仪器仪表用户 Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—１０４１．２０１２．０３．００８ 口科研设计成果口 污水处理中溶解氧的非线性ＰＩＤ控制 王 弱。孙洪程 （北京化工大学信息科学与技术学院，北京１０００２９） 摘要：污水处理过程中进水流量、进水水质变化剧烈，为了出水水质达到预定指标。要求曝气反应时溶解氧浓度控制精确。本 文以该系统中溶解氧浓度为控制对象，研究了溶解氧的非线性ＰＩＤ控制方法。然后与常规ＰＩＤ控制进行了比较。仿真结果表 明。溶解氧的非线性ＰＩＤ控制效果更稳定。 关键词：污水处理；溶解氧；非线性 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｓｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ＷＡＮＧ Ｙｕｅ，ＳＵＮ Ｈｏｎｇ－ｃｈｅｎｇ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｈａｎｇｅｓ ｖｉｏｌｅｎｔｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｗａｇｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｃｏｎｔｅｎｔ ｑｕａｌｉｔｙ ｓｔａｎｄａｒｄ，ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ（ＤＯ）ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｉｓ ａｃｃｕｒａｔｅ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏＩ ｏｆ ＤＯ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗ ｗｈａｔ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉＳ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ ｔｈａｎ Ｃ０ｎｖｅｎｔｉＯｎａＩ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｓｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏ 引言 自上世纪８Ｏ年代以来，污水生物处理领域已经 取得很大发展。目前，生物法污水处理也是世界上工 业有机废水和城市生活废水处理广泛应用的方法。所 足微生物吸纳污染物减少，影响出水水质。氧气供应 过量，影响硝态氮去除，污泥沉降性变差，能耗大¨ 。 因此，污水处理过程中溶解氧浓度控制是活性污泥工 艺中重要的控制变量 Ｊ，溶解氧浓度控制至关重要。 目前国内常见的控制曝气量的开关控制方式，对 谓的生物法是指人工模拟自然水体自净过程，通过给 污水提供充足的氧气来缩短水体自净所需要的时间。 供氧是生物法的核心也是主要耗能单元。氧气供应不 优于常规Ｐ 控制，大大提高了系统抗外部干扰和适 应内部参数变化的鲁棒性，减少了超调，改善了动态 特性。 溶解氧浓度的控制精度不高，保守处理也导致氧消耗 量大，耗能量大，影响水处理效益。常规的ＰＩＤ控制 计研究［Ｊ］．计算机与数字工程．２００８，（７）：４．６． ［２］王立新译．模糊系统与模糊控制教程［Ｍ］．北京：清 华大学出版社，２００５． ［３］阮勇．一类模糊ＰＩＤ控制器的设计与分析［Ｊ］．信息 ５结论 实际在线运行表明：这种混合型模糊ＰＩＤ的控制 方法能发挥ＰＩＤ和模糊控制两者的优点，对被控系统 与电子工程，２００７，（３）：２１６－２１９． ［４］马祥兴．