| 标题 | 青岛卷烟厂含磷污水处理方案的优化设计 |
| 范文 | 任明海 滕朋霏 张文雪 摘 要：为降低工艺及生活污水的含磷量，本文通过研究含磷污水的处理工艺，对现有的除磷加药方案进行了优化设计，即在传统的PID调节加药量的基础上，加入了模糊控制，形成模糊自适应PID调节方法，以弥补PID控制调节滞后，特别是对于非线性系统调节时动态性能差的缺点，并通过MATLAB仿真，达到预期效果。 关键词：含磷污水;模糊PID控制;MATLAB仿真 DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.011 0 引言 青岛卷烟厂的含磷污水包括澡堂洗澡污水、制丝洗梗工艺生产污水、卷包刷胶缸、澡堂洗澡污水及办公区域生活污水。含磷废水通常含有有机磷和无机磷，这些污水如果直接排放到河水中，会造成水质的富营养化，从而导致藻类繁殖过度，影响水生生物的生态平衡，以及水质发臭等问题。根据国际环保要求，这些含磷污水不能直接排放，必须要进行处理，达到含磷0.5mg/l的排放要求[1]。 1 含磷污水的处理工艺 在含磷污水的处理中，一般采用化学沉淀法即通过添加絮凝剂（氯化钙）的方法使其与含磷污水发生化学反应形成沉淀以达到除磷的效果。以前传统的人工配制药剂量存在费时、费力、配制比例难以保证要求，且投药过程中产生的粉尘等损害工人的身体健康[2]。因此在含磷污水处理过程中，实现药剂的自动投放是十分必要的。其含磷污水处理流程如图1所示。 管道混合器实现混凝剂与含磷污水瞬间混合，污水通过时产生分流、交叉混合和反向旋流，能使药物与污水快速均匀的混合。加药泵用变频器控制加药量多少。本文着重探讨含磷污水处理的优化方案。 2 含磷污水处理方案的优化 在含磷污水处理过程中，主要通过添加絮凝剂使含磷污水中磷与氯化钙发生反应凝聚成絮状沉淀。由于含磷污水在提升过程中，水的含磷程度和水的流量在不断的变化，所以絮凝剂的加药量也在不断变化，采用人工调节加药量无法满足任务要求，必须采用自动加药的方式，现在普遍用的加药方式为PID调节的方式，但是由于常规PID控制的动态性能差，不具有自适应能力，调节滞后，对于时变系统或者是非线性的系统控制效果差，所以本文提出在原有PID控制方式的前提下，加入智能控制中的模糊控制的方法来控制加药量，从而解决PID控制动态特性差的问题[3]。 2.1 模糊控制原理 1965年，L.A.Zadeh创立模糊集合论，经过多年发展，模糊控制广泛应用于时变系统或非线性系统，在这些复杂的工控领域，传统控制方法则很难实现。模糊控制是一种用模糊逻辑推理以及模糊集合论来进行控制的方法[4]。它以模糊控制理论、模糊推理、模糊规则与变量建立联系，特别是在数学模型难以建立的控制系统，应用模糊控制理论是一种良好的策略。模糊控制的设计分为三部分：输入偏差的模糊化、基于模糊规则的推理、反模糊化。 以本文含磷污水循环处理系统为例，在原有PID控制的基础上加上模糊控制，其控制系统结构示意图如图2所示。 含磷污水循环处理系统控制原理的基本流程如下： （1）模糊控制的输入为污水达标的设定含磷值0.5mg/L与含磷污水含磷测量值的偏差e和偏差变化率。其中偏差变化率=-; （2）将输入的偏差进行模糊化处理，得到相应的模糊量E、; （3）编写相应的模糊规则，对输入的模糊量进行推理; （4）把得到的模糊结果反模糊化，输出对原有PID控制的参数进行修正，然后传送给PLC和变频器控制加药量。 2.2 系统模糊控制器的MATLAB设计 模糊控制器是模糊控制系统的核心，设计模糊控制器必须按照正确的模糊控制规则，这样才能保证模糊控制的实际意义。 