CN103197539B - 污水处理智能优化控制曝气量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种污水处理智能优化控制曝气量的方法，其特点是采用多种智能控制方法相结合的控制方式，使各个曝气池溶解氧浓度始终保持在目标要求范围内。采用模糊专家控制的方法对鼓风机频率控制，实现曝气量的精确调节。采用预测控制技术和模糊控制技术相结合的办法对气体流量调节阀进行控制，实现对两个或多个并行的生物曝气池的曝气量有效分配。采用模糊控制对流量阀门的控制和鼓风机频率的控制中存在控制作用耦合的现象进行解耦，以便更好的满足水质要求和节能的要求。<!--1-->
Description
技术领域
本发明涉及一种污水曝气智能优化控制方法，特别是用于目前大多数污水处理厂曝气工艺是两个或多个并行的生物曝气池，实现在线精确控制曝气量。
背景技术
在目前的控制技术中，大多数污水处理厂采用两个简单的单回路控制对溶解氧浓度进行调节。一是采用溶解氧浓度检测仪和鼓风机作为简单的控制回路。当溶解氧浓度大于设定值时，调小鼓风机频率；当溶解氧溶度过大时，调大溶解氧浓度。二是采用溶解氧浓度检测仪和气体流量调节阀作为控制回路。当两个或多个并行的生物曝气池溶解氧浓度出现不平衡时，一般采用人工手动控制或采用简单的专家控制***对溶解氧浓度进行控制。上述控制方法缺点在于：多个曝气池的气体流量阀门的控制和鼓风机频率的控制中存在控制作用耦合的现象，不能准确的控制溶解氧浓度。
本发明针对目前我国大多数污水处理厂曝气工艺一般由两个或多个并行的生物曝气池组成，活性污泥法污水处理自动化水平相对落后的现状，进行探索应用智能控制策略的可行性与有效性。由于污水处理过程中原生污水的水质不稳定，外界环境干扰严重，在净水手段上主要是利用微生物的生命活动来清除有机物，影响污水处理效果的因素很多，因此，建立污水过程的精确模型十分困难，而基于精确数学模型的各种控制方法对污水处理过程的控制也就显得更加难以取得理想的效果。所以采用先进的优化控制方法，对控制溶解氧浓度有着十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种污水处理智能优化控制曝气量的方法，针对目前大多数污水处理厂曝气工艺一般是两个或多个并行的生物曝气池，曝气池的运行环境（如污泥量等其他因素）不同导致需要的曝气量不同，采用鼓风机曝气量专家模糊智能控制和气体流量调节阀模糊解耦智能控制，对曝气流量进行精确控制，使得每个曝气池溶解氧浓度达到目标要求，出水达到既定的污水排放标准，从而减少鼓风机耗电量、节约运营成本。
本发明的技术内容叙述如下：
本发明采用的技术方案是在线控制曝气流量：将溶解氧浓度测量仪采集检测的各个曝气池溶解氧浓度和溶解氧浓度设定值经过专家知识库推出一组溶解氧浓度特征值，并将此溶解氧浓度特征值经过模糊控制器进行推算，计算出最佳的鼓风机曝气量，来精确调节鼓风机频率；根据检测到的鼓风机总管曝气量，经过自学习专家解耦控制器计算出一组阀位开度的加权值；此加权值与各个曝气池中的溶解氧浓度通过气体流量调节阀模糊解耦智能控制推出一组精确的气动调节阀阀位开度，能够对曝气量进行有效的分配。
具体步骤如下：
1）对鼓风机频率的控制采用专家模糊智能控制方式；
2）对***曝气池溶解氧浓度进行滤波处理，滤掉不合理的干扰值，显示出现场参数的整体变化趋势；
3）采用自学习专家解耦控制器控制方式解决气体流量调节阀门的控制和鼓风机频率的控制中存在控制作用耦合关系；
4）采用模糊解耦智能控制对各个曝气池气体流量调节阀进行有效的调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用鼓风机曝气量专家模糊智能控制和气体流量调节阀模糊解耦智能控制，对曝气流量进行精确控制，使得每个曝气池溶解氧浓度达到目标要求，出水达到既定的污水排放标准，从而减少鼓风机耗电量、节约运营成本。
附图说明
图1是本发明方法所采用曝气控制***的原理图。
图2是本发明方法所采用曝气控制***的结构图。
具体实施方式
