一种模糊PIDSmith污水处理的控制方法

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计算机与应用 化学
2010, 27(6)
3 模糊 PID 一 Sm i t h 控制器设计
. 1 控制系统结构 3
组合控制器 由三部分组成 , 即是模糊控 制器 P I D 控制器和 Sm i h 预估器 , 其结构如图 2 所示 t
模
控
K CC C
(凡 风 凡) 控制系统的作用, 可以确定如下 3 条整 定原则:
快的新型控制器 , 它能够方便地将专家的经验和推理融 合到实际控制策略中, 控制时可 以像人一样思考并解决
问题 , 从而达到控制的 目的 但模糊控制是一种有差控
水器 ; 6一 反应 池 : !一 进水管; 2一 调节池: 3一 进水泵; 4一 鼓风机; 一 浑 7一 溶氧仪: 8一 中间池; 9一 加压泵: 1 0一 滤罐; 11一 储 水池 : 1 2一 出水 口
系统
图 1 S B R 实验 装置 图
在实验装置中 , 首先将污水引入调节池 , 通过进水 泵把水抽进潭水池和 SB R 反应池 反应池中有一个筛管 连接着鼓风机 , 由鼓风机给反应池里面输入氧气 池上有一个 D O 传感器 , 用来检测池 中的溶解氧值 反应 经
过反应的污水传入中间池 , 再经过加压泵加压并进入滤
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G (s)
模糊 P I D 控制方法 , 具有响应时间短 , 超调量小 , 调节
12 0 0 0 0 5 2 + 1 3 0 0 5 + l
时间短和控制效果好等特点 模糊 PID 和模糊 PID 一 Sm i th
图 5 是采用常规 P ID 的控制 曲线
5
结语
本文提 出的用于污水处理过程控制的组合控制器 ,
(胎O, 1, 2 ) , 分别为其输入变量偏差与偏差变化, 凡 K i
和K d 分别表征其比例 , 积分及微分作用 的参数l ] e
根据 SB R 污水处理的特点, 结合 P I D 的 3 个系数
为G ( s , ) =二 二 , 其中惯性时间常数 升 1 20 0 , , 纯滞 后 s + l T
一 一 P ID D
一
模糊P ID
取模糊控制 P I D 控制及 Sm i th 预估器之长 , 通过对溶解
0
5加
一 %
10 0 0 1500 2 00 0
/
_ l∃ l 住 翅团 一 \ D一 Sm : t h
氧 D O 控制仿真 , 表明其方案具有动态性能好 稳态精度 高 抗干扰性能好及鲁棒性较强等特点, 为污水处理过程
其中,
一 ∀ 代表被控对象的纯滞后部分, : 代表纯滞后时
一 哪代表对象模型纯滞
团
In l ou tl l
l den (s) )
#习
间, G c (:) 代表控制器的传递函数 , 氏 (s ) 代表对象模型 中不含纯滞后部分的传递函数 ,
后部分
I
d en(s )
.3 3
PID 参数整定
在P I D 控制环节中 , 调节器的动作规律由以下公式
Ns , Z , PS , P M , PB }; 同时确定各模糊子集的隶属度 函数为三角形, 其中的符号分别代表负大, 负中, 负小, 零, 正小, 正中, 正大; 基本论域均为卜 6, 6 ] , 模糊变量 为卜 6, 一 5, 一 4, 一 3, 一 2, 一 l, o, l, 2, 3, 4, 5, 6} 去模糊采用重心 法 (C e n t ro fd ) 根据 P I D 参数的整定原则及模糊子集的 变量名可得 3 个模糊规则表I ] 6
一 ~州 口
l一 inle t, 2一 e gu la tion tan r k , 3一 n f i l u en t P u m
P, 4一 aeratlon b lo w er ,
5一 d eea n ter , 6一 reaetion tan k , 7一 D O senso r , 8一 e g r u la t 10 n tan k , 9一 P re ssu r e P u m P , 10 一 C 峨 rid g e, 1 1一 ef i ue nt h o ld ing reser v o if , 12 一 o utlet
F ig .1 T h e ex P e r i m en tal e q u iP m e n t o f S B R
制 , 无法消除最终残差{ ] , 所以在污水处理溶解氧控制中 3 单独采用不太适宜 因此 , 本文提出基于模糊 P I D一 Sm it h
的污水处理组合控制器 , 以提 高污水处理控制的稳态精 度及鲁棒性 , 并解决了大滞后 问题 , 优化控制污水处理
}
/
君\ 犷
一
\
/
