污水曝气池溶解氧智能控制仪的设计与实现

2018年第1期污水曝气池溶解氧智能控制仪的设计与实现孙雪松1,杨洋2,周志群3,李聪3(1.济南大学信息科学与工程学院,山东济南250022;2.济南大学材料科学与工程学院,山东济南250022;3.济南大学自动化与电气工程学院,山东济南250022)摘要针对污水处理中曝气过程中溶解氧控制的非线性、大时滞及时变和难以精确建模等特点,提出一种的溶解氧的智能控制策略。首先根据进水水质参数及环境因素,构建一个基于规则的多级模糊控制器,对溶解氧值进行智能动态设定;其次进行前馈跟踪和恒值控制,依据偏差来源和阈值采用模糊跟踪与模糊PID控制分离、主副环串级控制的复合控制方法来稳定溶氧值的设定值。硬件实现基于ARMCortex-M4数字处理器STM32F407。试验结果表明,该控制仪能够方便、快速地实现上述控制策略,在保证出水水质条件下,降低曝气能耗,保证系统稳定。关键词溶解氧;多级模糊控制器;前馈跟踪;模糊PID;STM32F4中图分类号TP202;X703文献标志码A0引言溶解氧量(DO)是生物污水处理系统中一个非常重要的参数,直接影响出水水质和处理成本。溶解氧的控制过程受多种因素影响,具有非线性、大时滞及时变和不确定性等特点[1]。常规控制基本将DO值设定为一个经验上的恒定值。DO值基本保持在设定值之上,不仅造成大量能耗,而且影响生物处理速率等。在入水水质和运行条件变化时,对动态变化适应性差且能耗较大。本文根据进水水质参数及环境因素,构建一个基于规则的多级模糊控制器,对溶解氧值进行智能动态设定,实时修正系统溶解氧设定值,采用模糊跟踪控制和模糊PID控制复合控制与常规PID控制的风机控制系统构成串级控制,保证溶氧值稳定在设定值。同时,给定值变化与过程通道干扰对系统的影响采用不同的控制决策。硬件实现基于ARMCortex数字处理器STM32F407,制作了曝气池溶解氧智能控制仪。与工业控制机或PLC等组成系统相比,硬件集成度高、处理器含数字处理(DSP)指令,运行速度极快;且仪器编程调试灵活、体积小、成本很低、通用性强、便于推广使用。该仪器不仅能保证出水水质,而且能够降低曝气系统能耗。1溶解氧智能设定系统生物污水处理过程主要利用微生物对污水中的有机物进行吸收和降解。溶解氧的含量直接影响微生物的活性及污水处理效果。当溶解氧不足或过量时都会导致污泥生存环境恶化:溶解氧过低时,微生物生长速率降低,有机物代谢不充分,直接影响排水指标,导致出水水质下降;而当溶解氧过高时,不仅能耗巨大,增加处理成本,还可能破坏絮凝剂,降低悬浮固体沉降性。所以,溶解氧值的控制至关重要[2]。由于污水的进水水质和水量不是恒定的,其耗氧量也是变化的,在保证供氧平衡的前提下,保证出水水质、降低曝气能耗十分重要[3]。因此,在平衡能耗与生化反应正常进行的基础上,选择适当的溶解氧值至关重要。大量干扰因素对曝气的平衡造成破坏,如进水水质、水温等发生变化引起的干扰,溶解氧设定值需根据季节、水质的变化等实际情况调整。由于各参数的测量存在滞后性,我们对其进水水质进行提前测量,经系统分析后给出一个合理的溶解氧给定值,进行前馈跟踪。我们选取一个基于入水氨氮浓度、COD、曝气池MLSS、水温和出水氨氮浓度等水质参数的多级模糊控制器,其结构如图1所示。图1分级模糊控制器结构图2溶解氧的前馈跟踪和恒值控制系统污水处理的曝气过程中,通过变频器调节风机转速以控制反应池内的溶解氧浓度。溶解氧控制系统结构如图2所示,主要包括溶氧值多级模糊控制器、模糊跟踪控制器、模糊PID控制器、常规PI控制器、变频器、风机、气体流量计、溶解氧测试仪等。首先通过多级模糊控制器,根据水质参数等不同因素,给出一个合理的溶解氧设定值,作为串级模糊PID系统的控制量。串级系统主回路以反应池内的溶解氧值为反馈信号。系统的主回路偏差由两个因素引起:1)溶解氧的给定值改变;2)过程通道的干扰。对于溶解氧设定值改变引起的偏差绝对值大于偏差阈值K时,采用模糊跟踪控制决策,在此我们通过模糊控制规则进行快速跟踪DO设定值;对于干扰通道引起的偏差,我们采用当前流行的模糊PID控制[4]。串级系统副回路以气体流量计检测的07自动化应用仪器仪表与检测技术收稿日期:2017-08-242018年第1期风机风量信号作为反馈信号采用常规PI控制。图2溶解氧控制过程串级控制系统鼓风机的风量受动力电(电压波动10%~15%)和信号回路的磁场等干扰,所以出口风量需要不断实施控制,稳定在一个恒定值上。一般来说,污水处理用的鼓风机电机规格仅几种,控制模型变化不大,所以采用常规的增量式PI控制就可以很好控制其出风量。理论上如果风速降低50%,节能可达到87.5%,这也很好地达到节能的目的。在给定值发生较大变化或者系统启动时导致存在大偏差情况下[5],采用模糊跟踪控