用于污水处理模糊化的精准曝气控制系统及模糊控制方法与流程

本发明属于市政污水
技术领域：
，具体涉及一种用于污水处理模糊化的精准曝气控制系统及模糊控制方法。
背景技术：
：规模一定的污水处理厂，其能源的利用依其位置、污水浓度、处理深度、厂内回用、工艺选择和运行模式而有显著差别，因此提出普遍适用的污水处理厂能耗等级是不实际的，通常传统的生物氧化塘和土地处理系统是对能耗变化不敏感的。高级处理工艺经常需要大量的一次能源，也需要大量化学药剂以及有关的二次能源。进水浓度、水利条件、厂内能量回收的设计和运行模式等因素对电力能源和燃料能源的消耗影响较大。大多数污水处理厂，曝气系统电耗在总的能耗中占有很大比重，改进曝气系统的运行是降低污水处理厂能耗费用最佳途径之一。活性污泥工艺的需氧量随处理水量和污水的有机负荷变化而变化。通常在污水处理厂日流量变化中，每天早上随着污水流量和供氧量需求也同时增加。相反地，夜间流量减少时，供气量也应减少。提高溶解氧自控控制水平可以比手动控制节约10％-35％的能量。污水处理厂传统典型的曝气控制类型主要有两大类：第一类是直接控制风机，系统采集安装在好氧池中的溶解氧分析仪测得的溶解氧值，与系统的设定值(此设定值可以由用户设定)进行比较，如果实际溶解氧值比设定值大，则减小风机转速，从而减少曝气量，逐渐使好氧池的溶解氧下降，最终与设定值一致，如果实际溶解氧值比设定值小，则增大风机转速，从而增大曝气量，逐渐使好氧池的溶解氧上升，最终与设定值一致，对于这种控制方式，曝气管道的空气压力会有一定波动，不利于曝气的控制，一般用于小型污水处理厂的曝气控制。第二类是直接控制阀门，系统采集安装在好氧池中的溶解氧分析仪测得的溶解氧值，与系统的设定值进行比较，按照上述第一类的控制方式去控制阀门开度，同时，系统采集曝气管道的压力，并与压力设定值比较，如果实际压力比设定值大，则减小风机转速；如果实际压力比设定值小，则增大风机转速；最终使曝气管道的压力保持恒定，对于这种控制方式，在曝气管道压力恒定的情况下，阀门开度与曝气量的线性关系比较好，能够较好的控制曝气量，一般用于大、中型污水处理厂的曝气控制。以上两种传统控制方法的缺点在于：a.由于时间延迟，即从开始曝气到池内do(溶解氧)变化需要一段时间，造成溶解氧的控制波动很大；b.传统方法能耗高，为了保证安全运行，系统的do设定值只能保持在较高的数值上，保持了过大的余度而造成浪费；c.过大的波动会使得池内的生物环境不稳定，干扰生物系统的工作；d.曝气池溶解氧过高会导致活性污泥氧中毒，导致曝气池出水cod升高。技术实现要素：为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种用于污水处理模糊化的精准曝气控制系统及模糊控制方法，用于解决传统控制系统能耗高，波动过大会干扰生物系统的工作，系统中的某一台仪表出现故障后，造成整个控制系统的失效，以及不准确的系统测量参数造成错误的控制输出的问题。本发明所采用的技术方案为：一种用于污水处理模糊化的精准曝气控制系统，包括前端仪表、变频系统以及后端控制系统，所述后端控制系统包括plc控制系统、触摸屏以及模糊控制器，plc控制系统的可编程逻辑控制器分别与模糊控制器和触摸屏通信连接；可编程逻辑控制器的输入端与前端仪表的输出端通信连接；模糊控制器的输出端与变频系统的控制端通信连接；前端仪表设置于曝气池处，变频系统设置于曝气风机处。进一步地，前端仪表包括均与可编程逻辑控制器通信连接的电磁流量计、氨氮测定仪、cod检测仪、溶解氧控制仪、压力变送器、气体流量计以及超声波液位计；cod检测仪包括进水cod检测仪和出水cod检测仪，氨氮测定仪包括进水氨氮测定仪和出水氨氮测定仪；电磁流量计、进水氨氮测定仪以及进水cod检测仪设置于曝气池进水口处；出水氨氮测定仪和出水cod检测仪设置于曝气池出水口处；气体流量计和压力变送器设置于曝气池曝气入口总管处；前端仪表包括三台溶解氧控制仪，分别设置于曝气池好氧区的进水端、中间部分以及出水端；超声波液位计设置于曝气池好氧区处。