输入变量的模糊化：模糊化过程主要包括测量输入变量，然后完成论域转换，最后实现模糊化。在该设计中，含磷浓度值的变化误差e的区间为[0，10]mg/l，误差变化率的区间为[0，10]mg/l/S，变频器的频率范围为[20，50]Hz，对应于电流模拟量输入为[4，20]mA。在本文中，我们规定输入、和输出的语言变量的论域为，变量的变化范围为内的连续量，然后我们令其离散化，构成包含7个元素的集合。以输入的含磷污水浓度值的偏差为例，其变量赋值如表1所示。 在MATLAB命令窗口中打开fruzzy编辑器，在隶属度函数编辑器中进行偏差、和的设置，制定模糊控制规则：模糊规则的制定没有固定方法，主要靠现场技术工人的经验和控制系统的特性来决定，并且在以后的运行过程中不断地调整和优化，以确保控制性能。随后是模糊推理和反模糊化：模糊推理的过程是指按照我们经验设计的模糊控制规则，利用模糊条件语句对输入量做模糊化处理，而反模糊化过程则是把得到的模糊量进行清晰化处理，因为执行机构的输入量必须是清晰的变量。在MATLAB中，我们用Mamdani推理实现推理，利用最大隶属度法（mom）进行反模糊化处理。 3 含磷污水处理系统的MATLAB仿真研究 3.1 被控对象数学模型的建立 在污水处理系统中，控制对象包括加药泵和变频器。但是由于污水的处理是动态时变的、非线性的，并且具有滞后性，所以无法确定精准的数学模型。为了便于MATLAB仿真，我们需做一些假设。 加藥泵电机模型可以看做是在模拟量控制信号[4-20]mA作为输入，泵速的变化[0，96]r/min作为输出的有延迟的一阶惯性环节，变频器可以看做是和同理变频器的数学模型可以把PLC输出的模拟量控制电流[4-20]mA做为输入，输出频率[20-50]Hz作为输出的有延迟的一阶惯性环节。惯性其传递函数为：，其中K为比例系数，为了仿真需要这里设置为1。 T为时间常数，对加药泵来说，当泵的转速达到规定值的0.982（对应于2%的误差带）时，用的时间除以4即为T。若泵的转速从一个值达到规定值用时为5S，则T=1.25。所以加药泵的传递函数近似为。对于变频器，通常变频器的变流时间为几百毫秒，这里我们设T=0.5S。从而得出变频器的传递函数近似为。 由于控制系统的滞后性，加一个延迟时间的延迟环节后系统的传递函数为： 3.2 MATLAB仿真 MATLAB中的Simulink建立的模型下图3所示，该模型包含了传统的PID调节方式和模糊PID调节方式。 由经验和实验法确定PID调节的参数（0.8，0.2，0.6），调节比例因子和量化因子得到如图4所示曲线，其中紫红色曲线为传统PID调节，而黄色曲线为模糊PID调节，从图中可以看出，加入模糊控制以后，超调量变小，调节时间变短，且曲线更加平稳，控制效果明显改善。 4 本章小结 本文主要介绍了卷烟企业含磷污水除磷加药处理的方法，即在传统的PID控制模式下用模糊控制方法对PID的三个参数进行调整的模糊自适应PID方法，最后利用MATLAB仿真得出结论的可行性。 参考文献： [1]魏双勤，刘媛.废水除磷方法与原理的研究进展[J].中国环保产业，2010（10）：28-34. [2]蒋玲.PLC控制的絮凝剂自动配制系统的研究[D].安徽理工大学，2007. [3]崔东锋.基于S7-1200PLC的加药系统模糊控制器设计[J].自动化技术与应用，2015，34（05）：16-19. [4]任恒妮.浅谈模糊理论的广泛应用[J].品牌（理论月刊），2011（06）：147. 作者简介：任明海（1990-），男，山东广饶人，研究生，从事电气维修工作。 |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。