水厂混凝剂投加模糊控制系统设计[论文]

水厂混凝剂投加模糊控制系统设计 【摘 要】 水厂混凝过程没有精确的数学模型,且具有非线性、 时滞性和模糊性等特点,传统 pid 控制难于获得很好的控制效果。 本文结合改造工程实例,采用模糊控制策略实现混凝剂投加自动控 制系统,介绍了模糊控制系统的组成和模糊控制器的设计方法。 【关键词】 模糊控制 混凝剂 水厂 1 引言 自来水厂的水处理工艺一般包括混凝、沉淀、过滤、消毒几个环 节,其中混凝是水处理过程中较为关键的环节。混凝过程的关键是 混凝剂投加量的控制,控制最佳的投加量,不仅可获得最优的混凝 效果,而且节约混凝剂的用量,直接关系到水厂的生产水质和生产 成本。混凝过程涉及到的理化反应,机理仍未明确,因此没有精确 的数学模型。影响混凝效果的因素很多,有原水的浊度、ph 值、水 温、电导率等等。而且混凝过程需要较长的时间。因此水厂混凝剂 投加过程具有非线性、大时滞和模糊性等特点,利用传统 pid 控制 难于获得很好的控制效果。 为了获得更好的混凝剂投加控制效果,我们在西江水厂混凝剂投 加自控系统设计中,运用了模糊控制的方法,并在可编程控制器 (plc)中编程实现。模糊控制是基于模糊集合论、模糊语言变量 及模糊逻辑推理,根据被控对象的特性,模拟人的思维方式和控制 经验来实现的一种智能控制,它容易实现对数学模型不确定、强非 线性的对象进行控制,且具有较强的抑制干扰能力等优点。实践证 明在现场试运行中取得良好的效果。 2 混凝剂投加模糊控制系统设计 西江水厂混凝剂投加模糊控制系统组成如图 1 所示: 西江水厂混凝剂投加系统执行机构——计量泵,选用的是米顿罗 rb96s 型隔膜计量泵。该型号计量泵可通过两个途径调节混凝剂投 加量:一是通过变频器调节计量泵电机的转速(sp) ;二是调节计 量泵活塞冲程(st) 。计量泵实际投加量由下式确定: q=qmax×sp(%)×st(%) 。 式中 qmax 是计量泵的最大流量,sp(%)是泵的转速百分比,st (%)是泵的冲程百分比 混凝剂投加模糊控制系统包括前馈控制和反馈控制两部分。前馈 部分以原水流量和原水浊度为输入量,经模糊控制器运算输出变频 器频率,控制计量泵电机转速;反馈部分以沉淀池出水浊度与给定 值的偏差为输入,经模糊控制器运算输出冲程百分比,控制计量泵 的冲程。 2.1 前馈部分模糊控制器的设计 前馈部分模糊控制器的结构如图 2 所示: 2.1.1 确定输入量和输出量隶属函数值 通过分析研究西江水厂实际数据可发现,在较长时间内原水的 ph 值较为稳定,南方地区原水温度也普遍较高较稳定,这对以碱铝为 混凝剂的水处理工艺来说影响较小。但原水流量由于不同时段供水 需求的不同而变化范围较大,地表水的原水浊度也因不同的气候条 件有较大范围的变化。可见原水的流量和浊度对单位水混凝剂投加 量的影响较大,因此我们以原水的流量和浊度作为输入变量,模糊 化后作为模糊输入变量,然后用模糊控制规则进行模糊逻辑推理, 得到模糊输出量并进行反模糊化,最终得出实际输出量变频器频 率。 对于输入变量 x (原水流量) y 、 (原水浊度) 和输出变量 z (频率) , 模糊语言值均取为:[nb(负大) ,nm(负中) ,ns(负小) ,zo(零) , ps(正小) ,pm(正中) ,pb(正大)]。模糊控制器变量列表如表 1 所示。输入、输出变量均选取简单的三角形隶属函数曲线分布。 2.1.2 确定模糊规则和模糊关系 通过研究水厂的生产数据,可以归纳总结出模糊控制规则,其选 取过程为:将模糊控制器变量中的原水流量、原水浊度和变频器频 率的论域均划分为 7 段,用语言值集合表示均为 [nb nm ns zo ps pm pb]。考察分析以前的实际生产历史数据数据,统计当原水流量、 浊度在模糊论域的各个段时,计量泵电机频率的最大隶属度。例如 原水流量在 nb 段、原水浊度在 nb 段,所对应的计量泵电机频率大 多数在 ns 段,那么此时的模糊控制规则应选为 ns。依此类推,可 得到其他段的投加量的模糊控制规则,如表 2 所示,规则库共有 49 条模糊控制规则,采用的模糊关系为 if x and y then z。 2.1.3 反模糊化 反模糊化是将模糊控制规则转换为具体的模糊控制查询表,本文 模糊控制器的反模糊处理采用控制表查询方式,使用 min-max 重心 法,计算最终的控制查询表。 2.2 反馈部分模糊控制器的设计 反馈部分模糊控制器的结构如图 3 所示: 2.2.1 确定输入和输出量隶属函数值 反馈部分模糊控制器以沉后水浊度与给定值的偏差 e 和偏差变化 率 ec 为输入量,采用二维模糊控制器,经模糊控制器输出,控制 计量泵冲程,以达到准确调节混凝剂投加量的目的。输入变量 e、 ec 和输出变量 u 的模糊语言值均选为[nb(负大) ,nm(负中) ,ns (负小) ,zo(零) ,ps(正小) ,pm(正中) ,pb(正大)],模糊 控制器变量列表如表 3 所示。输入、输出变量的隶属函数均选取简 单三角形隶属函数曲线且均匀分布。 2.2.2 确定模糊规则和模糊关系 通过研究水厂的实际数据,确定模糊控制器规则库,采用的模糊 关系为 if x and y then z。模糊控制规则表如表 4 所示。 2.2.3 反模糊化 模糊控制器的反模糊处理使用 min-max 重心法。 3 混凝剂投加模糊控制器 plc 程序设计 模糊控制器是在现有的施耐德 premium tsx 57 plc 上通过编程软 件 unity pro 编程实现的。unity pro 的图形化编程界面友好,支 持符合 iec61131-3 标准的编程语言,支持大量功能库,其中 fuzzy control library v1.2 是专用于模糊控制编程的功能库,使用功能 库预定义的功能模块,可方便快捷地编制模糊控制程序。以下是以 反馈部分模糊控制器为例的编程过程。 (1)读入沉淀池出水浊度值,经软件滤波后运算得到浊

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