溶解氧控制系統(tǒng)方案

1、溶解氧控制系統(tǒng)方案（修改稿）一、概述污水生化處理的耗氧反應(yīng)是重要的反應(yīng)階段，目前國內(nèi)的污水生化處理的加氧工作都是采用大功率的鼓風(fēng)機實現(xiàn)的，需要消耗大量的電能，在保證水質(zhì)的情況下，如何實現(xiàn)節(jié)能控制，降低成本，是目前國內(nèi)外需要認(rèn)真考慮的問題。污水中的微生物對氧的需求量是一定的，少了會降低水質(zhì)，多了不僅不能保證水質(zhì)，而且還浪費能源，通常以溶解氧的含量來判斷某個時候供氧量是否合適。但是，所需要的溶解氧不應(yīng)該是一個定值，它是隨著污水的濃度、天氣、氣溫、時間變化的函數(shù)。就是說污水處理過程控制具有顯著的非線性、大滯后、多變量、時變性的特點。為此，需要研究在不同工況條件下，溶解氧設(shè)定值的優(yōu)化。建立污水生化處理

2、過程的溶解氧變化的模型，并依據(jù)該模型對鼓風(fēng)量進(jìn)行低能耗的優(yōu)化控制。建立能適應(yīng)環(huán)境變化的基于污水生化過程。在國內(nèi)曝氣量優(yōu)化控制方面進(jìn)行了一些研究，常用的方法主要是基于溶解氧目標(biāo)值的PID 控制。但是，由于污水生化處理過程的非線性、時滯及溶解氧目標(biāo)值時變性，使PID 控制很難跟蹤溶解氧目標(biāo)值。在PID 控制基礎(chǔ)上發(fā)展了變增益的PID 控制、模糊PD 控制，這些方法仍然不能解決過程不確定性問題。為此，許多學(xué)者采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動診斷、模糊專家控制等智能控制方法。但是，對于復(fù)雜的污水生化處理過程，學(xué)習(xí)樣本有限和專家知識不足，使這些方法的效果不明顯。國外這方面成功經(jīng)驗也很少。所以說國內(nèi)的污水處理過程的自動化

3、水平還有待提高，大多數(shù)只停留在數(shù)據(jù)采集和簡單控制(如提升泵、污泥回流泵、鼓風(fēng)機的開關(guān)控制)的水平上。污水處理過程建模和控制方面的研究屬于剛起步，主要用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遞階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、仿人智能、自適應(yīng)、專家知識等方法來構(gòu)建可知模型，取得一定成功。但這些方法有待深入研究和完善。二、方案提出我們在總結(jié)先前的經(jīng)驗和實際運用的基礎(chǔ)上，對于污水的入水水質(zhì)、生化反應(yīng)過程、出水水質(zhì)波動等各種在線、離線檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，結(jié)合智能檢測、診斷與控制技術(shù)對生物化過程進(jìn)行綜合控制與優(yōu)化，以保證在各種干擾條件下出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。主要采用“前饋+串級”的組合控制模型，以污水處理廠進(jìn)水區(qū)溫度、流量、進(jìn)水水質(zhì)檢測值等為前饋

4、信號，來決策溶解氧的給定值；生化處理池中溶解氧檢測儀為反饋信號給主回路；鼓風(fēng)機風(fēng)量用風(fēng)量傳感器檢測作為反饋信號和變頻器構(gòu)成副回路。各回路控制規(guī)律為：前饋采用人工智能；主回路采用模糊PID控制；副回路采用傳統(tǒng)的PID控制。為節(jié)省成本對污泥回流控制可以根據(jù)回流量流量大小分1-3檔位的控制。參見圖2-1 生物化過程前饋-串級控制系統(tǒng)。進(jìn)水水溫進(jìn)水流量進(jìn)水COD進(jìn)水氨、氮人工智能PH等水質(zhì)在線、離線等參數(shù)模糊PID變頻器風(fēng)機曝氣生物濾池氣體流量計溶氧變量干擾信號圖2-1 生物化過程前饋-串級控制系統(tǒng)溶氧給定值污泥回流控制根據(jù)流量大小分1、2、3檔位控制。其他參量三、方案論證1、前饋控制活性污泥污水處理

