1、溶解氧控制系統方案（修改稿）一、概述 污水生化處理的耗氧反應是重要的反應階段，目前國內的污水 生化處理的加氧工作都是采用大功率的鼓風機實現的， 需要消耗大量 的電能，在保證水質的情況下，如何實現節能控制，降低成本，是目 前國內外需要認真考慮的問題。 污水中的微生物對氧的需求量是一定 的，少了會降低水質，多了不僅不能保證水質，而且還浪費能源，通 常以溶解氧的含量來判斷某個時候供氧量是否合適。 但是，所需要的 溶解氧不應該是一個定值，它是隨著污水的濃度、天氣、氣溫、時間 變化的函數。就是說污水處理過程控制具有顯著的非線性、大滯后、 多變量、時變性的特點。為此，需要研究在不同工況條件下，溶解氧 設定

2、值的優化。 建立污水生化處理過程的溶解氧變化的模型， 并依據 該模型對鼓風量進行低能耗的優化控制。 建立能適應環境變化的基于 污水生化過程。在國內曝氣量優化控制方面進行了一些研究，常用的方法主要是 基于溶解氧目標值的 PID 控制。但是，由于污水生化處理過程的非 線性、時滯及溶解氧目標值時變性，使 PID 控制很難跟蹤溶解氧目 標值。在PID控制基礎上發展了變增益的PID控制、模糊PD控制, 這些方法仍然不能解決過程不確定性問題。 為此，許多學者采用神經 網絡自動診斷、模糊專家控制等智能控制方法。但是，對于復雜的污 水生化處理過程， 學習樣本有限和專家知識不足， 使這些方法的效果 不明顯。國外

3、這方面成功經驗也很少。 所以說國內的污水處理過程的 自動化水平還有待提高，大多數只停留在數據采集和簡單控制 （如提 升泵、污泥回流泵、鼓風機的開關控制 ）的水平上。污水處理過程建 模和控制方面的研究屬于剛起步， 主要用模糊神經網絡控制、 遞階神 經網絡、仿人智能、自適應、專家知識等方法來構建可知模型，取得 一定成功。但這些方法有待深入研究和完善。二、方案提出我們在總結先前的經驗和實際運用的基礎上，對于污水的入水 水質、生化反應過程、出水水質波動等各種在線、離線檢測數據進行 科學分析，結合智能檢測、 診斷與控制技術對生物化過程進行綜合控 制與優化，以保證在各種干擾條件下出水水質穩定達標。 主要采

4、用“前 饋+串級”的組合控制模型，以污水處理廠進水區溫度、流量、進水 水質檢測值等為前饋信號， 來決策溶解氧的給定值； 生化處理池中溶 解氧檢測儀為反饋信號給主回路； 鼓風機風量用風量傳感器檢測作為 反饋信號和變頻器構成副回路。 各回路控制規律為： 前饋采用人工智 能；主回路采用模糊 PID 控制；副回路采用傳統的 PID 控制。為節 省成本對污泥回流控制可以根據回流量流量大小分 1-3 檔位的控制 。 參見圖 2-1 生物化過程前饋 - 串級控制系統。PH等水質 在線、離線 等參數其他參量進水水溫人工智能容氧給老直風機模糊PID溶氧變量污泥回流控制根據流量大小分 1、 2、3檔位控制。曝氣生

5、物濾池氣體流量計圖2-1生物化過程前饋-串級控制系統三、方案論證1、前饋控制活性污泥污水處理系統屬于復雜的動態工程系統，目前無法建立精確的模型來描述完整的系統。而城市污水進水水質在不同的時間變 化極其不穩定，有機物含量的變化在每年內隨季節的推移而變化，每日內隨時間而變化；所以無法給出確定的控制量一溶氧。 但我們可以 根據不同時間，不同參數，其內在的規律來推論出需要溶氧的控制量 多少；也就是用人工智能來解決。基于計算機編程方便，可以采用人 工智能領域中發展起來的專家系統。該系統基本上是模擬有經驗調試 人員的整定思路，通過分析控制系統的輸入輸出信號，根據已知的調節 規律對調節器參數進行整定。從控制

6、結構講，它由知識庫、控制規則 集、推理機構組成。只要得到的事實集和經驗數據庫、經驗公式等，根據各參數中的隸屬、耦合等關系，可以得到切合實際的控制決策。2、3、 串級控制鼓風機的風量受動力電 （電壓波動較大約 10%-15% ），和信號 回路的磁場等干擾， 所以出口風量需要不斷實施控制， 穩定在一個恒 定值上。一般說：污水處理用的鼓風機電機規格近幾種，所以采用常 規的增量式 PID 可以很好控制其出風量。而對于曝氣生物池的溶氧控 制就變得復雜些。 常規的雙入單出模糊控制器是以誤差和誤差變化率 作為輸入變量，相當于 PD 控制器。 因少積分作用，模糊控制器消 除系統穩態誤差的性能較差 ,，難以達到

7、較高的控制精度。而傳統 PID 調節器的積分調節作用從理論上可使系統的穩態誤差控制為零， 有著 很好的消除穩態誤差的作用，因此可以將模糊控制器和 PID 控制相 結合，當誤差大于某個閥值時， 采用模糊控制以獲得更好的瞬態性能； 當誤差小于這個閥值時，則采用 PID 控制以獲得更好的穩態性能。 模糊 PID 控制結合了模糊控制和 PID 控制的控制優點，不需要精確 的數學模型，而是根據控制規則及在線檢測結果決定控制量的大小。 對于好氧處理曝氣系統中難以精確建模、滯后大、強干擾、多變量的 溶氧控制難點，模糊 PID 控制都可以很好的解決（如果考慮 PID 參數 的變化可以再考慮用自適應PID控制方

8、案）。實踐以及證明這點。將 兩者采用串級可以實現更高的精度，且起到很好的節能作用。4、 多級控制考慮到節能和成本污水回流與排放控制可以根據實際情況， 取得 影響程度進行檔位控制。 這樣即保證水質有節省投資成本， 同時接受 能耗。所以初步定 3 個檔控制方案，也可根據實際情況決定。該控制系統前饋控制接受在線的水質參數和離線水質參數。 如是 是離散的水質參數，可以做個接口電路， 按通訊規約接受水質的參量。 從而推斷控制決策。四、實施計劃1 、 完成仿真實驗2 、 完成中試3、4、 做出產品五、經費情況1、 完成仿真 * 萬2 、 完成中試 * 萬（建設實驗室，第一步實驗室進行，第二部在污 水廠實施

9、）3、 產品制作 * 萬（產品具有和 PLC 及上位機進行 MODBUS 通 訊協議。現在國內幾乎沒有產品。國外有幾個廠家有）附：1VACOMASS ?曝氣控制系統 VACOMASS ?曝氣控制系統是由 德國 Binder 公司開發的一套針對活性污泥法的曝氣控制系統， 共包括 5個組件：現場控制器、熱質空氣流量計、菱形調節閥、鼓風機壓力 控制單元和模擬校驗調試單元。 針對于污水廠工藝工程師或中控室技 術人員設定的溶解氧設定值， VACOMASS 系統通過實時的專家智能 系統來處理溶解氧設定值所需的空氣量， 然后利用專有的菱形調節閥 來控制空氣量， 而空氣量則由熱質流量計來精確測量， 從而使曝氣池 維持在所需的溶解氧濃度， 穩定發揮活性污泥的高效降解性能， 并盡 可能的減少曝氣量或曝氣能耗。不但如此， VACOMASS 系統還帶有 壓力控制單元，綜合所有控制回路的實際氣體流