进一步地，变频系统包括变频器，位于变频器进线端的进线电抗器、位于变频器出线端的出线电抗器以及相关低压元器件，变频器设置于曝气风机处，与曝气风机控制端连接，且其控制端与模糊控制器的输出端通信连接；精准曝气控制系统还包括调节阀，调节阀位于曝气池的曝气风管处，且其控制端与模糊控制器的输出端通信连接。进一步地，模糊控制器包括依次连接的模糊化接口模块、模糊算法模块、模糊化判决模块以及过程控制模块；模糊化接口模块的入口端plc控制系统的可编程逻辑控制器的输出端通信连接；过程控制模块分别与调节阀的控制端和变频器的控制端通信连接。进一步地，模糊化接口模块，用于接收plc控制系统的输入变量和精准曝气控制系统的输出变量，获得合适的相应的论域实现模糊化，将输入数据转换成相应语言变量，并构成模糊集合；模糊算法模块，由数据库和语言控制规则库两部分组成，用于提供相应控制目标数据、历史模糊化判决数据以及模糊化算法数据；模糊化判决模块，用于对模糊控制过程进行判决，并获得模糊输出；过程控制模块，用于将模糊输出变量的量值范围转化为相应的论域，将模糊控制量转化为精确控制量，并根据精确控制量控制调节阀和变频器。进一步地，plc控制系统还包括无线通讯模块，无线通讯模块分别与可编程逻辑控制器和监控中心通信连接。一种基于精准曝气控制系统模糊控制器的模糊控制方法，模糊控制器包括模糊化接口模块、模糊算法模块、模糊化判决模块以及过程控制模块，模糊控制方法包括如下步骤：s1：根据模糊化接口模块接收到的输入数据，进行精确量模糊化，得到模糊量；s2：建立模糊控制规则，并根据模糊量和模糊控制规则，进行模糊判别，得到模糊查询结果；s3：使用过程控制模块，将模糊量进行非模糊化处理，并根据模糊查询结果，得到精确控制量；s4：根据精确控制量，控制调节阀调节阀门开度和控制变频器调节风机频率，调节曝气池供气量。进一步地，步骤s1包括如下步骤：s1-1：使用模糊化接口模块将接收到的输入数据转换成相应语言变量，得到模糊量，并进行论域的量化，得到模糊量的实际控制量；实际控制量的公式为：式中，u、umax、umin分别为实际控制量、最大控制量和最小控制量；z、zmax、zmin分别为实际输入量、最大输入量和最小输入量；k3为量化因子；s1-2：根据实际控制量，进行模糊的划分，确定模糊量数量，并得到模糊量的模糊集合；s1-3：根据模糊量的模糊集合，进行模糊表达，得到模糊量的隶属函数。进一步地，步骤s2包括如下步骤：s2-1：根据模糊量的模糊集合，建立对应的模糊控制规则；s2-2：根据模糊集合、模糊量的隶属函数以及模糊控制规则，利用重心法原则，使用模糊化判决模块进行模糊判决，得到模糊查询结果。进一步地，对曝气量进行模糊控制的计算公式包括：设计污水需氧量的计算公式为：式中，为设计污水需氧量；s0为进水五日生化需氧量；se为出水五日生化需氧量；δxv为曝气池排出系统的微生物中含氮量；nk为进水总凯氏氮量；nke为出水总凯氏氮量；nt为进水总氮量；n0e为进水总氮量；a、b、c、d分别为碳当量、氧化每公斤氨氮所需氧量、细菌细胞的氧含量以及污泥自身氧化率；n'为混合液挥发性悬浮物固体平均浓度；v为曝气池容积；q(·)为曝气池的进水流量；根据设计污水需氧量调整系统参数并设置初始阈值；曝气池供气量的计算公式为：式中，gs为曝气池供气量；ro为修正曝气量，且ko为需氧量修正系数；为曝气量；ea为扩散装置的转移系数。本发明的有益效果为：1)进行模糊化控制，根据溶解氧的变化实时控制池内溶解氧；2)精准曝气控制系统适时精确供气，节约能耗，避免过大的余度而造成浪费；3)避免池内溶解氧过大的波动，保证了池内的生物环境的稳定，以及生物系统的正常工作；4)避免曝气池溶解氧过高，防止活性污泥氧中毒，以及降低曝气池出水cod；5)接入无线通讯模块，支持远程调试、诊断、维护等服务，提高系统的实用性；6)根据采集的数据，及时发现前端仪表故障并报警，以及及时发现管道漏损、阀门泄漏、曝气头堵塞等异常现象；7)良好的可靠性、可维护性、可扩展性，降低远期使用成本。