工業(yè)廢水處理的模糊控制器設計與仿真

李炫南

（中國電子科技集團公司第二十研究所 軟件產(chǎn)品部，陜西 西安 710000）

1 工業(yè)廢水pH 值中和處理控制策略

工業(yè)廢水處理的主要方法是，控制堿液或酸液輸入的閥門流量，使廢液進行充分的中和反應，通過檢測廢水的PH 值，使其不斷趨于中和點，最后在進行有害物質(zhì)分解，達到廢水排放標準。

廢水處理的化學反應過程是一個存在嚴重非線性的動態(tài)過程，難以建立精確的數(shù)學模型。常規(guī)PID 控制控制簡單、精確度高。模糊控制實時性好，魯棒性強。這兩者結合用于工業(yè)廢水處理，可以獲得更好的控制性能。

2 模糊PID 控制器設計

模糊PID 控制是基于常規(guī)PID 控制算法與模糊邏輯推理相結合的控制方法，其控制結構圖如圖1 所示。圖中模糊控制器部分采用了雙輸入三輸出的二維模糊控制器，輸入變量為偏差e 和偏差變化ec，輸出變量為KP、KI、KD。

圖1 模糊PID 控制結構圖

模糊PID 控制器自整定控制方案流程圖如圖2 所示。需要經(jīng)過輸入模糊化、建立模糊控制規(guī)則、模糊推理、反模糊化等步驟。

圖2 PID 參數(shù)校正流程圖

2.1 輸入模糊化

系統(tǒng)偏差e 和偏差變化ec 變化范圍定義為模糊集上的論域。

輸入變量e、ec 采用三角形隸屬度函數(shù)如圖3-4。

圖3 e 的隸屬函數(shù)圖

圖4 ec 的隸屬函數(shù)圖

表2 ΔKi 模糊控制規(guī)則表

表3 ΔKd 模糊控制規(guī)則表

2.2 模糊控制規(guī)則

模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經(jīng)驗，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對KP，KI，KD三個參數(shù)分別整定的模糊控制表，見表1-3。

表1 ΔKp 模糊控制規(guī)則表

根據(jù)上訴模糊規(guī)則表，通過模糊推理得到PID 參數(shù)的模糊矩陣表，查出PID 參數(shù)修正參數(shù)代入下列公式計算：

式中，K'p、K'i、K'd是常規(guī)PID 參數(shù)。

2.3 輸出反模糊化

通過模糊推理得到的結果是一個模糊集合，不能直接用來作為控制量，需要通過解模糊轉化為精確數(shù)，才可以作為PID參數(shù)的校正值，實現(xiàn)模糊自整定功能。常用的PID 反模糊化方法有最大隸屬度法、重心法、加權平均法。

3 仿真與分析

本文利用MATLAB 軟件設計了模糊PID 控制系統(tǒng)的仿真模型如圖5 所示，其中模糊控制器模塊如圖6 所示。

圖5 模糊PID 控制系統(tǒng)仿真模型

圖6 模糊控制器摸塊

被控對象等效為:G(s)=l/(s2+2s+1)。

采用階躍信號作為輸入，得到常規(guī)PID 控制器和模糊PID控制器的輸出響應曲線如圖7 所示。通過對比可知，模糊PID控制超調(diào)量更小，響應時間更短、反應速度更快。這表明對于工業(yè)廢水PH 值處理，采用模糊PID 控制效果更好，性能更佳。