基于模糊推理PID参数自整定在鼓风曝气控制中的应用

第33卷第9期2011-9(下)【101】0引言目前污水处理方法中,活性污泥法是应用最为广泛的处理方法之一,该工艺以生化反应池为核心处理单元。其中,生化反应池中溶解氧浓度的稳定控制是提高城市污水处理厂生化单元运行效率、保持污水处理厂出水水质达标、降低曝气系统能耗的必要条件。目前国内污水处理厂对生化反应池鼓风曝气多采用人工控制、时间控制或者进水量比例控制，这些方法不仅消耗大量的人力、物力，而且造成电能的严重浪费。由于污水处理厂的进水水质和水量是变化的、随机的，常规PID控制方法，对系统模型精确性依赖强，其参数往往整定不良，性能欠佳，但是借助PID参数的在线模糊自整定，实时修改PID参数，就可确保系统在运行过程中始终处于优化状态。鼓风曝气过程采用基于模糊推理PID参数自整定技术，是污水处理设备智能化的核心单元技术，也是提高污水处理质量和降低能耗的关键技术。从污水处理设备的技术发展进程看，自动化、智能化是污水处理设备发展的必然趋势。1PID参数1.1PID参数对系统的影响要改进PID控制的动态特性，必须研究PID调节参数Kp、Ki和Kd对系统动、静态性能的影响。1）比例环节的作用是减少偏差，比例系数Kp增大可以加快响应速度，减小系统稳态误差，提高控制精度。过大会产生较大超调，导致系统不收稿日期：2011-04-28作者简介：牛秦洲（1956－），男，陕西西安人，教授，博士，主要从事工业控制网络与现场总线、计算机应用技术和制造业信息化技术等领域的研究。稳定；过小可减少系统的超调量，也会降低系统的调节精度，使系统的过渡过程时间延长。2）积分环节用于消除系统静差，提高系统无差度，但会使系统响应速度变慢，使超调量变大，导致产生振荡。加大积分系数Ki有利于减小系统静差，但会加剧超调量，甚至引起振荡；减小积分系数有利于系统的稳定，减少系统超调量，但对消除静差是不利的。3）微分环节能反映系统偏差的变化趋势，在偏差信号变大之前，引入一个早期修正信号，减小超调，克服振荡，使系统快速趋于稳定，提高响应速度。增大微分系数Kd有利于加快系统响应，但抑制干扰能力减弱；反之，若Kd分配小，系统调节过程的减速就会滞后，超调量增加，降低系统稳定性。可知，对于不同的被控对象只有适当整定PID的三个参数，才能获得满意的控制效果。1.2基于模糊推理PID参数自整定原则根据污水处理鼓风曝气控制过程的特点，结合PID的三个系数Kp、Ki和Kd对控制系统的影响，基于模糊推理PID参数整定原则有如下三条：1）E很大：说明实际值与参考值误差很大，为了加快系统的响应速度，应取较大的Kp，同时取较小的Kd以避免出现过饱和，Ki取0以避免出现较大的超调。2）若E·EC＞0：说明实际值与参考值的差距在变大。此时，当误差绝对值较大时，应取较大Kp以改变误差的变化趋势，迅速减小误差绝对值，同时可取较小的Ki和中等的Kd，以提高动态基于模糊推理PID参数自整定在鼓风曝气控制中的应用ApplicationofPIDparameterself-tuningbasedonfuzzyillationforblastaeration牛秦洲，张宗喜NIUQin-zhou,ZHANGZong-xi（桂林理工大学机械与控制工程学院，桂林541004）摘要：鼓风曝气是影响污水处理厂出水水质和降低能耗的重要部分。由于污水处理过程的非线性、滞后性和时变性等特点，很难确定溶解氧(DO)的需求量,常规的恒定曝气控制存在着溶解氧浓度波动大、曝气耗费大、曝气不精确等问题。本文设计了基于模糊推理的PID参数自整定对鼓风曝气进行实时控制,该控制方法达到了精确、快速和节能的目的。关键词：模糊推理；溶解氧；PID控制；参数自整定；SIMULINK中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-0134(2011)9(下)-0101-04Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2011.9(下).31【102】第33卷第9期2011-9(下)性能和稳态性能；当误差绝对值较小时，可取中等的Kp，同时取较大的Ki和较小的Kd，以提高系统的稳态性能，避免产生振荡。3）若E·EC＜0：说明实际值与参考值的差距在变小。当误差绝对值较大时取中等的减小误差绝对值，同时取较小的Ki和中等的Kd，以提高动态性能和稳态性能；当误差绝对值较小时，误差变化率绝对值也较小时，可取较小的Kp，同时取较大的和较小的Kd，以提高系统的稳态性能，避免产生振荡。同时，因为系统存在较大的滞后，当误差绝对值较小，误差变化率绝对值较大时，可以认为系统实际值与参考值的差距在变大，此时应迅速降低误差变化率的绝对值，可取中等的Kp，同时可取较小的Ki和较大的Kd，以提高动态性能和稳态性能。2基于模糊推理PID参数自整定控制设计2.1基于模糊推理PID参数