自来水厂污水处理自动控制系统设计研究 (3).docx

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1、 自来水厂污水处理自动控制系统设计研究4 污水PH值的调节与控制方法研究4.1 PH值控制要求国家环保部门要求，污水处理后的水质参数中的PH值应该保持在6.57.5这一区间范围内。污水处理系统只能对污水在排放的过程中进行处理，也就是在废水在线处理。排入中和调节池内的废水来源不同，水质状况也各不相同，废水在排放过程中有时显示为酸性，有时显示为碱性。因此污水处理系统需要在污水排放的过程中在对污水的进行PH值检测的同时，还要对加药的开关进行相应的操控，为了让污水的PH值保持在达标范围内。PH值的精准把控到目前为止还是一个难题，具体成因如下所述： （1）在污水水质的处理中，中和反应是一个速度较慢的化学

2、反应，而且通常表现出十分强烈的非线性特征； （2）当中和调节池的容量比较大时，就会致使酸碱中和的反应时间错后。（3）伴随污水的流量大小以及浓度高低的持续改变，水中的各种离子的浓度也无时无刻不在变化； （4）假如PH传感器的位置放的不合适，也能够对PH值检测的不准确性产生影响。 怎样可以精确高效监控污水PH值是目前亟待解决的问题，由于人工控制的方法想要达到目标有些困难，所以需采取自动化装置对PH值开展监测和控制。对加药的阀门进行控制进而调控污水水质的PH值是十分繁复且滞后性较强的控制过程。药品的浓度差别、水流速度、反应釜规格、温度、传感器灵敏程度、变送器和加药口间距等要素都能够对酸碱中和的反应过

3、程产生一定的影响，所以想要用数学模型对被控制对象的传递函数进行精准描述比较困难。通过对左旭岩等人对化工厂污水PH值控制的研究成果对传递函数等同成两阶纯滞后惯性环节。本篇文章把传递函数的公式简化成如4-1所示： (4-1)4.2 PID控制PID控制技术是现阶段各工业过程控制普遍使用的一种控制技术，因为它结构不复杂、稳定性较好、工作可靠、调整方便等优势，目前已成为工业控制中被广泛应用的主要技术之一，特别是现场控制可以建造数学模型时，才能够获得更出色的控制效果。然而考虑到一般的PID控制器对整定在线参数这方面不易完成，因此对于非线性较强以及时间滞后性差的系统就不太容易实现想要达到的控制效果。PID

4、，就是比例（proportional）、积分（integral）、微分（derivative）。P的物理意义是控制调节的yi4.3 PID控制器的设计MATLAB 是一款高科技计算软件，它所能实现的功能主要有以下几方面：数据分析、矩阵计算、可视化、交互式程序设计以及非线性动态系统的建模和仿真。在目前所有的控制方式中，PID算法是较为常见的控制方式，在工业控制自动化过程中被大范围使用，因此采取PID算法对PH值开展监测控制。首先点开MATLAB软件，再打开工具栏的 Simulink，选中 Blank Model，建立PID 控制的仿真模型，仿真结构图如图4-1所示。图4-1 PID控制器仿真结构

5、图对PID参数整定，当P是0.5，I是0.15，D是0.1时呈现的控制效果最优秀，PID算法仿真曲线如图4-2。图4-2 PID算法仿真曲线4.4 串级PID控制的设计构建串级PID控制系统对PH值进行控制。打开MATLAB在Simulink里创建对PH值监测控制的串级PID控制以及常规PID控制两种仿真模型，串级PID控制仿真结构如图4-3：图4-3 串级PID控制仿真结构图运行之后在示波器中出现两条不同颜色的曲线，仿真结果如图4-5所示。图4-5 串级PID控制仿真曲线串级PID控制系统与常规PID控制系统相比超调量减少幅度大，系统调节时间也比较短，系统趋于稳定状态也比较迅速。4.5 SM

6、ITH预估控制器的设计使用SMITH预估算法开展控制。采用在控制回路中引进控制对象的数学模型的方式，可以更快速的获得反映的讯息，可以得到更好的控制效果。在MATLAB软件的Simulink功能中创建对PH值控制的史密斯预估控制以及常规 PID 控制的仿真模型，SMITH预估控制器仿真结构如图4-6。图4-6 SMITH 预估控制器仿真结构图运行之后在示波器中出现两条不同颜色的曲线，仿真结果如图4-7所示。图 4-7 SMITH 预估仿真结果图通过对图4-7中两种控制结果的比较，可以发现史密斯预估控制较为稳定，未发生超调，然而史密斯预估控制系统的上升时间相比常规PID控制较长，相比来说史密斯控制

