1 曝氣過(guò)程被控對(duì)象模型及處理

活性污泥處理廢水系統(tǒng)是一個(gè)多變量的分布參數(shù)線性生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，建立其數(shù)學(xué)模型是一大難題。本文僅討論曝氣機(jī)速度與溶解氧(DO)濃度之關(guān)系，簡(jiǎn)述如下：
溶解氧(DO)的形成是非線性的，瞬間完成的；而氧的轉(zhuǎn)移是無(wú)源的，可用雙膜理論來(lái)解釋(見(jiàn)圖1)。

1.1　曝氣機(jī)
垂直提升式E型葉輪表面曝氣機(jī)的充氧量、葉輪直徑與線速度的關(guān)系有如下經(jīng)驗(yàn)公式：
Qcm=0.37v0.28·D1.88·K(1)
式中　 Qcm——標(biāo)準(zhǔn)條件下的充氧量，kg/h
v ——速度，m/s
D ——葉輪直徑，m
K ——池型系數(shù)（對(duì)方型池，K=0.64）
1.2 氧的轉(zhuǎn)移
　氧氣轉(zhuǎn)移速率取決于下列各因素：氣相中氧分壓梯度；液相中氧的濃度梯度；氣液相間的接觸時(shí)間和接觸面積；水溫；污水的性質(zhì)以及水流的紊流程度等。
　當(dāng)混合液中氧的濃度為零時(shí)，由于具有最大的推動(dòng)力，因此氧的轉(zhuǎn)移率最大。在一定條件下，氧的轉(zhuǎn)移速率應(yīng)等于活性污泥微生物的需氧速率：
 dC/dt=Kla(Cs-C)　(2)
式中 　C——液相中溶解氧濃度,mg/L
　 Cs——界面處的溶解氧濃度，mg/L
Kla——氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，L/h
1.3 溶解氧(DO)檢測(cè)
常用的DO連續(xù)測(cè)定方法是隔膜電極法。其隔膜采用聚四氟乙烯纖維、聚乙烯等組成，用鉑、金作正電極，鋁、鉛作負(fù)電極，電解液用氯化鉀等溶液。當(dāng)把這種電極浸入測(cè)定水中，連通電流測(cè)定回路，則產(chǎn)生電流，其電流大小與水中通過(guò)隔膜的DO濃度成比例。根據(jù)DO儀的測(cè)定原理及電化學(xué)方程式分析有：
DOnt=DOst+rcm/α=(１－e-et)　(3)
式中　DOnt——t時(shí)刻DO的實(shí)測(cè)量值，mg/L
　DOst——t時(shí)刻水樣中實(shí)際DO濃度，mg/L
　rcm——實(shí)際OUR值，mg/(L·min)
　α——DO儀氧電極響應(yīng)速度的參數(shù)，min-1，在高濃度時(shí) α=9.2min-1
可見(jiàn)，DO檢測(cè)是非線性，具有滯后特性。
綜上所述，可構(gòu)成曝氣機(jī)速度控制系統(tǒng)方框圖，見(jiàn)圖2。

2 曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊控制

模糊控制運(yùn)用模糊邏輯進(jìn)行直覺(jué)推理。它不需要對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，適合于高度非線性、擾動(dòng)因素大、純滯后、時(shí)變特性等對(duì)象的自動(dòng)控制。實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)的DDC和PID調(diào)節(jié)器相比，模糊控制器(FLC)有更快的響應(yīng)和更小的超調(diào)，對(duì)被控系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感，能克服線性的影響。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的專(zhuān)家模糊控制器(EFC)(見(jiàn)圖3)，把人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和求解控制問(wèn)題的啟發(fā)式規(guī)則、手續(xù)進(jìn)行模型化，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的多層次及分類(lèi)的需要。EFC在保持FLC優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，豐富了適用于FLC的知識(shí)結(jié)構(gòu)及內(nèi)容，使其更具靈活性。

對(duì)于曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)說(shuō)，其任務(wù)是將進(jìn)水水質(zhì)水量變化引起的DO改變盡快地控制在允許的范圍之內(nèi)，且需有一定的魯棒性以適應(yīng)廢水處理過(guò)程因素變化的需要。因此，曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速EFC應(yīng)具備這樣的控制思想：DO濃度偏離較大時(shí)，采取較大的控制量輸出(轉(zhuǎn)速變化較高)，以體現(xiàn)糾偏迅速；DO濃度偏離較小時(shí)，采取較慎微的控制量輸出，以減小過(guò)調(diào)并提高對(duì)e和è的分辯率，提高調(diào)節(jié)精度。
其模糊查詢(xún)表如下：
若　|c1en|>A則粗調(diào)(1)
|c1en|>B>|c1en-1|　則中調(diào)(2)
|c1en|>C>|c1en-1|　則細(xì)調(diào)(3)
　微調(diào) 　 (4)
上表中，優(yōu)先級(jí)依次遞減。其中A＞B＞C為經(jīng)驗(yàn)值，en為當(dāng)前采樣DO濃度偏離量，en-1為前一次采樣偏離量。
為便于實(shí)際應(yīng)用，減少EFC的參數(shù)，對(duì)上述規(guī)則進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

2.1 調(diào)節(jié)策略識(shí)別規(guī)則
IF |c1en|>6C THEN　 L=1(粗調(diào))
IF |c1en|>3C>|c1en-1|　 L=3（中調(diào)）
IF |c1en|>C>|c1en-1|L=2　 （細(xì)調(diào)）
 L1=1 �。ㄎ⒄{(diào)）
上式中，優(yōu)先級(jí)一次遞減。

2.2 控制規(guī)則和查詢(xún)表
IF E and EC THEN L (調(diào)節(jié)變量)
IF L and U THEN Y
其中E、EC、L、U、Y分別為DO濃度偏離量、偏離變化量、調(diào)節(jié)變量、調(diào)節(jié)策略、控制器輸出的模糊量。
輸出值Y經(jīng)過(guò)逆量化后轉(zhuǎn)化成實(shí)際輸出量作為曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速給定，通過(guò)曝氣機(jī)，改變充氧量，實(shí)施對(duì)廢水處理系統(tǒng)中DO濃度的控制。

3 仿真研究

以前面討論的系統(tǒng)為例來(lái)進(jìn)行仿真研究，其控制系統(tǒng)見(jiàn)圖2。廢水處理系統(tǒng)的干擾D(S )主要是進(jìn)水水質(zhì)、水量變化，在這里將它看作理想的正弦干擾，其變化規(guī)律：
Q(t)=Q +5000sin(2πt)
S0(t)=S0 +0.05sin(2πt)
將EFC應(yīng)用于廢水處理系統(tǒng)，并將它與PID調(diào)節(jié)器相比較。其中，設(shè)S0=0.150kgBOD/m3，Q=10000m3/d,f=(1/24)h，α=0.42
將EFC應(yīng)用于廢水處理系統(tǒng)，并將它與PID調(diào)節(jié)器相比較。其中，設(shè)S0＝0.150kgBOD/m3，Q＝10000
仿真結(jié)果表明，EFC具有比PID調(diào)節(jié)優(yōu)越得多的調(diào)節(jié)品質(zhì)和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的魯棒性。

4 結(jié)語(yǔ)

研究結(jié)果表明，活性污泥法廢水處理系統(tǒng)中曝氣機(jī)速度采用專(zhuān)家模糊控制具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的魯棒性。EFC不需要確切了解對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的改變不敏感，有較強(qiáng)的適應(yīng)性；且方案實(shí)施簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，具有一定的推廣價(jià)值。

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