本发明采用的技术方案是在线控制曝气流量：将溶解氧测量仪采集到检测的各个曝气池溶解氧浓度和溶解氧浓度设定值经过专家知识库推出一组溶解氧浓度特征值，并将此溶解氧浓度特征值经过模糊控制器进行推算，计算出最佳的鼓风机曝气量，来精确调节鼓风机频率。根据检出到的鼓风机总管曝气量，经过自学习专家解耦控制器控制器计算出一组阀位开度的加权值。此加权值与各个曝气池中的溶解氧浓度通过气体流量调节阀模糊解耦智能控制推出一组精确的气动调节阀阀位开度，能够对曝气量进行有效的分配。
1、理论依据
溶解氧浓度的控制作为污水处理***中最为重要的环节之一，而且溶解氧浓度的控制是一个极其复杂的动态循环***，存在多变量、时滞长、干扰因素多等控制难点。为了满足控制指标要求，具体分析如下：
在溶解氧浓度的控制过程中，影响溶解氧浓度的主要因素包括：污水流量、进水COD（化学需氧量）、BOD（生物需氧量）、污泥回流比、PH值、温度。变量之间耦合关系复杂，并且由于受到生产现场环境的制约，部分变量不能及时、准确的采集，难以建立精确的数学模型。
一般情况下，当溶解氧浓度偏离设定值时，需要调节鼓风机频率，控制曝气池中的溶解氧浓度，但是由于多个生物池运行环境不同，导致了溶解氧浓度在不同的曝气池中控制效果不同。所以与此同时需要调节气动调节阀来对不同的曝气池溶解氧浓度进行控制。但是流量阀门的控制和鼓风机频率的控制中存在控制作用耦合的现象，即其中一个控制输出变化，导致另外一个控制输出必须随之变化。
鉴于上述特征，溶解氧浓度过程控制难以建立精确的数学模型，并且是一个多变量耦合、大滞后、非线性的***，采用智能优化控制方法比较合理。
2、鼓风机曝气量专家模糊智能控制
专家***是具有大量专门知识与经验的程序***，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以解决需要人类专家才能处理的复杂问题。专家***的核心是包含的专家经验和知识，因此专家***是一种基于知识的***。在现实应用中，初步应用和外界因素复杂时无法获取完整的专家知识，因此要求专家***具有自学习***，能够不断进行自学和完善***，并保证学习收敛速度。
模糊控制是以模糊数学理论，即模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理等作为理论基础，以传感技术、计算机技术和自动控制理论作为技术基础的一种新型自动控制理论和控制方法。模糊控制***是一种经过改造后的自动控制***，而且还是一种智能自动控制***。它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，是采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的、闭环结构的数字控制***。它的组成核心是具有智能功能的模糊控制器，这也是它与传统自动控制***的根本区别之处。
基于上述原理，首先建立专家数据库，依据溶解氧（一个曝气池一般有三个溶解氧监测点）的变化趋势和污水处理的控制指标要求，对溶解氧检测数据进行数据预处理，建立专家知识库。即根据每个曝气池三个溶解氧浓度监测点推出一个能够代表此***的一个溶解氧浓度的特征值。
其次根据具体曝气池工艺，进行模糊控制器的合理设计。将上述前馈专家控制器的输出值作为此模糊控制器的输入值，经过模糊推理，输出一个精确的鼓风机频率，进而合理的控制溶解氧浓度。
3、鼓风机频率控制和流量调节阀的专家解耦控制
由于流量阀门的控制和鼓风机频率的控制中存在控制作用耦合的现象，即其中一个控制输出变化，导致另外一个控制输出必须随之变化，才能保证曝气池的溶解氧达到目标要求，所以将检出到的鼓风机总管曝气量，经过鼓风机频率控制和流量调节阀的专家解耦控制器，计算出一组阀位开度的加权值，此加权值作为气体流量调节阀模糊解耦智能控制的输入能够解决气体流量调节阀门的控制和鼓风机频率的控制中存在控制作用耦合关系。
4、气体流量调节阀模糊解耦控制