7、的优势并不明显。4.6 模糊自适应PID控制器的设计对于PH值控制系统的繁复性及时滞性，我们可考虑使用模糊自适应PID控制系统弥补。以传统的PID控制系统为基本创立的模糊自适应PID控制系统，具有两个输入三个输出。误差及误差变化率经模糊化、模糊规则以及解模糊化，可以获得输出为 、和 。最开始传感器先对反应池内的污水PH值的测量数据进行实时更新，随后经过对PH测量值和PH设置值的计算，可以获得误差以及误差变化率，把和输入，再获得控制器的PID参数，最终控制调节变频器实时控制加药阀门来达到水质PH值精准控制在中性的目的。模糊自适应PID控制结构图如图4-8。图4-8 模糊自适应PID控制结构图模糊

8、控制器的中心是模糊控制规则表。首先核算误差以及误差变化率，随后使用模糊规则开展模糊推理，然后使用模糊规则表开始解模糊，最后对这三个参数开展整定操作。总共有以下五个步骤：第一步：明确酸碱度模糊控制器的输入和输出，和是模糊控制器的输入变量，输出变量 、为输出量 、和 。 第二步：E 的基本论域设置为-2.5 2.5，EC 的基本论域设置为-2.5 2.5，模糊子集为NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB。先核算出和的量化因子后才可以开展模糊化处理，核算得到和 的量化因子： (4-1) (4-2)的基本论域设置为-3 3、的基本论域设置为-0.05 0.05、的基本论域设置为-0.1 0.1，模糊

9、子集为NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB。通过计算系统的比例因子如下： (4-3) (4-4) (4-5)第三步：选择隶属度函数，隶属度函数应用于描述模糊集合。定义变量的隶属度函数，输入变量都选取三角形；输出变量左右两边上的两个选取高斯型，剩下的选取三角形。 第四步：创建模糊规则，总共制定了49条不同输入量与 、的模糊规则，模糊规则如表4-1：表4-1、模糊规则表第五步：模糊推理和解模糊化。模糊推理的概念是利用模糊规则通过已知模糊值推理新模糊值的经过，采用 Mamdani 型推理算法，其关系式如下所示： (4-6)解模糊化是把模糊值转化为精确值的进程，主要方法是重心法，得到 、 的模糊控

10、制查询表，如表4-2、4-3、4-4 所示。表4-2 的模糊控制查询表表4-2 的模糊控制查询表表4-2 的模糊控制查询表4.7 模糊自适应PID控制器建模在 MATLAB 软件中建立模糊自适应 PID 控制器并仿真，分为以下几步：（1）模糊逻辑设计器 启动 MATLAB ，在命令输入窗口中键入 fuzzy（需要区分大小写）随后点击回车键，则会弹出模糊逻辑设计器的界面。单击界面内的 Edit，利用 Add Variable 加入输入与输出。总共定义两个输入量 e 和 ec，三个输出量、。设计器界面如图4-9。 图4-9 模糊逻辑设计器界面（2）隶属函数编辑器 双击模糊逻辑设计器界面中的则弹出隶

11、属函数编辑器的界面。把和基本论域都定为 ，模糊子集定，所有隶属度函数都设定成三角形。根据经验，将的基本论域定为，的基本论域定为，的基本论域定为，模糊子集为，左右两边上的两个隶属度函数全部选取为高斯型，其余的隶属度函数选取三角形。得到的画面如图 4-10。图4-10 输入量、输出量隶属度函数（3）模糊规则编辑器 将输入变量的取值与控制的、 间的联系编制为模糊控制规则。把模糊规则输入编辑器，如图4-11所示。图4-11 模糊规则编辑器前面已经确定量化因子为，三个输出参数比例因子分别是，在相同文件下创建模糊自适应的仿真结构图，如图4-11。运行后，得到两种不同颜色的波形图，如图4-12。图 4-11

12、 模糊自适应 PID 仿真结构图图 4-12 模糊自适应 PID 仿真结果4.8 仿真结果分析最终在Simulink中一同针对上述四中控制方式开展仿真。设置一个阶跃信号后，对四种不同的控制方式的到的仿真结果曲线分别标以不同的颜色区分，具体结果如图4-13所示。图4-13 三种控制仿真结果对比图通过仿真结果的对比可以得到，模糊自适应PID控制方式相比于其余几种控制方法所需要的调节时间最短，对阶跃信号的响应速度也最快，超调量可以忽略不计，和其余的几种控制方式相比具有较大优势。4.9 本章小结上述是针对废水处理系统中对水质PH值监测对策开展的实验分析，最开始先阐述目前国家环保部门对废水处理的重视及要

13、求这一背景，污水处理过程中PH值控制的特性，以及确定其数学模型。然后选用四种控制策略，借助MATLAB进行四种控制系统的仿真和对比分析。 5 污水处理控制系统软件部分的研究5.1 PLC程序设计5.1.1 硬件组态的设置在 TIA Portal V16 中对系统的硬件进行组态，上位机使用工控机和PC,下位机使用一个 PLC 主站。然后将将上位机的 PN 口与 PLC的 PN 口相连，完成整个系统的网络构架。系统的网络组态图如图5-1所示。图5-1 硬件组态网络视图5.1.2 各环节控制方案设计（1）粗格栅控制方案设计 污水进入处理厂第一步要经过的是粗格栅，设置粗格栅是为了拦下污水中体积比较大杂