基于模糊自整定ＰＩＤ的温控系统设计与研 究［Ｊ］．微计算机信息，２０１０，（２３）：８７—８８，３０． ［５］曹立学．基于ＰＣＩ数据采集卡炉温控制系统的设计 ［Ｊ］．仪器仪表用户，２００８，（６）：１３一ｌ４． ［６］张守刚，唐建博．基于模糊ＰＩＤ控制的经纬仪直流伺 服系统仿真研究［Ｊ］．中国舰船研究，２００６，Ｚ１： ４６－４９． 的适应性强，鲁棒性好，特别是在系统参数发生改变 时同样可获得令人满意的控制效果，能很好地适应现 实生产过程中的控制要求，尤其适用于带有迟滞、非 线性和时变性的复杂控制系统。具有一定的理论意 义和实际应用价值。口 参考文献 ［１］曹立学．大林算法在ＭＩＭＯ大滞后控制系统中的设 欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息 作者简介：令朝霞（１９７４．），女，硕士，讲师，主要从事电路、电 工电子及自动控制方面的教学与研究。 基金项目：陕西理工学院科研项目资助（项目编号：ＳＬＧＫＹ１０—１０） 收稿日期：２０１２－－０２．１７ ＥＩＣ ＶＯＩ．１９ ２０１２ Ｎ０．３ ２３ 口科技设计成果口 针对这个典型非线性对象，往往也难以实现溶解氧的 有效控制。但鉴于传统ＰＩＤ控制的设计简单，稳定性 好，可靠性高及易于实现，结合及合理利用现有污水 生物处理法机理模型相关知识，以溶解氧为控制对 象，研究了基于溶解氧的非线性ＰＩＤ控制方法。通过 对该系统仿真实验，与传统ＰＩＤ控制进行了对比分 析，结果证明了非线性ＰＩＤ控制方法的有效性及工程 可行性。 １工艺及建模 １．１工艺 图１为包括生物处理单元的典型污水处理流程 示意图，其中初级物理单元操作一般指经过粗细格 栅，将污水中的不溶性无机物拦截，过滤掉，然后污水 进入初级沉降池进行物理沉降，将污水中的部分不溶 性有机物沉降去除，之后进人生化单元进行生化反 应，进行反应后去除不溶性有机物和有机物物质后在 进行二次沉淀然后再进一步处理。本文主要是研究 生物单元操作部分，即一级沉降与二级沉降中间部分 操作单元如图２，含有溶解性有机物的污水进人生化 反应单元进行包括异氧微生物的好氧生长、缺氧生 长、自氧微生物的好氧生长、缺氧生长、有机氮氨化等 些列生化反应，根据国际水质协会ＩＡＷＱ提出的活 性污泥１号模型（ＡＳＭ１） 对该单元进行建立模型， 主要考虑异氧微生物生长消化有机碳过程，给出异氧 菌在有氧环境下的生长反应动力学中传统模型的化 学计量参数如表１。 图１污水处理流程示意图 图２除有机碳的工艺图 １．２建模 在生化反应池中进行反应，我们认为反应器的容 积是恒定的，假设内部组分分布均匀，用Ｃａ表示反应 器中Ａ组分的浓度，则质量平衡方程可以写为： （ｄＣａ／ｄｔ）Ｖ＝Ｑ，［Ｃａｏ—Ｑ ｃ０一（ＱＦ－Ｑ ）Ｃａ ＋ｒＡ ］ ２４ ＥＩＣ Ｖ０Ｉ．１９ ２０１２ ｈｉＯ．３ 仪器仪表用户 式中，Ｃａｏ为进水中Ａ的浓度；Ｃａ是经过生物分离器 的浓度。 对于溶解物质来说与在反应器内浓度相同，对于 颗粒来说浓度为零， 代表Ａ参与的所有反应速率之 和 ｊ，需要列出反应器中溶解氧，溶解质基质和微生 物三种基质的质量平衡方程。 根据国际水质协会ＩＡＷＱ提出的活性污泥１号 模型得上式做如下假设＿５ Ｊ： 出水中没有微生物； 理想沉淀池； 出水、剩余污泥和回流污泥中没有溶解氧； 单池恒容完全混合曝气池； 空气流量和氧总转移系数之间为指数关系。 表１ 好氧异养菌在有氧环境下的生长反应动力学中 传统模型的化学计量参数［４１ 过程组分 ＸＨ Ｄ Ｓ５ Ｓｏ 过程速率ｒ 生长 ｌ 一（１一 ） （１一 ）／ · 衰减 一ｌ １一｛Ｐ ｂ日·ＸＨ 代表Ａ参与的所有反应速率之和，如果Ａ指的 微生物，则Ｘ 总过程速率可以由反应速率项与表中 列的相应系数相乘，然后加一起，即 Ｉ＇ＸＨ ｘＨ—ｂＨＸＨ 以此类推得出基质的、溶解氧的总反应速率ｒ 、 ｒ 。