几种溶解氧浓度控制方法的比较-范昕炜

技术总结几种溶解氧浓度控制方法的比较范昕炜,杜树新,吴铁军(浙江大学智能系统与决策研究所,浙江杭州310027)摘要:以溶解氧浓度(DO)为控制对象,研究了开关控制、PID控制、模糊控制和增益调度控制等多种控制方法,并进行了运行费用(控制输入)和浓度波动等方面的比较。仿真结果表明,增益调度方法是一种比较优越的控制策略。关键词:污水处理;溶解氧浓度;控制策略中图分类号:X703.1文献标识码:C文章编号:1000-4602(2003)09-0039-021几种控制策略1.1开关控制法和PID控制法开关控制是目前污水处理厂使用较为普遍的一种方法,跟踪误差达到设定值后就动作。PID控制法在实践中证明了它的可靠性,是工厂里应用最广泛的控制方法。1.2模糊控制法模糊控制(FuzzyLogicControl)在研究复杂被控对象时,特别是对那些难以建立精确数学模型的系统与过程,可通过下列方法得到令人满意的控制效果:①用语言变量作为系统的输入输出变量或状态变量;②用语言规则表示这些语言变量之间的映射关系;③用模糊合成推理来表述被控系统输入—输出变量间复杂关系的算法特征;④通过模糊关系方程的求解获取合适的输出控制量。因此,它是一种基于专家知识,蕴涵着人类智能、推理和决策的智能控制方式[1]。1.3增益调度控制法增益调度控制的基本思想是:对一个实际系统(非线性),在各平衡工作点附近进行泰勒级数展开,得到一个近似于原非线性系统的线性化系统,再对该线性化系统进行控制系统的设计和分析,确保在工作点附近闭环控制系统达到期望的性能指标。在控制系统运行时,根据运行条件调度各个控制器,使得整个控制系统能较好地工作,从而实现对非线性系统的控制[2、3]。2仿真试验在MATLAB5.3的仿真环境[4]下,用多种控制算法对DO浓度的数学模型做了仿真试验[5]。数学模型各参数值设定为:K1=0.65m-3,V=1000m3,Q=2.0～2.8m3min,u=0～2m3min,r=2,Ci=0.1mgL,Cs=9.17mgL,OUR=(1+sin0.2πt)mg(L·min)。根据维持DO浓度≥2mgL的传统观点和美国“十州标准”的规定[6],只考虑DO浓度在1.5～2.5mgL之间的情况。①开关控制与PID控制开关控制的误差上限值为0.05。在PID控制器中比例常数Kp=20,积分常数Ki=0.1,微分常数Kd=0。②模糊控制模糊控制器采用Mamdani控制器,先实现输入变量的测量、量化和模糊化。把误差变化率和误差作为模糊控制器的输入变量,分别对输入变量进行归一化,并在其论域上定义11个模糊集,隶属度函数采用gauss函数波形来表示。模糊规则是根据对该系统已有的控制经验,定义了6个语言规则,作为一组控制标准。模糊推理过程采取常用的最大和最小推理法,最后进行反模糊化,利用面积重心法得到模糊控制器的输出。·39·中国给水排水2003Vol.19CHINAWATER&WASTEWATERNo.9③增益调度控制增益调度控制实际上将控制系统的设计分成两个步骤:首先,对DO浓度的数学模型利用二元函数的泰勒公式在平衡点y=1.5和2.5处进行展开,略去高阶项。其次,对得到的线性方程用状态反馈的最优跟踪的方法来设计控制器,用黎卡提代数方程计算出最优控制u＊(·)的常数[7]。当y=1.5时,K＊1=9.9714,K＊2=-9.9999598;当y=2.5时,K＊1=9.9622,K＊2=-9.9999285。3比较在两个周期内,各采样点上控制变量u值的总和及误差平方的总和如表1所示。其中u值的大小反映了耗能量。由表1可知,PID控制方法比开关控制方法节能约74.12%,模糊控制方法比开关控制方法节能约73.94%,增益调度控制方法比开关控制方法节能约89.22%,且其误差平方的总和最小,可见其控制精度和可靠性很高。表1各种控制方法的控制变量及误差平方总和的比较项目开关控制法PID控制法模糊控制法增益调度控制法u(m3min)6596.01707.21718.8710.8(y-y＊)2229.7331197.0977134.0330111.99174结论①开关控制简单实用、一次性投资少,缺陷是控制性能不稳定,波动和耗能大,运行成本很高。PID控制器应用广泛,但在实践中需要积累大量的控制器综合及工程参数整定经验,由于模型的近似性、系统的时变性等,固定参数的PID控制器很难保证控制作用的时时最优。因此,针对不同的工况,相应调整控制参数,尤其是在系统参数变化及非线性情况下很难保持设计时的性能指标。②模糊控制容易实现,但规则的制定具有一定的主观性和随意性。该方法可克服系统的变参数及非线性等不利因素,对系统的动态响应具有较快的收敛,适用于非线性系统的控制,现在也得到了较多的应用。模糊推理控制器控