14、质。粗格栅配套装置是一台格栅除污机，在粗格栅两边安有液位差传感器，在检测到粗格栅拦下的污染物比较多时，就可以控制减少出水量，当液位差增长至预先设置的数值时，格栅除污机就会自动启动来处理格栅拦下的固体杂质。粗格栅控制流程如图5-2。图5-2 粗格栅控制流程图（2）污水提升泵控制方案设计 污水提升泵的作用是对粗格栅消除后的废水进行提升，在提升泵站中总共配置了三套提升泵。在提升泵站的进水管道处装配超声波液位传感器，通过把传感器检测到的数据传送至控制中心，再由控制中心把传输来的液位值数据和预设的液位值数据进行对比，进而对提升泵的运作情况及数目进行控制，最终形成污水提升泵站的自动化控制。需要注意的一旦，

15、提升泵启动的液位值要比提升泵停止的最低液位值高，否则就会发生提升泵在停止液位值来回启动和停止的现象，造成能源的大量小号以及反复工作对提升泵产生的损伤。启动液位和停止液位则要通过实际的状况设置。根据经验，把三台提升泵的启动液位设定为2m、4m 和 6m，提升泵控制流程如图5-3。图5-3 提升泵控制流程图（3）细格栅控制方案设计 流入的污水在经过粗格栅以及提升泵的处理后，就会流入细格栅，细格栅的作用是把体积比较小的杂质物拦下，和粗格栅的作用大致相同。细格栅的两边也装配了液位差传感器，在检测到细格栅拦下的污染物比较多时，就可以控制减少出水量，当液位差增长至预先设置的数值时，格栅除污机就会自动启动来

16、处理格栅拦下的固体杂质。处理出的杂质会被细格栅栅渣出口处的螺旋运输到压榨机进行压榨。细格栅控制流程图如图5-4。图5-4 细格栅控制流程图（4）PH值控制方案设计 先借助传感器读取水质PH值和进药阀门的流量，利用PID控制系统进行反馈调节。在OB1系统块中画出系统的主程序段，在系统启动中，调用FC1子程序用来实现读取PH值和流量的功能。PH值的调控流程如图5-5所示。图5-5 PH值的控制流程（5）曝气控制方案设计 在对污水进行除污时先让水流入1个小时，1个小时后就暂停进水，开启风机开始曝气处理大约两个半小时；曝气完毕后停止风机，沉淀1小时；沉淀完毕后，启动污泥泵进行污泥排出大约半个小时；排污

17、步骤进行完毕之后关闭污泥泵，一个曝气控制流程结束。控制流程如图5-6所示。图5-6 曝气控制流程图（6）污泥脱水控制方案设计 当污泥池安装的液位传感器采集到污泥池中液位值超过预先设定的液位值时，应启动浓缩机对污泥进行压实处理。压实缩小后的污泥经过运泥管输送到均质池，依据污泥的浓度启动石灰加药系统开始加药，最后在进到隔膜式压榨机完成脱水。控制流程如图5-7。图5-7 污泥脱水处理控制流程图梯形图控制程序见附录。5.2 上位机监控系统设计5.2.1 Win CC监控画面的实现系统主画面是污水监控的基础画面，一般状况下通过监控主画面就可以了解各个关键控制流程中传感器的运转参数和各控制阀门的启动停止情

18、况。污水监控系统主画面如图5-9所示。 图5-9 污水处理监控系统画面5.3 本章小结本章对系统的软件部分进行设计，介绍了的设计开发，包括各个环节的控制方案设计；完成了污水工艺流程主要画面的设计。6 结论本文基于对自来水厂污水处理工艺流程的分析，对污水处理系统开展了自动化优化设计。因为在整个污水处理过程中有十多种物理化学反应，例如过滤、降解、沉淀以及中和反应，流程较为复杂，所以针对如何显著提高污水处理流程效率，保证污水处理稳定有效的运行，本文以 为主控制器完成了对自来水厂污水处理过程的自动控制。该控制系统设计合理，能够提升污水处理的工效，减少人工的投入。采用模糊自适应控制算法，实现了对 值的精

19、确把控。本文重点做了如下几方面的研究： （1）污水处理工艺方面。针对污水处理过程中的各种物流化学反应以及关键环节开展研究，确定了需要控制的内容以及要求，并针对内容和要求设计了控制方案。（2）选取西门子为主控制器，下位机包括 （3）对于的精准控制，采取了的对策，设立了控制器，通过对比得到模糊自适应和的控制方式明显好于另外三种控制方式，达到了了 的精准控制。 （4）对系统中的重要硬件选型。 （5）利用 软件对系统重要硬件开展组态，编制每个关键控制环节程序，在。上位机画面的制作选取组态软件，可以控制废水处理的一系列环节。 鉴于资源有限以及能力的匮乏，本文仅对的精准控制完成了仿真实验，之后应更深入地研究实际应用情况，以及水位和溶解氧浓度的优化控制。附录OB1：PH值读取流量读取 FC1：29