，然后带入质量平衡方程，可得出曝气池的模型 如下： ｄＳｓ（ＳＳＦ－ＳＳ）一 ） ） ＋ （、１一ｆＰ ＨＸＨ ｄＳｏ ｑＦ。 ｑＦ＋ｑＲ ＹＨ一１ ｄｔ ＯＦ一丁 ０＋ （ ）（ 卜 ）（Ｓ ｓ。） 一 ｄＸｕｄｔ＝ ５ＨＦ一 ｃ ÷ ） 一 （ ）（ Ｈ＋（１ ）６ 式中，ｑ，进水流量；Ｓ 进水底物浓度；ｓ。，进水溶解氧 浓度；Ｘｍｒ进水异养菌浓度； 空气流量；ｑ 污泥回流 量；ｇ 剩余污泥排放量；ｓ 曝气池底物浓度；Ｖ曝气池 容积；Ｓ。曝气池溶解氧浓度； 曝气池异养菌浓度； 异养菌最大比生长速率；ＫｍＳ底物饱和系数；Ｋ。 氧 饱和系数； 产率系数；ｂ 异养菌衰亡系数 惰性 组分；０曝气量无限大时的Ｋｌａ（氧总转移系数）值；６ Ｋｌａ的指数系统；．ｓ。 溶解氧饱和浓度。 针对以上模型，变量可以分类为：干扰变量：ｑ，， 欢迎光临本刊网站ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｉｃ．ｃｏｍ．ｃｎ 仪器仪表用户 ＳｓＦ，Ｓ０Ｆ，ＸＨＦ；操作变量：ｇＲ，ｑ ，ｑＡ；状态变量：ｓｓ，Ｓｏ， ＸＨ；输出变量：Ｓ５，Ｓｏ 。 ２ 非线性ＰＩＤ控制器的设计 ２．１ 模型非线性分析 通过对以上模型的观察，可以看出空气流量Ｑ 与溶解氧浓度ｓ 之间不是线性关系，对模型进行 Ｍａｔｌａｂ仿真 ｊＩ 得出曝气中溶解氧浓度Ｄ０随着空 气流量变化的响应曲线如图３，空气流量随时问等幅 度进行增加，溶解氧溶度变化幅度越来越小，拟合出 溶解氧浓度与空气流量的关系图见图４。 图３ 随着空气流量变化Ｄｏ浓度变化响应曲线 ２．２ 控制系统结构及非线性控制器 针对以上这种情况，结合ＰＩＤ控制的特性分析， 当系统出现扰动是，为了保持溶解氧浓度在设定值 上，控制系统的操作变量空气变量ｑ 会进行相应的 增大或者减小，然而他们之间存在的非线性，等量的 空气流量调整的溶解氧浓度并不相同，为了使系统的 快速响应并且减小超调量，我们考虑选择使用基于空 气流量的溶解氧非线性ＰＩＤ控制。 非线性ＰＩＤ控制的思想，通过了解系统操作变量 及系统输出的非线性关系，对系统进行分段控制，分 段确定该系统的ＰＩＤ参数，以确保在在每一段工作区 域内该闭环控制系统满足期望的性能指标。系统在运 行时，能够自动根据运行条件区分工作区间选择控制 器，以满足即使在较大扰动情况下能够稳定运行及 工作。 针对该系统的本身的特性，以溶解氧的期望浓度 为系统的输入，实际的溶解氧浓度为输出，设计控制 系统。 图４ 空气流量与溶解 图５ 曝气池溶解氧浓度控制 氧浓度曲线图 系统的结构原理图 欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息 口科研设计成果口 图６ 曝气池溶解氧控制系统方块图 其中，Ｋｃ代表溶解氧ＰＩＤ控制器的控制器参数， 通过检测当前曝气池曝气量即空气流量ｑ ，来实时调 整控制器的ＰＩＤ参数。当扰动出现时，ＰＩＤ控制器会 发挥相应的作用调节空气流量来保持溶解氧浓度不 发生改变，如果空气流量不断增大或不断减小，固定 的控制器参数，起到的控制作用却不相同，可能达不 到预计的控制效果，基于非线性ＰＩＤ控制思想，可以 在空气流量不同阶段确定不同的控制器参数，这样往 往会得到更好的控制效果（图５、图６）。 ３ 计算机仿真 图７、图８、图９为进水流量在０．１ｈ和１０ｈ处有 ＋６０％、＋５０％的波动；为进水底物浓度在０．１ｈ和 １０小时处有＋２５％、＋４４％的波动；为进水流量和 进水底物浓度在０．