附图说明图1是精准曝气控制系统结构框图；图2是模糊控制器模糊控制过程框图；图3是模糊控制方法流程图；图4是e、ec、u的隶属函数曲线图；图5是模糊推理过程图；图6是模糊推理结果图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。实施例1：如图1所示，一种用于污水处理模糊化的精准曝气控制系统，包括前端仪表、变频系统以及后端控制系统，所述后端控制系统包括plc控制系统、触摸屏以及模糊控制器，plc控制系统的可编程逻辑控制器分别与模糊控制器和触摸屏通信连接；可编程逻辑控制器的输入端与前端仪表的输出端通信连接；模糊控制器的输出端与变频系统的控制端通信连接；前端仪表设置于曝气池处，变频系统设置于曝气风机处；可编程逻辑控制器的型号为cpu1515sp，触摸屏型号为cpu1515sp。作为优选，前端仪表包括均与可编程逻辑控制器通信连接的电磁流量计、氨氮测定仪、cod检测仪、溶解氧控制仪、压力变送器、气体流量计以及超声波液位计；cod检测仪包括进水cod检测仪和出水cod检测仪，氨氮测定仪包括进水氨氮测定仪和出水氨氮测定仪；电磁流量计、进水氨氮测定仪以及进水cod检测仪设置于曝气池进水口处；出水氨氮测定仪和出水cod检测仪设置于曝气池出水口处；气体流量计和压力变送器设置于曝气池曝气入口总管处；前端仪表包括三台溶解氧控制仪，分别设置于曝气池好氧区的进水端、中间部分以及出水端；超声波液位计设置于曝气池好氧区处。作为优选，变频系统包括变频器，位于变频器进线端的进线电抗器、位于变频器出线端的出线电抗器以及相关低压元器件，变频器设置于曝气风机处，与曝气风机控制端连接，且其控制端与模糊控制器的输出端通信连接；精准曝气控制系统还包括调节阀，调节阀位于曝气池的曝气风管处，且其控制端与模糊控制器的输出端通信连接。作为优选，如图2所示，模糊控制器包括依次连接的模糊化接口模块、模糊算法模块、模糊化判决模块以及过程控制模块；模糊化接口模块的入口端plc控制系统的可编程逻辑控制器的输出端通信连接；过程控制模块分别与调节阀的控制端和变频器的控制端通信连接。作为优选，模糊化接口模块，用于接收plc控制系统的输入变量和精准曝气控制系统的输出变量，获得合适的相应的论域实现模糊化，将输入数据转换成相应语言变量，并构成模糊集合；模糊算法模块，由数据库和语言控制规则库两部分组成，用于提供相应控制目标数据、历史模糊化判决数据以及模糊化算法数据；模糊化判决模块，用于对模糊控制过程进行判决，并获得模糊输出；过程控制模块，用于将模糊输出变量的量值范围转化为相应的论域，将模糊控制量转化为精确控制量，并根据精确控制量控制调节阀和变频器。作为优选，plc控制系统还包括无线通讯模块，无线通讯模块分别与可编程逻辑控制器和监控中心通信连接。一种基于精准曝气控制系统模糊控制器的模糊控制方法，模糊控制器包括模糊化接口模块、模糊算法模块、模糊化判决模块以及过程控制模块，如图3所示，模糊控制方法包括如下步骤：s1：根据模糊化接口模块接收到的输入数据，进行精确量模糊化，得到模糊量，包括如下步骤：s1-1：使用模糊化接口模块将接收到的输入数据转换成相应语言变量，得到模糊量，并进行论域的量化，得到模糊量的实际控制量；模糊控制中，离散论域的元素一般取5-15个，由于有量化过程，模糊控制器具有离散性质，故而对系统状态标量的小突变不敏感，提高了系统的适应性和实用性；本控制系统结合曝气池内d0溶解氧浓度的变化情况，把do偏差e、输出量u、偏差变化率ec的量化等级定为13，即他们的离散论域分别为：e：x＝(-6，-5，-4，-3，-2，-1，o，+l，+2，+3，+4，+5，+6)；ec：y＝(-6，-5，-4，-3，-2，-1，o，+l，+2，+3，+4，+5，+6)；u：z＝(-6，-5