PID控制系統(tǒng)在廢水處理中的應(yīng)用

肖楠

（深圳市長城樓宇科技有限公司北京分公司，北京 100001）

持續(xù)推進的工業(yè)化進程使得我國經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，但也造成了日益嚴重的環(huán)境污染問題，在此背景下，工業(yè)廢水的處理成為世界各國共同關(guān)注的問題。工業(yè)廢水的處理具有非線性、延遲時間長、工藝復(fù)雜、不確定性高等特點。采用常規(guī)的PID控制方法以及無法滿足不斷提升的廢水處理控制要求。現(xiàn)階段，我國工業(yè)廢水處理技術(shù)已經(jīng)達到甚至部分超越歐美發(fā)達國家的技術(shù)水平，然而在廢水處理智能控制方面仍然存在很多不足。因此，積極研究和運用先進的自動控制理論和方法對于提高工業(yè)廢水處理效率，減少環(huán)境污染，促進我國工業(yè)可持續(xù)發(fā)展來說意義重大，本次研究以煤制甲醇工業(yè)化生產(chǎn)廢水處理為研究對象，探討基于PID控制理念和算法的廢水處理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，采用模糊PID控制算法實現(xiàn)廢水中溶解氧濃度的自動監(jiān)控，以有效提高廢水處理效果。

1 廢水處理控制系統(tǒng)總體設(shè)計

本次研究的煤制甲醇廢水處理采用分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為三級，分別是現(xiàn)場級、控制級和管理級?，F(xiàn)場級設(shè)備主要包括采集、反饋數(shù)據(jù)的現(xiàn)場設(shè)備（如各種傳感器、測量儀表）?？刂萍壨ǔＶ窹LC控制站，用于處理數(shù)據(jù)，進行自動控制。管理級則負責監(jiān)控工藝流程，進行技術(shù)遠程控制，設(shè)備主要包括上位機。本次研究的廢水處理控制系統(tǒng)現(xiàn)場級包含總變配電分控站和進水泵房控制站，相互配合負責控制曝氣沉淀池、接觸池、回用池等廢水處理設(shè)施。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在深入分析煤制甲醇廢水處理工藝流程的基礎(chǔ)上，進行硬件選型，主要設(shè)備包括三菱FX2N-4DA型PLC、變頻器、電磁閥、繼電器等，各設(shè)備主要作用和特點如下：

（1）PLC。FX2N-4DA型PLC擁有功能強大、類型豐富的指令集，采用一體化設(shè)計，抗干擾能力強，因而在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，在煤制甲醇廢水處理控制系統(tǒng)中負責對整個廢水處理過程的I/O設(shè)備進行配置以及參數(shù)化。

（2）變頻器。煤制甲醇廢水處理控制系統(tǒng)中變頻器的作用是控制風機、水泵等設(shè)備。當電壓超出安全范圍時，變頻器可通過控制電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電壓，達到節(jié)能效果。該系統(tǒng)采用ABB通用機械變頻器ACS510系列，具有配置簡單、適用于各類負載、環(huán)保經(jīng)濟等優(yōu)點，可有效保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（3）傳感器。傳感器主要負責檢測廢水處理系統(tǒng)的運行參數(shù)，如流體的溫度、體積、流速等，并將檢測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，發(fā)送給PLC，PLC進行數(shù)據(jù)處理后，發(fā)送控制指令給現(xiàn)場級控制設(shè)備，實現(xiàn)現(xiàn)場控制。

（4）電磁閥。電磁閥是一種電磁執(zhí)行器件，具有很高的控制精度和靈活性，在工業(yè)控制中得到了廣泛使用，煤制甲醇廢水處理控制系統(tǒng)選用DN32型電磁閥來開閉蒸汽。

（5）繼電器。該系統(tǒng)采用JQ1/8HP型繼電器控制電路通斷，屬于常用的電子元件，常與接觸器結(jié)合形成電氣控制電路。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

在做好硬件配置的基礎(chǔ)上設(shè)計相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，最終實現(xiàn)煤制甲醇工業(yè)廢水處理的自動化控制。本次研究以溶解氧濃度的控制為例，結(jié)合PID控制和模糊控制理論，提出自適應(yīng)模糊PID控制算法。實踐中溶解氧濃度的途徑主要是控制曝氣設(shè)備，將溶解氧濃度穩(wěn)定在合理范圍，通常溶為2mg/L。具體來說，可調(diào)節(jié)曝氣設(shè)備的通風量，達到調(diào)節(jié)氧化溝中溶解氧濃度的目的。曝氣設(shè)備轉(zhuǎn)速與生化池的氧氣量成正比，氧氣越多，溶解氧濃度越高，反之，溶解氧濃度越低，而曝氣設(shè)備的轉(zhuǎn)速由與其相連的電機轉(zhuǎn)速決定。因此，該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路是將現(xiàn)場采集的溶解氧濃度與目標值對比分析，然后，由上位機發(fā)送控制命令給PLC，再由PLC向變頻器發(fā)出控制指令，調(diào)整曝氣設(shè)備的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)溶解氧濃度的控制，具體控制目標是將溶解氧濃度控制在1.5～2.5mg/L，并實時監(jiān)控溶解氧濃度?；诖耍敬窝芯恳匀芙庋鯘舛瓤刂茷槔?，設(shè)計自適應(yīng)模糊PID控制算法，提高溶解氧濃度控制的準確性。

