着自动化控制技术的发展，越来越多的污水处理厂的过程控制系统以模糊控制方案取代了原有的PID控制。这种控制方案不需要掌握控制对象的精确数学模型，将之与交流变频调速系统相结合后，程序开发及操作都简单，工艺过程控制参数调节方便 ，可靠性高，因此，用PLC构成模糊控制器用于污水处理是一种新的尝试，不仅使控制系统更加可靠，而且取得了较好的控制效果。下面以阜阳污水处理厂进水泵房水量调节模糊控制系统为例进行详细介绍。

进水泵房介绍

为适应城镇排水系统水量变化大、随机性强的特点，阜阳污水处理厂设置了四台水泵，分别为两台流量3300m3/h、两台流量2100m3/h，分别用两台变频器采用一拖二的方式拖动电机 ，这样既可减小硬件投资，又可以根据管网不同的水量进行配合调节运行方式。

自动控制方案

控制系统结构

在进水泵房自动控制方式下，PLC、变频器、水泵、液位计构成一个闭环控制系统。此外，设置断路器、接触器、热继等控制保护回路，实现电机的控制与保系统。

运行方式

在泵房设置一台超声波液位计用于检测泵房水位。当泵房液位到达L1时，PLC发出指令使P1/P2变频启动，转速随频率从0Hz起上升到50Hz时，如在ΔT1时间内泵房液位仍大于设定值，则发指令使P1/P2转入工频运行，并使P3/P4变频启动，以此类推，直到液位达到要求。反之，如果管网水量下降，液位低于设定值，则逐步采取降低水泵运行频率――停泵的方式进行控制。

模糊控制设计

由于管网水量波动性和随机性很强，水泵特性存在非线性，控制方案很验证建立精确的数学模型，因此，在工艺人员长期总结的控制经验基础上，采用模糊控制算法进行自控系统设计就相当适用。

本控制系统采用“双输入单输出”的模糊控制器。即通过液位计测得的泵房液位信号L,经模糊器与液位预设值L0进行比较，得到偏差e以及偏差变化率ec作为输入量，经模糊化后，转化为用模糊控制语言描述的模糊集合，并建立输入与输入的模糊控制规则，计算出模糊控制表存于PLC内存，作为控制进水泵变频器频率的输出量。

模糊控制器包括输入量模糊化、模糊推理和解模糊3个部分。E和Ec分别为e和ec模糊化后的模糊量，U为输出控制量，u为U解模糊化后的精确量。

输入模糊化

在模糊控制器设计中，用［NB，NM，NS，Z0， PS，PM，PB］7个模糊子集来描述水泵误差e、误差变化率ec和输出控制量u，将其论域化为11个等级［-5，-4，-3，-2，-1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5］，模糊子集的隶属函数为三角型，在论域［-5，-4，-3，-2，-1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5］上模糊集合的隶属函数如下图所示

模糊决策和模糊控制规则

模糊控制器的控制规则是在总结污水泵房液位的控制经验基础上，结合输入、输出的隶属得出控制规则表。

模糊控制规则表明模糊系统的模糊关系为：if e=A and ec=B then u=C，其中A、B、C分别为e、ec和u模糊子集中的元素。

根据现场操作人员控制经验总结出模糊控制规则，并采用min-max重心法推算出模糊控制表，以给出输入精确量和输出精确量的直接关系，存入PLC内存。

模糊控制器的实现

在液位控制时，先将量化因子Le、Lec、Lu置入PLC的保持继电器中，再将通过液位计测得的泵房液位信号L与液位预设值L0进行比较，得到偏差e以及偏差变化率ec，置入PLC的数据寄存器中，经过限幅量化处理后，根据所对应的输入模糊论域中的相应元素，利用编制的查询模糊控制表求出模糊输出量，再乘以输出量化因子即可得实际输出值，由D／A模块输出调节变频器的输出频率，从而改变水泵转速控制流量。控制流程见下图所示：

利用PLC实现模糊控制，既保留了PLC控制系统稳定可靠、水量调节平稳灵活、抗干扰能力强、节能效果明显等优点，又提高了控制系统的智能化程度。结果表明，对于那些大滞后、非线性、数学模型难以建立且控制精度和快速性要求不很高的控制系统，基于PLC的模糊控制方法不失为一种较理想的方案。只要选择适当的采样周期和量化因子，可使系统获得较好的性能指标，从而满足控制性能要求。

参考文献

1 王耀男. 智能控制系统・模糊控制・专家系统・神经网络系统[M]. 长沙:湖南大学出版社，1996.

2 黄立培，张学.变频器应用技术及电动机调速[M].北京：人民邮电出版社，1998.

3 刘法治，赵明富.模糊控制技术在高楼恒压供水系统中应用[J]微计算机信息，2005，（7）：21－23

作者简介林萃，(1976－)女 1999年在武汉化工学院自动化系取得学士学位，现就职于阜阳创业水务有限公司，主要从事电气、自控设备管理工作。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。