模糊解耦控制是通过对参数输入输出***关联度进行解耦分析，针对模糊控制不依赖于被控对象，并且对数学模型要求不高，适用于时变、纯滞后、非线性***的特点，且比起常规控制方法具有更高的稳定性和更好的鲁棒性，因此采用模糊规则进行补偿解耦，并以模糊控制模块作为控制器，以达到良好的解耦效果，使控制***具有更好的鲁棒稳定性。
基于上述原理，本发明针对需要对曝气池的曝气量进行二次分配，而曝气池气体流量调节阀的控制好坏直接影响鼓风机曝气量快速合理的分配。因此，将各个曝气池中的溶解氧浓度和阀位开度的加权值，在模糊控制器的作用下，推出一组精确的气动调节阀阀位开度，实现对鼓风机曝气量的有效分配，使不同曝气池的溶解氧浓度趋于一致。
因此，该污水处理智能优化控制***能够实现对曝气池溶解氧的实时控制。在整个的控制过程中没有依赖数学模型，克服了曝气***多变量耦合、大滞后、非线性的问题，使得每个曝气池溶解氧浓度达到目标要求，出水达到既定的污水排放标准，从而减少鼓风机耗电量、节约运营成本。
在图2中主要由三层结构组成：工艺控制层L0、基础自动化层L1和过程控制层L2。在L0层由工艺设备曝气设备（鼓风机和气体流量调节阀）、曝气池、二沉池组成。传递的信息数据有A1（原水流量）、A2（鼓风机曝气量）、A3（溶解氧浓度）、A4（PLC与上位机之间的信息）、A5（上位机与污水曝气智能优化控制之间的信息）检测仪表通过硬接线方式或网络通讯方式将检测信息A1、A3与PLC***传递模拟量信息数据，PLC根据溶解氧浓度设定值计算出曝气量输出模拟量输出信号A2给鼓风机和气体流量调节阀。
在基础自动化层L1由PLC控制***L1_1、曝气控制器PLC***L1_2和上位机监控***L1_3组成。在L1_1中将检测变量信息数据A3进行滤波处理，并根据处理后A3数据信息，在L1_2选择曝气控制器输出A2控制量。而在L1_3上实现重要数据显示、实时数据显示、报警和报表记录，并通过通讯方式与L1_1、L1_2和L2_3（过程控制***计算机）进行数据传递。在L2层中的包含污水曝气智能优化控制模块L2_1（鼓风机曝气量专家模糊智能控制***、鼓风机频率控制和流量调节阀的专家解耦控制、气体流量调节阀模糊解耦控制）。L2完成重要参数调整和录入（如滞后时间）、专家数据备份等重要功能。
Claims (1)
1.一种污水处理智能优化控制***的控制方法，其特征在于，该污水处理智能优化控制***能够实现对曝气池溶解氧的实时控制，由三层结构组成：工艺控制层L0、基础自动化层L1和过程控制层L2，在L0层由工艺设备曝气设备、曝气池、二沉池组成，传递的信息数据有原水流量A1、鼓风机曝气量A2、溶解氧浓度A3、PLC与上位机之间的信息A4、上位机与污水曝气智能优化控制之间的信息A5，检测仪表通过硬接线方式或网络通讯方式将检测信息A1、A3与PLC***传递模拟量信息数据，PLC根据溶解氧浓度设定值计算出曝气量输出模拟量输出信号A2给鼓风机和气体流量调节阀；
在基础自动化层L1由PLC控制***L1_1、曝气控制器PLC***L1_2和上位机监控***L1_3组成，在L1_1中将检测变量信息数据A3进行滤波处理，并根据处理后A3数据信息，在L1_2选择曝气控制器输出A2控制量；在L1_3上实现重要数据显示、实时数据显示、报警和报表记录，并通过通讯方式与L1_1、L1_2和过程控制***计算机L2_3进行数据传递；在L2层中包含污水曝气智能优化控制模块L2_1，污水曝气智能优化控制模块L2_1包括鼓风机曝气量专家模糊智能控制***、鼓风机频率控制和流量调节阀的专家解耦控制、气体流量调节阀模糊解耦控制；
将溶解氧浓度测量仪采集检测的各个曝气池溶解氧浓度和溶解氧浓度设定值经过专家知识库推出一组溶解氧浓度特征值，并将此溶解氧浓度特征值经过模糊控制器进行推算，计算出最佳的鼓风机曝气量，来精确调节鼓风机频率；根据检测到的鼓风机总管曝气量，经过自学习专家解耦控制器计算出一组阀位开度的加权值；此加权值与各个曝气池中的溶解氧浓度通过气体流量调节阀模糊解耦智能控制推出一组精确的气动调节阀阀位开度，能够对曝气量进行有效的分配。
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