3.2 PID控制原理

作為最先用于生產(chǎn)實踐的控制器，PID（Proportional Integral Differential）控制器至今依然在工業(yè)生產(chǎn)控制中發(fā)揮著重要作用。控制器由比例塊(P)、積分塊(I)和微分塊(D)組成，溶解氧濃度的控制原理見圖2。

圖2 溶解氧濃度的控制原理

控制器的輸入e(t)與輸出u(t)之間的關(guān)系可通過以下公式表示：

式中，KP表示比例系數(shù)；TD表示微分時間常數(shù)；T1表示積分時間常數(shù)。根據(jù)公式可知，PID控制基于比例、積分和微分函數(shù)和系統(tǒng)誤差得到控制量，從而實現(xiàn)控制。以溶解氧濃度控制為例，首先現(xiàn)場檢測溶解氧濃度，將測量值y(t)、目標值r(t)的差值e(t)作為控制器輸入變量，通過公式（1）計算得到u(t)值，將數(shù)值發(fā)送給變頻器，控制曝氣設(shè)備的通風量，從而實現(xiàn)溶解氧濃度的控制。

3.3 模糊控制原理

模糊控制主要包括I/O接口、執(zhí)行器、被監(jiān)控對象、測量設(shè)備等組件?；驹砣鐖D3所示。

圖3 模糊控制原理

目標值r(t)與輸出值y(t)的差值e(t)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到模糊控制器能夠識別的模糊控制量。模糊規(guī)則的計算和組成如下：模糊量數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到模擬量，方便執(zhí)行器識別，執(zhí)行器將模擬量傳遞給被控對象，實現(xiàn)控制。

3.4 模糊PID控制原理

模糊控制器簡易、有效，在工程控制系統(tǒng)設(shè)計中常使用二維模糊控制器，將系統(tǒng)誤差作為輸入量，使其具有與傳統(tǒng)PID控制器類似的功能。如果靜態(tài)穩(wěn)定性可忽略，則使用模糊控制器就可滿足動態(tài)特性要求。而傳統(tǒng)PID控制器消除穩(wěn)態(tài)誤差常用積分控制，動態(tài)響應(yīng)速度慢，如要求動態(tài)響應(yīng)速度快，則需要將PID控制與模糊控制相結(jié)合得到自適應(yīng)模糊PID控制器，有效解決傳統(tǒng)PID控制器穩(wěn)態(tài)性能不佳的問題。

3.5 模糊PID控制器設(shè)計

不同于傳統(tǒng)的PID控制器，模糊PID控制器結(jié)合了PID控制器、模糊控制器的優(yōu)點。本次設(shè)計的煤制甲醇廢水處理控制系統(tǒng)在選擇模糊控制輸入量時遵循簡單高效的原則，采用2端口輸入、3端口輸出的模式，其中輸入量分別是溶解氧濃度偏差值e、溶解氧濃度偏差值的變化率ec；三個輸出量分別是PID控制器的三個參數(shù)的變化量ΔKP、ΔKi、ΔKd。根據(jù)專家知識和實際經(jīng)驗總結(jié)三個輸出量與溶解氧濃度偏差之間的關(guān)系，基于此，建立模糊控制規(guī)則表。出于保障系統(tǒng)運行穩(wěn)定的考慮，需多次采樣得到不同時刻的e和ec的最優(yōu)值，最后得到相應(yīng)的模糊控制表。系統(tǒng)啟動并運行時，根據(jù)溶解氧偏差值調(diào)用相應(yīng)模糊控制表，明確PID控制器3個參數(shù)的最佳值，并根據(jù)整定參數(shù)求得控制量，基于控制量實現(xiàn)溶解氧濃度的高效精準控制，模糊PID控制器原理見圖4。

圖4 溶解氧濃度模糊PID控制器

得到偏差e和ec的值后，通過模糊規(guī)則控制表找到PID控制參數(shù)，將參數(shù)代入以下公式

其中x=p,i,d，K'x(x=p,i,d)表示PID控制器的給定值，可基于實際工況，運用試湊法確定，將整定后PID參數(shù)Kx(x=p,i,d)用于計算控制輸出量，從而控制變頻器頻率，進而控制曝氣通風量，最終實現(xiàn)溶解氧濃度的控制。只要可以查詢模糊控制表就可以應(yīng)用模糊控制算法，上位機按照一定的規(guī)則將模糊控制表依次存儲在組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫中，可以實時查詢模糊控制表得到輸出量，高效、快速，其程序流程如圖5所示。

圖5 溶解氧濃度模糊PID控制程序流程

4 結(jié)語

綜上所述，PID控制被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)自動化控制，其結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性和可靠性高。但是，隨著工業(yè)自動化控制系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷提升，傳統(tǒng)的PID控制器難以高效控制復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程，尤其存在多變量、強非線性、嚴重的不確定性的工業(yè)廢水處理控制系統(tǒng)，由于系統(tǒng)建模難度大，尋找參數(shù)最佳值是一個非常困難的問題。對此，本文提出將模糊控制與PID控制相結(jié)合以獲得更好的參數(shù)整定效果，采用模糊PID控制算法實現(xiàn)PID參數(shù)整定，提高廢水處理控制精度，降低廢水處理成本，實現(xiàn)節(jié)能。