基于专家PID算法的污水处理pH值中和控制策略研究＊

2020-05-08刘晓彤

科技与创新 2020年8期

刘晓彤

刘晓彤

（重庆大学城市科技学院电气信息学院，重庆 402167）

由于工业发展速度的不断加快，环境质量逐年下降，使人们对污水处理方案的高效性更加关注。其中，污水中pH值中和控制易受到很多因素干扰，并具有不稳定、滞后等特点。传统PID控制无法实现pH值中和控制要求，而专家PID控制能够运用专家系统的知识库，通过专家规则与PID参数之间的结合，使pH值能够保持在中和点附近。仿真实验表明，专家PID控制策略能有效地满足污水处理系统的控制要求。

污水处理；pH值中和控制；专家规则；专家PID控制

随着社会的进步与工业化发展，人们生活的环境得到了很大改变，工业化与智能化更加显著，但也带来了许多的环境污染[1]。目前，中国水资源较为短缺，水污染程度也越来越严重，因此污水处理控制的有效性成为了当代人们最为关注的问题之一。由于污水中含有很多混合成分，控制过程十分复杂[2]。曝气池处理过程是影响水质处理是否有效的关键过程之一，其中溶解氧浓度与pH值中和过程是最为重要的影响因素，只有将水质pH值控制在有效范围内，溶解氧浓度大小才能达到控制要求。因此，pH值控制的效果对污水处理过程具有重要作用。国内外研究学者针对pH值中和控制策略展开了各种不同的研究，其中GUSTAFSSON对pH值中和运用非线性自适应控制策略，使pH值酸碱度能够保持在最佳状态。而王鑫采用经典PID控制理论对pH值中和过程中的PID参数进行整定，并在整定过程中结合灰色预测与滑模控制，使pH值中和控制能够满足污水处理系统要求，使系统保持稳定[3]。

目前，污水处理过程最为常用的控制策略就是传统PID控制，其结构简单、易于操作、控制效果较好，因此在很多方面得到了较为广泛的应用。但污水中含有很多不确定因素，导致pH值控制过程具有非线性、滞后等特征，传统PID控制策略无法满足其控制精度要求。而专家PID控制器则利用专家控制经验，使pH值保持在中和状态，使污水处理过程达到最优化。

1 曝气池pH值中和控制过程分析

曝气池pH值中和反应的实质就是酸性物质在水中分离出的氢离子[H+]与碱性物质在水中分离出的氢氧离子[OH－]进行相互结合，并生成水[2]，即水中pH值为7。通过实验研究表明，经过处理的曝气池pH值应当处于6～8之间才属于正常水质的情况。

污水处理是一个非线性的过程，并存在大滞后反应，而pH值中和也是一个十分复杂的过程，基于物料守恒定律，pH值中和控制工艺过程可以近似为CSTR（带搅拌釜式反应器）系统工艺模型[2]。本文设定污水呈酸性，通过控制碱性流量，确保pH值能够达到稳定状态。CSTR系统工艺模型如图1所示。

图1 CSTR系统工艺模型

图1中，1为污水中酸流量，2为pH值中和所需投放的碱流量，即为pH值中和过程的控制量（）；1为污水中酸浓度；2为酸碱中和剂所投放的碱浓度；a为污水排放酸总浓度；b为污水排放碱总浓度；为污水处理过程池中的总容积大小。由于污水组成成分较为复杂，存在不确定性，影响因素较多，因此可忽略一些影响较小的因素，保证污水处理的有效性，缩短处理时间，使pH值中和过程能够在有限的时间内达到稳定状态。

通过CSTR系统可以得出，污水呈现酸性状态的表达式为：

污水呈现碱性状态的表达式为：

根据式（1）与式（2），pH值的动态控制模型可以表示为：

令=a－b，则pH值中和控制模型可以化简为：

pH值中和控制过程是在曝气池中进行的，而曝气池是在较为靠后的处理阶段，存在传输滞后，因此可以将pH值中和控制模型简化为一阶惯性环节，传输滞后时间可用表示，曝气池pH值中和控制的数学模型可以近似为：

2 曝气池pH值中和过程的专家PID控制算法

2.1 曝气池pH值中和控制系统设计

由于pH值中和过程具有非线性、随机干扰等特点，传统PID控制器无法保证控制效果的有效性。因此，根据pH值的偏差及偏差变化率，利用专家系统中的专家控制规则，使曝气池pH值中和过程能够满足系统控制要求，保持在中和点状态，曝气池pH值中和过程闭环控制系统结构如图2所示。

图2 pH值中和控制系统结构图

2.2 专家PID控制器设计

专家PID控制器设计可以分为2个步骤：对参数进行预整定、利用专家规则对控制器输出端进行调整。预整定参数的实质就是预先设定好参数值，控制过程中参数值不会受到其他因素的影响而发生变化，并将预先设定好的参数运用到控制器中。如果预先设定好的值符合控制要求将会得到较好的控制效果；如果设定值不理想，则无法满足控制过程最优化。而在专家PID控制器设计中，通过对PID各参数进行预整定，从而保证系统能够符合控制要求。

根据现场工程师与专家的工作经验，总结形成的专家控制规则如下[4]：当偏差（）绝对值大于偏差阈值1时，可忽略pH值偏差本身变化，只考虑输出端状态，并将最大值或最小值作为输出值，调整pH值偏差大小，使系统保持稳定。当（）△（）＞0时，一种情况是偏差值会向偏差绝对值增大的方向变化，另一种情况是偏差值为一固定值。则pH值中和控制输出可表示为（）=（－1）+1{p[（）－（－1）]+i（）+d[（）－2（－1）+（－2）]}。当偏差（）绝对值大于或无限接近阈值1时，取1＞1，即保证系统的稳定性；当偏差（）绝对值小于阈值时，取1=0，此时可忽略pH值偏差绝对值的大小，通过调整PID控制参数，使系统处于稳定状态。

当（）△（）＜0、△（）△（－1）＞0或（）=0时，偏差绝对值逐渐减小，或者偏差为0，使系统处于平衡状态，则输出保持不变。

当（）△（）＜0、△（）△（－1）＜0时，偏差处于极值状态。当偏差（）绝对值比阈值1大或者等于其值时，输出为（）=（－1）+1pj（）；当偏差（）绝对值比阈值1小时，则输出表示为（）=（－1）+2pj（）。其中，1为增益放大系数，即1＞1；2为抑制系数，即0＜2＜1。

当偏差（）的绝对值小于某一正实数时，调节PID控制器参数中的积分参数i大小，减小污水处理系统输出误差，使系统维持在稳定状态。