１ｈ分别有＋６０％、＋２５％的波 动，在１０小时处有＋５０％、＋４４％的波动，常规ＰＩＤ 控制与非线性ＰＩＤ控制溶解氧随时间变化曲线图； 出初始状态相同三组图对比可以看，当进水流量、 进水底物浓度在０．１ｈ处发生波动时，由于空气流量 相同，常规ＰＩＤ与非线性ＰＩＤ控制器参数相同，控制 效果基本相同，经过控制器调节后，空气流量发生 改变在，常规ＰＩＤ控制器没有变化，非线性ＰＩＤ控制 器根据新的空气流量选择的新的一组ＰＩＤ参数，当 进水流量和进水底物浓度再在１０ｈ处出现扰动时， 很明显的看出，无论是进水量有波动还是进水底物 浓度有波动非线性ＰＩＤ控制的超调量都要比常规 ＰＩＤ控制小。 ｌ ｌ ／ ／ ｆ １／ ｜ｉ ｝ ＥｌＣ ＶＯ１．１９ ２０１２ Ｎｏ．３ ２５ 日 撞遮 墨日 仪器仪表用户 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—１０４１．２０１２．０３．００９ 整流式流量计设计与开发 刘德字 （天津市润泰自动化仪表有限公司，天津３００４０２） … ，～一＿… ｎ ０． ， 蹦 奠鞋 辩被 ＿ ＿ ＿～一ｌ ｍ； ｌ摘要：随着国家标准ＧＢ／Ｔ２６２４—２００６在石油、化工、电力、冶金等行业的推广。在实际应用中很多企业遇到了现场直管段长 度不能满足ＧＢ／Ｔ２６２４—２００６标准要求，造成节流装置测量精度降低甚至无法给出测量精度的问题。市场急需一种能够准 确测量流量，而且直管段长度要求较短的差压式流量仪表。天津市润泰自动化仪表有限公司通过一年多的研制实验。开发 表，对我国工业企业流量测量将起到重要作用。 关键词：直管段长度；流动调整器；多孔；整流；准确度 中图分类号：ＴＨ８１４ 文献标志码：Ａ 出整流式流量计产品，该产品具有所需直管段短、测量精度高、永久压力损失小等特点。是一种节能、经济、可靠的流量仪 一一 …一 一 Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｔｙｐｅ ｆｉｏｗｍｅｔｅｒ ＬＩＵ Ｄｅ—ｙｕ （Ｒｕｎｔａｉ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００４０２，Ｃｈｉｎａ） 设计出的非线性ＰＩＤ控制器，相对于常规ＰＩＤ控制器 控制效果更好，同时具有常规ＰＩＤ控制的优点控制精 确度高，容易在实际应用中实现。因此，结合生物法 污水处理污泥模型，污水处理系统中溶解氧浓度的控 制采用非线性ＰＩＤ控制器是可行的。口 参考文献 （ａ）传统ＰＩＤ控制下 的仿真曲线 （ｂ）非线性ＰＩＤ控制下 的仿真曲线 ［１］刘超彬，乔俊飞，张芳芳．污水处理过程中溶解氧的 模糊神经网络控制［Ｊ］．山东大学学报，２００５，３５（３）： ８３＿８７． 图８溶解氧的ＰＩＤ控制与非线性ＰＩＤ控制（底物浓度波动） ［２］Ｇｕｓｔａｆ Ｏｌｓｓｏｎ．污水系统的仪表、控制和自动化［Ｍ］． ／ ～ ＿１ ／一一 北京：中国建筑工业出版社，２００７． ［３］商敏儿，杜树新，吴铁军．活性污泥法水处理过程自动 化控制的研究现状［Ｊ］．环境污染治理技术Ｌｊ设备， ２００１，３（１）：８３—８７． ［４］Ｃ．Ｐ．Ｌｅｓｌｉｅ Ｇｒａｄｙ，Ｊｒ．Ｇｌｅｎ Ｔ．Ｄａｉｇｇｅｒ，Ｈｅｎｒｙ Ｃ．Ｌｉａ．ｒ 废水生物处理［Ｍ］．北京：北京化学＿亡业ｍ版 （ａ）传统ＰＩＤ控制下 的仿真｝ｌｆｌ线 （ｂ）非线性ＰＩＤ控制下 的仿真曲线 社，２００４． 图９溶解氧的ＰＩＤ控制与非线性ＰＩＤ控制 ［５］Ｇ．乌尔松，Ｂ．纽厄尔．污水处理系统的建模、诊断和 控制［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５． ［６］薛定字．控制系统计算机辅助设计［Ｍ］．北京：清华大 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