染环境的排放指标, 而过高, 则浪费能源t l 2 目前对溶解氧的控制, 多数使用 P I D 控制器或者模 糊控制器 由于溶解氧的控制过程受原污水水质 温度 和 pH 值变化等因素的影响, 且具有高度非线性 强祸合 性时变 大滞后和不确定性等特点, 显然常规 P I D 控制
策略很难取得理想的效果 模糊控制器是近年来发展很
(l ) 当误差 E 很大时 说明实际值与设定值相差很 大, 不论误差下一步 的变化趋势如何, 都应该使得控制
器的凡 取最大值, 这样可以提高响应速度, 同时为避免
积分和微分饱和, 凡 可取较小值, 为了控制超调, 凡 取 也应该取值很小; (2 )
知 七 生 穴认斗色 色
职吸1 1 二八J 咫 卜
其中, 模糊控制部分以误差 E 和误差变化率 E C 作为输
入, 采用模糊推理法将 P I D 的参数 凡 !K i 和 凡 自整定,
以满足不同的误差 E 和误差变化率 E C 对控制器参数的
3. 4
模糊控制器的设计 根据要求, 模糊 PI D 控制器采用的是二输入 (E , E C )
,应 尤 J ) 的形式 首先, 定以输入 E 和 A K J 的模糊子集为{N B , N M ,
2
SB R 污水处理装置
序批式活性污泥法 (SB R ) 是以活性污泥为主体的 活性污泥 的吸附和氧化分解有机物的
罐来过滤 结束
沉淀
沉淀后的水 再抽入储水池 , 整个过程
其中 , 溶解氧 的控制是通过微机调用程序控制变
污水生物处理法
频器 , 用变频器再调节鼓风机 , 增加或减少输入反应池
里面 的氧 气 , 从而达 到控 制 污水处 理 的效 果
时间常数 : 二 0 5 ; 变频器和鼓风机的为 G Z(:)= 3
K l
几s + l
其中, K l = 1 是传递系数 , 几二 0 0 是电机 时间常数[ 1 ] v
最
终 的 被 控 制 对 象 为 一个 带 滞 后 的 二 阶 传 递 函 数
20 10 , 27(6)
e 一 30了
王小艺, 等: 一 种模糊 P ID一 S曲t h 污水处理的控制方法
KC
糊
在 线整足 凡 K i !K
制 器
, K{ { ,气
PI D 控制器 器
误差 E 在中间值时 说明误差在逐渐 的减少,
为了保证系统的相应速度并控制超调 , 应该减少 凡 K i
的值应该增大 , 凡 的值应该取适 中, 以提高动态性能和
稳态性能;
n曳 l s { 赵 估 拉
器
(3 ) 若误差 E 比较小时 为了保证系统具有 良好的
F ig 滩 S im u la tio n d ia g r a m o f 几 zZ y P ID 一 Sm i th .
图4
模糊 PID 一 Sm i t h 仿真图
决定 :
污水处理过程的对象数学模型包括两部分 : 反应 池
U( k)= K , E ( k)+龙艺E ( k)+ K d EC ( k) 式中, 艺E (k )二 E (k )十 E( k一 ) 和EC ( l )二 k E( ) 一E( k k一 ) l
一
F ig 3 S m it h Pr e d ietiv e e on tr o l seh e m a t ie .
4 模糊 P I D一 sm i h 控制系统仿真 t
采用 M A T L A B 中的 S i mu l in k 工具箱设计仿真控制
系统如图4
1
d en( s) )
图3
Sm i th 预 估控制原理 图
控制及其他类似复杂过程控制提供有一种有效的新途径
中文参考文献
l 2 张统.SB R 及其变法污水 处理一 与回用技术[M ]. 北京: 化学工业 出版社, 加0 3 . 于广平, 张平, 魏松岩, 等. 仿人 智能 P I D 控制 及在污水处理 溶解氧控制 中的应用[ ] . 微计算机信息, 20 0 J 6 ,( ) :13一 2 5. 1
能 力很 强 , 它在 混 合液 中 自由流动 , 和 废 水 中污物 接 触
收稿 日期 : 2010一 03一 01; 修 回 日期 : 20 20一 04 一 20 基 金 项 目; 山西省 科技 攻关 计划 项 目( 20100321022); 北 京市属 高 等学校 人才 强 教项 目( pHR Z olo07 123 , pH R 2 0 lo0 8238) 作者 简介 : 王 小 艺( l 97 5 一), 男, 博士 , 副 教授 , 主 要研 究 领域 为复 杂系 统建 模 仿真 与决 策. 联 系 人 : 李万 东( l 98 4 一 ), 男 , 研 究生 , 主 要研 究领 域 为智 能控制 .
F ig Z T h e str u et u r e o f F uz Z y P ID 一 S m ith ntro ller.
稳态特性, 需要取较大的 凡 凡值 , 同时为了避免产生 振荡, 凡 的取值应和误差变化率 E C 联系起来考虑