5、系統(tǒng)屬于復(fù)雜的動態(tài)工程系統(tǒng)，目前無法建立精確的模型來描述完整的系統(tǒng)。而城市污水進(jìn)水水質(zhì)在不同的時間變化極其不穩(wěn)定，有機物含量的變化在每年內(nèi)隨季節(jié)的推移而變化，每日內(nèi)隨時間而變化；所以無法給出確定的控制量溶氧。但我們可以根據(jù)不同時間，不同參數(shù)，其內(nèi)在的規(guī)律來推論出需要溶氧的控制量多少；也就是用人工智能來解決?；谟嬎銠C編程方便，可以采用人工智能領(lǐng)域中發(fā)展起來的專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)基本上是模擬有經(jīng)驗調(diào)試人員的整定思路,通過分析控制系統(tǒng)的輸入輸出信號,根據(jù)已知的調(diào)節(jié)規(guī)律對調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定。從控制結(jié)構(gòu)講，它由知識庫、控制規(guī)則集、推理機構(gòu)組成。只要得到的事實集和經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫、經(jīng)驗公式等，根據(jù)各參數(shù)中的隸屬、

6、耦合等關(guān)系，可以得到切合實際的控制決策。2、 串級控制鼓風(fēng)機的風(fēng)量受動力電（電壓波動較大約10%-15%），和信號回路的磁場等干擾，所以出口風(fēng)量需要不斷實施控制，穩(wěn)定在一個恒定值上。一般說：污水處理用的鼓風(fēng)機電機規(guī)格近幾種，所以采用常規(guī)的增量式PID可以很好控制其出風(fēng)量。而對于曝氣生物池的溶氧控制就變得復(fù)雜些。常規(guī)的雙入單出模糊控制器是以誤差和誤差變化率作為輸入變量，相當(dāng)于PD 控制器。 因少積分作用，模糊控制器消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能較差,，難以達(dá)到較高的控制精度。而傳統(tǒng)PID 調(diào)節(jié)器的積分調(diào)節(jié)作用從理論上可使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差控制為零，有著很好的消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用，因此可以將模糊控制器和PID

7、控制相結(jié)合，當(dāng)誤差大于某個閥值時，采用模糊控制以獲得更好的瞬態(tài)性能；當(dāng)誤差小于這個閥值時，則采用PID 控制以獲得更好的穩(wěn)態(tài)性能。模糊PID 控制結(jié)合了模糊控制和PID 控制的控制優(yōu)點，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)控制規(guī)則及在線檢測結(jié)果決定控制量的大小。對于好氧處理曝氣系統(tǒng)中難以精確建模、滯后大、強干擾、多變量的溶氧控制難點，模糊PID 控制都可以很好的解決（如果考慮PID參數(shù)的變化可以再考慮用自適應(yīng)PID控制方案）。實踐以及證明這點。將兩者采用串級可以實現(xiàn)更高的精度，且起到很好的節(jié)能作用。3、 多級控制 考慮到節(jié)能和成本污水回流與排放控制可以根據(jù)實際情況，取得影響程度進(jìn)行檔位控制。這樣即保

8、證水質(zhì)有節(jié)省投資成本，同時接受能耗。所以初步定3個檔控制方案，也可根據(jù)實際情況決定。 該控制系統(tǒng)前饋控制接受在線的水質(zhì)參數(shù)和離線水質(zhì)參數(shù)。如是是離散的水質(zhì)參數(shù)，可以做個接口電路，按通訊規(guī)約接受水質(zhì)的參量。從而推斷控制決策。四、實施計劃1、 完成仿真實驗2、 完成中試3、 做出產(chǎn)品五、經(jīng)費情況1、 完成仿真 *萬2、 完成中試 *萬（建設(shè)實驗室，第一步實驗室進(jìn)行，第二部在污水廠實施）3、 產(chǎn)品制作 *萬（產(chǎn)品具有和PLC 及上位機進(jìn)行MODBUS 通訊協(xié)議?，F(xiàn)在國內(nèi)幾乎沒有產(chǎn)品。國外有幾個廠家有）附：1VACOMASS®曝氣控制系統(tǒng)VACOMASS®曝氣控制系統(tǒng)是由德國Binder公司開發(fā)的一套針對活性污泥法的曝氣控制系統(tǒng)，共包括5個組件：現(xiàn)場控制器、熱質(zhì)空氣流量計、菱形調(diào)節(jié)閥、鼓風(fēng)機壓力控制單元和模擬校驗調(diào)試單元。針對于污水廠工藝工程師或中控室技術(shù)人員設(shè)定的溶解氧設(shè)定值，VACOMASS系統(tǒng)通過實時的專家智能系統(tǒng)來處理溶解氧設(shè)定值所需的空氣量，然后利用專有的菱形調(diào)節(jié)閥來控制空氣量，而空氣量則由熱質(zhì)流量計來精確測量，從而使曝氣池維持在所需的溶解氧濃度，穩(wěn)定發(fā)揮活性污泥的高效降解性能，并盡可能的減少曝氣量或曝氣能耗。不但如此，VACOMASS系統(tǒng)還帶有壓力控制單元，綜合所有控制回路的實際