污水处理溶解氧的模糊Smith智能控制系统应用研究

摘要

工业污水处理系统中,通过曝气使活性污泥得到足够的氧气,水中的可溶性有机污染物被存活在活性污泥上的微生物分解,使污水得到净化。然而曝气生物滤池工艺中曝气过程具有好氧微生物和DO(dissolved oxygen)测量的动态性。而且具有污水流量变化、含碱浓度变化以及污水回流而导致的时变性、非线性及变量之间的强耦合性,无法建立准确的数学模型。采用常规的PID控制技术对DO值进行控制,控制效果难以令人满意。假如采用了先进的控制技术和自动化程度高的控制系统,将使水处理效率和质量大大提高。因此,该课题的研究具有较高的理论价值与应用价值。同时,DO过程控制在化工、轻工以及其他环境保护领域已被广泛应用,因此也具有一定的推广价值。
　　 本论文以河南某纸厂实际的污水处理系统为背景,就造纸污水处理过程中污水DO值的控制算法和自动化控制系统展开理论和应用技术研究,主要工作和创新点包括以下几个方面:
　　 1)污水DO值模糊Smith控制。模糊控制是一种基于规则的控制,不需要建立被控对象的精确的数学模型,具有一定的智能水平和鲁棒性。但是它本身消除系统稳态误差的性能比较差。Smith预估控制可以消除时滞的影响,减小超调量,提高系统稳定性,加速调节过程,提高系统快速性,但是它却需要被控对象精确的数学模型,否则当对象参数变化范围较大时,它的控制就完全失效。本论文结合模糊控制和Smith预估控制的优缺点,在此基础上提出基于此两种算法的复合算法。
　　 2)数学模型的建立及仿真分析。建立该DO值调节过程的数学模型,并在MATLAB下进行仿真。将DO值调节系统在PID控制回路,Smith的预估控制回路,复合算法(模糊Smith智能控制)控制回路下的仿真曲线进行对比。
　　 3)控制系统的实现问题。模糊Smith控制方案在河南某纸厂的实际污水处理系统中进行了编程实现,并进行了现场测试运行。
　　 模糊Smith智能控制将PID控制与模糊控制相结合组成模糊自整定PID控制,来增强系统的自适应能力;将常规Smith预估算法进行改进,来增强系统的抗干扰性。模糊Smith智能控制在系统响应速度、超调量以及延迟时间,增强系统抗干扰能力等特性上均有明显优势。在河南该纸厂应用表明本论文提出的新算法是切实可行的,系统控制性能稳定,完全能满足工艺控制要求,提高了DO值控制效果,在实际应用中有着广泛的推广价值。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 水资源及我国污水处理的状况

1.2 国内外水处理溶解氧研究现状

1.3 DO值控制的提出及意义

1.4 本文的主要研究工作及内容安排

1.5 本章小结

2 污水好氧处理及其工艺描述

2.1 污水处理的概念和基本处理方法

2.2 污水的好氧处理

2.2.1 好氧处理概述

2.2.2 好氧处理的原理及抑制因素

2.3 本章小结

3 系统建模

3.1 溶解氧控制系统模型

3.2 模型参数理论分析

3.3 溶解氧的模型与参数初整定

4 模糊Smith智能控制方法

4.1 PID控制的基本原理

4.2 PID各参数的作用

4.3 PID参数整定方法

4.3.1 PID参数整定的一些准则

4.3.2 几种PID工程整定方法

4.4 PID的局限性及解决办法

4.5 模糊控制算法

4.5.1 控制器系统结构

4.5.2 模糊控制器的设计

4.5.3 模糊参数自整定PID的结构

4.6 模糊控制器的缺点及解决方法

4.7 模糊Smith智能控制方法的提出及应用

4.7.1 Smith预估控制概述及其补偿原理

4.7.2 改进的Smith预估控制器

4.7.3 模糊Smith智能控制方法

4.8 模糊Smith智能控制方法的程序实现

4.9 本章小结

5 系统仿真

5.1 控制器的设计

5.2 DO仿真

5.3 仿真结论

5.4 实时运行曲线

5.5 本章小结

6 污水好氧处理自动控制系统的设计

6.1 好氧工艺流程介绍

6.2 自动控制系统的硬件设计

6.2.1 西门子SIMATIC S7-300

6.2.2 自控系统的硬件结构及配置

6.3 自动控制系统的软件设计

6.3.1 污水好氧处理系统主要控制单元简介

6.3.2 西门子SIMATIC STEP7编程软件简介

6.3.3 自动控制系统的软件结构设计

6.3.4 上位机组态软件WINCC V6.0简介

6.3.5 HMI及其主要功能介绍

6.4 本章小结

7 结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文