，-4，-3，-2，-l，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6)；假定do的e、ec、u的基本论域分别为[-2，2]、[-3，3]、[500，6500]，所示可得e、ec、u的量化因子分别为：k1＝6/2＝3，k2＝6/3＝2，k3＝(6500-500)/(2*6)＝500；实际控制量的公式为：式中，u、umax、umin分别为实际控制量、最大控制量和最小控制量；z、zmax、zmin分别为实际输入量、最大输入量和最小输入量；k3为量化因子；s1-2：根据实际控制量，进行模糊的划分，确定模糊量数量，并得到模糊量的模糊集合；在模糊控制中输入论域，或是输出论域，都要取恰当的模糊量。对于一个给定的有限论域，在这个论域中确定模糊量数量的过程称模糊划分，在实际中，模糊划分和量化是有直接关系的，即论域中元素的个数应是模糊量的1.5-2倍。对于本控制系统，do的偏差e论域的元素为13个，则模糊量的个数应取7个，因而可确定模糊集合，包括e、ec和u的模糊子集，分别为：e的模糊集合为(nb，nm，ns，z0，ps，pm，pb)；ec的模糊集合为(nb，nm，ns，z0，ps，pm，pb)；u的模糊集合为(nb，nm，ns，z0，ps，pm，pb)。其中，模糊语言变量的意义为:nb＝negativebig(负大)pb＝positivebig(正大)nm＝negativemedium(负中)pm＝positivemedium(正中)ns＝negativesmall(负小)ps＝positivesmall(正小)z0＝zero(零)s1-3：根据模糊量的模糊集合，进行模糊表达，得到模糊量的隶属函数；在论域中模糊量的隶属函数形状称为该模糊量的模糊表达，模糊表达的目的在于取得最适合于控制目的的隶属函数，相同或不同输入变量的各个隶属函数形状可以不同，最常采用的隶属函数类型是三角形、梯形、高斯型和钟型，各模糊集合间相互影响，模糊集合当中任意两个模糊子集中最大隶属度值越小，反映控制灵敏席勒虎高；该值越大，模糊控制器对被控过程的参数变化适应性越强，即鲁棒性越好；本设计采用三角形形式为模糊量的隶属函数形状，并假设隶属曲线宽度为1，高度也为1，则可以得到do的e、ec、u的隶属函数曲线见图4所示，根据隶属函数曲线列出do的e、ec、u的模糊隶属函数表如表1所示；表1e-6-5-4-3-2-10123456nb10.500000000000nm00.510.5000000000ns0000.510.50000000z0000000.510.500000ps00000000.510.5000pm0000000000.510.50pb000000000000.51s2：建立模糊控制规则，并根据模糊量和模糊控制规则，进行模糊判别，得到模糊查询结果，模糊规则的选择是设计模糊控制器的核心，模糊控制是以模糊控制规则去实施控制的，模糊控制规则表达了人对被控对象执行控制时的模糊思维和判别过程，其设计是进行反复试凑的过程，经验归纳法、相关法和推理合成法是建立模糊规则的有效方法，属于本领域技术人员的惯用技术手段和公知常识，模糊控制规则的格式为：ifaandbthenc，包括如下步骤：s2-1：根据模糊量的模糊集合，建立对应的模糊控制规则；在本系统中，根据曝气过程中可以遇见的情况和系统运行数据，考虑do的偏差e取7模糊语言变量(nb，nm，ns，z0，ps，pm，pb)；do偏差变化率ec取5个语方变量(nb，ns，z0，ps，pb)；输出控制u取7个模糊语言变量(nb，nm，ns，z0，ps，pm，pb)；那么模糊控制规则用模糊条件语句可描述成：当do偏差e为负大，do偏差变化率ec也为负大的时候，此时，反应器内的do浓度很低要尽快提高do浓度，必须增大曝气量，所以应该尽快消除偏差，使控制量快速增加，所以输出量u应取正大，对应的控制规则为：ife＝nbandec＝nbthenu＝pb，当e＝nb时可得一组模糊控制规则如下：ife＝nbandec＝nbthenu＝pbife＝nbandec＝nmthenu＝pbife＝nbandec＝nsthenu＝pbife＝nbandec＝z0thenu＝pbife＝nbandec＝psthenu＝pmife＝nbandec＝pmthenu＝psife＝nbandec＝pbthenu＝ze得到模糊控制表如表2所示；表2s2-2：根据模糊集合、模糊量的隶属函数以及模糊控制规则，利用重心法原则，使用模糊化判决模块进行模糊判决，得到模糊查询结果；通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合或者隶属函数，但在实际使用中，特别是在模糊逻辑控制中，被控过程只能接受一个精确的控制量，必须进行一次转换，将其转化为清晰的数字量；重心法是取模糊隶属函数曲线与横坐标轴围成面积的重心作为清晰值的方法，对其论域中每个元素x以它作为待判决输出模糊集合u的隶属度u(x)的加权系数，采用重心法的计算量大，这样需要大量的计算时间，因此在本设计中结合离线计算方法，将计算结果输入plc应用查表的方式，因而不会占用太多的时间，也保住了控制精度，并且本设计采用mamdani(玛达尼)直接推理法，该方法的特点是真观，运算简便快捷；采用重心法需要做下面的推理过程：假定系统输入do的偏差e、偏差变化率ec经量化后的论域等级值分别为-3、2，从表3.1可知，do的输入偏差论域值-3与语言值模糊子集nm、ns有关，即unm(-3)＝0.5,uns(-3)＝0.5其余隶属度都为零；偏差变化率论域值2只与语言值模糊子集ps有关，即ups(2)＝1；因而，根据表2模糊控制规则表可得当e＝nm、ec＝ps时，u＝ps；当e＝ns、ec＝ps时，u＝ze，所对当前偏差及偏差变化率的输入值，只有以下两条控制规则起作用：规则一：ife＝nmandec＝psthenu＝ps规则二：ife＝nsandec＝psthenu＝ze对以上两条规则应用mamdani直接推理法进行模糊推理，推理过程见图5所示，首先取前两个条件的最小隶属度值，然后对结果进行取截集可得：ups(-3,2)＝min{0.5,1}＝0.5uze(-3,2)＝min{0.5,1}＝0.5对以上推理过程取“并”集运算得到图6所示结果，且模糊判决的公式为：式中，u为输出量；当do的偏差e的输入论域值为-3，偏差变化率ec的输入论域值为2时，输出控制量u的论域为1，按照以上的推理过程可得出所有输出量u的论域表即模糊查询表，如表3所示；表3s3：使用过程控制模块，将模糊量进行非模糊化处理，并根据模糊查询结果，得到精确控制量；s4：根据精确控制量，控制调节阀调节阀门开度和控制变频器调节风机频率，调节曝气池供气量。作为优选，对曝气量进行模糊控制的计算公式包括：设计污水需氧量的计算公式为：式中，为设计污水需氧量；s0为进水五日生化需氧量；se为出水五日生化需氧量；δxv为曝气池排出系统的微生物中含氮量；nk为进水总凯氏氮量；nke为出水总凯氏氮量；nt为进水总氮量；n0e为进水总氮量；a、b、c、d分别为碳当量、氧化每公斤氨氮所需氧量、细菌细胞的氧含量以及污泥自身氧化率；n'为混合液挥发性悬浮物固体平均浓度；v为曝气池容积；q(·)为曝气池的进水流量；根据设计污水需氧量调整系统参数并设置初始阈值；曝气池供气量的计算公式为：式中，gs为曝气池供气量；ro为修正曝气量，且ko为需氧量修正系数；为曝气量；ea为扩散装置的转移系数。本发明提供了一种用于污水处理模糊化的精准曝气控制系统及模糊控制方法，解决了传统控制系统能耗高，波动过大会干扰生物系统的工作，系统中的某一台仪表出现故障后，造成整个控制系统的失效，以及不准确的系统测量参数造成错误的控制输出的问题。本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。当前第1页12