模糊控制在污水处理中的应用探讨

摘 要：本文针对在某氧化沟污水处理中应用的模糊控制技术进行详细分析，在详细分析模糊控制系统的结构和原理的基础上，主要就其中关键技术进行分析，通过在某污水厂三期工程中的实践应用表明，该技术方法应用效果良好。

关键词：预估补偿 模糊控制 污水处理

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0067-02

硝化段、反硝化段和沉淀段是在三沟式氧化沟污水处理中常见的池子的容积比例分配方式，通过特定的工艺，实现脱氮去磷，净化污水的有效处理，是通过对于三沟中各沟的硝化-反硝化、曝气和沉淀时间的相关组合来进行。对于这种活性污泥法的一种变型处理工艺来说，为了更好能够解决延时曝气的运行问题，一般是在较为低的运行负荷上运行。其中，硝化-反硝化模式和硝化模式则是污水处理的两种运行模式，而BOD5，COD，NH3，-H等则为出水的指标参数，也就是所谓的控制对象的指标要求[1，2]。溶解氧反馈控制是工程上常用的工艺方法，在此工艺中，生物菌的硝化和硝化—反硝化反应是通过溶氧参数间接进行控制。在实际的工程中，入水参数的稳定性受到单一的溶解氧控制系统作用而表现一直良好。但是需要值得注意的是，入水的状况在实际运行中或是运行初期往往不能始终保持稳定状态，存在比较大的扰动性问题，为了保证良好的控制效果，这样就应该通过工艺经验，由相关操作人来进行修正，这样就不可避免存在较大的人为因素影响。本文主要在三沟式氧化沟污水处理中应用模糊控制技术，以说明实际工程的应用效果。

1 控制原理

图1为常见的一般反馈控制系统示意图。在该反馈系统中，其中，输出为Y（S），输入为W（S），被控对象为Gs（S），控制器传递函数为GR（S），干扰作用为Gsz（S）。在图1的结构中，当采用闭环PI的控制方法时，则应该得到

其中，Kc为比例系数；T为积分时的常数。

分析可得，系统的较大的扰动问题往往是由于迟后特性的化学指标值的影响，但是这点通过精确的数学模型就比较难以说明。模糊控制方法正是能有效解决这一问题，并不要求对于控制对象的非常精确且完整的数学模型。在人为的直观经验和基本控制控制规律的基础上，建立相关模糊控制模型的控制规律，提炼加工人的自然语言和控制经验，目的能让微机结构接受并处理相关的控制法则，其后的决策控制都是由微控制器给出[3，4]。

在模糊控制结构图中，设定误差E存在于控制系统的设定值与输出值之间，且其实是时间的系数，在求误差变化率过程中，模糊化E和，然后进行的模糊推理是根据按照由人的经验总结出来的语言控制规则进行。下列方式给出了控制量U的语言分档：

在测试指标的迟延效应影响下，一般的受控对象可以表示为：，因此，在采用相关的PI控制情况下，相应的闭环特征方程可以表示为：

从上式可以看出，比较难以整定在特征方程中的纯迟延项影响下的控制器参数，PI系统控制的性能会受到在较大影响下而表现出急剧恶化的情况，当采用Smith预估补偿法控制时，应该增加相关的补偿环节，其中，可以设定闭环传递函数如下：

此时，在考虑上述公式的情况下，可以看出系统能够基本使得纯迟对于系统控制品质影响得以消除，在特征方程中并没有含有项。但是首先应该确定被控对象的数学模型的精确性，但是用精确的数学模型往往很难对于本系统进行表述，这里的控制规则表则是对于模糊控制器有效的控制方式，详细参见表1，此表则是根据人为的控制经验总结而得，模糊关系是由模糊控制规则所得，而模糊查询表则是在经过相关的模糊推理以及相关的判决而进行相关总结归纳而成，这样就可以得到模糊控制的规律。

通过研究并且可以发现，在模糊控制迟延中具有较好的鲁棒性，对于相关参数变化并不敏感，但是往往相对比较大的稳态误差容易出现；对于这种近似最优控制的PI控制来说，具有较高的控制精度，系统的动态性能由于大滞后环节而有所变差。解决了大滞后系统的有效办法则是Smith预估控制器，但是同时还要求控制对象的模型的精确化，这样的情况下，当出现参数变化的情况下，往往控制效果不是太好。根据上述分析，在实际的应用过程中，应该采用相关的结合的模糊控制与PI控制方法，利用一个切换装置对被控对象来进行相关控制操作，如图2所示，其中，误差变化确定切换时机。

系统的误差和误差变化率在过渡过程中存在较大的变化率情况，这样模糊控制作用主要是在当进水水质和量发生了较大的变化以后；系统的误差变化率是在系统接近稳态的情况下而呈现出比较小的特点，当在误差比较大的情况下，则往往由模糊控制转换为PI控制；模糊控制在稳态误差的允许范围之内则仍然有效进行；在扰动情况影响下的系统来说，对于模糊控制来说，其误差在扰动后依然存在，然后应该让系统进行PI控制转化，这样能够使得稳态误差消除过后，使得系统再次回到模糊控制状态。

2 模糊控制应用

在相关的三沟式氧化沟的控制中，为了达到工艺要求，对于三沟中的充氧量进行改变，利用对于控制转刷电机进行间歇式和组合方式。系统中以计算机控制为核心点，进行相关的水质指标的监测工作，包括指标为溶解氧和流量的在线监测，以及还有就是BOD、COD、NH3等等方面。相关污水处理工艺要求是经过模糊控制的专家系统来完成的，而相关的对转刷电机的组合运转情况及定时的控制则是通过时间序列控制器所完成的，为了更好能够符合实际需要，这里根据模糊控制的实际应用效果建有模糊控制专家系统。

一个阶段长度的系统动态控制是可以根据引入模糊控制的方法获得，在此系统中，各阶段的时间是通过标准函数来进行相关控制的。硝化阶段在氨氮浓度低的情况下而出现自动减少的情况，而在硝酸盐浓度低时反硝化阶段减少。同样，电机转刷的运行状态亦可进行改变，使得冲氧量大小同时得以改变，这样的情况下，硝化和反硝化反应的速率必然能够受到影响。另外，在特定的要求下，还应该根据实际的出水标准、污水和污水处理后的特点，进行模糊控制规则的修正工作，大大增强系统的控制灵活性。

3 结语

利用本文所提出的基于模糊控制和模糊控制与优化控制相互结合的方法，使得三沟式氧化沟处理得以自动化进行，明显使得污水处理负荷能力得以加强，使得使硝化、反硝化作用随负荷而变化，满足系统波动系数小的特点，使得出水更加稳定，取得明显的控制效果，此方法在摸污水处理厂三期工程应用中，在实际运行过程中能够取得很好的运行效果。

参考文献

[1]高大文，彭永臻，王淑莹，等.污水处理智能控制的研究、应用与发展[J].中国给水排水，202，18（6）.

[2]周月侠，孙悬.模糊控制污水处理中溶解氧调节的应用[J].科技资讯，2010（26）.

[3]李友善，李军.模糊控制理论及其在过程控制中的应用[J].北京：国防工业出版社，1993.

[4]王永初.滞后过程的预估与控制[M].北京：机械工业出版社，1986.