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'上海交通大学硕士学位论文SBR污水处理工艺的模糊控制姓名：李骏申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：冯正进2003.2.1 上海交通大学硕士学位论文SBR污水处理工艺的模糊控制SBR污水处理工艺的模糊控制摘要为了保护有限的水资源保证国家可持续发展的战略必须大力发展我国的污水处理事业在污水处理工艺中SBR法是一种比较先进的工艺而且也比较适合我国国情实施SBR工艺的关键在于其自动控制系统但是SBR处理过程比较复杂所以还有很多问题没有得到解决因此对SBR污水处理工艺的控制问题的研究有非常重要的意义SBR工艺处理污水的过程是一个多参量多任务同时具有随机性时变性和耦合性的复杂过程目前对其生化反应的机理尚在研究之中没有可用的动力学数学模型同时也没有能直接反映反应过程的水质参数的传感器所以传统的控制方法并不能应用于这一场合针对与这一问题本文提出了应用智能控制方法中的模糊控制方法对SBR法处理污水的过程进行控制以提高污水处理效率降低能耗防止出现污泥膨胀本文分析了SBR法处理污水反应过程中对降解有机物硝化与反硝化除磷过程反应有影响的工艺参数提出其中能被在线检测响应快又能间接反映反应过程的工艺参数作为对SBR反应的控制参数结合SBR工艺过程提出利用这些参数对SBR的进水时间厌氧反应曝气反应沉淀时间排水量等进行控制的方法其中重点对参数DO进行了分析提取了DO参数在曝气反应中与有机物降解规律的相关关系和特征并利用这些关系和特征分别设计了控制曝气反应过程和控制曝气反应时间的模糊控制器并结合这两个控制器对整个曝气反应进行控制利用MATLAB对模型进 上海交通大学硕士学位论文SBR污水处理工艺的模糊控制FUZZYCONTROLOFSEQUENCINGBATCHREACTOR(SBR)PROCESSFORSEWAGEWATERTREATMENTABSTRACTInordertoprotectthelimitedfreshwaterresourceofourcountry,weshoulddeveloptheworkofsewagewatertreatment.Sequencingbatchreactorprocessisoneofadvancedsewagewatertreatmentprocessesanditsuitstheconditionsofourcountry.ButthekeyofapplyingtheSBRprocessisitsautomationsystemwhichstillhasalotofunsolvedproblems.Sotheresearchofauto-controlofSBRprocessisveryimportant.Theprocessoftreatingthesewagewaterisverycomplexprocesswhichhascharactersofrandomicity,couplingandchangeswithtime.Thetraditioncontrolwaycan"tbeappliedintheprocessduetothelackoftheaccuratemathmodeloftheprocessandthesensorswhichcanreflectprocessparametersdirectly.ThepaperappliesthefuzzycontrolwhichisoneofintelligencecontrolmethodstoSBRprocessofsewagewatertreatmenttoimprovetheefficiencyanddecreasetheconsumeofenergy.Thepaperanalysestheparameterswhichaffecttheprocessoftreatmentandespeciallyputforwardtherelationshipbetweentheorganicdegradationanddoconcentration.Thenusetherelationshiptodesigntwofuzzycontrollerstocontroltheprocessandthetimeofaeratecourse 上海交通大学硕士学位论文SBR污水处理工艺的模糊控制treatment.ThecontrolmethodhasbeensimulatedinMatlab.ThefuzzycontrolarithmetichasbeenprogrammedandintegratedintheconfiguresoftwarewhichisWinCCproducedbySIEMENStobeappliedintheprojectofautomationsystemofHaiNingcitysewagewatertreatmentproject.KEYWORDSSBR,FuzzyControl,sewagewatertreatment,DO 上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中叹明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：辔辔，日期：易∞弓年支月矗妒日 上海交通大学学位论文版权使用授权书本学圃轲广作萄彰苦全了解判蚓秩锞留、使用学擞白嘞啶，同意学校保留并向国家有关部门或棚．构送交论文的复印件和电子版，允许、论=立喃喳阅删。本^j受权E海交通大学可眺瞄奉学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行l佥索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在一年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密函。．(请在以匕方框内打“√”)学位论文作者签名：日期：血哆年文月叫日指导教师签名：缈日期：粥年争月硝日 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1我国的水资源及污水处理状况概述我们国家水资源是一个水资源匮乏的国家虽然总量达到2.8万亿立方米居世界第四位但是人均水资源的占有量只有2300立方米为世界人均量的四分之一居世界第121位而且在时空分布上非常不均匀现在在我国668个城市中已有400多个供水不足其中有118个城市属于严重缺水每年因缺水而影响工业产值近2300亿元同时由于缺水全国农田平均受旱面积增加到5亿多亩在我国农村大约有8000万人口连饮水也比较困难我国水资源的先天不足但是在另一个方面由于经济发展城市扩张带来的工业废水生活污水源源不断的流入水体使水资源的质量下降功能减退平原湖泊浅层地下水都受到不同程度的污染在全国水资源质量评价的10万公里河长中受污染的河长占51%在城市污染情况尤为严重全国90%以上的城市水域污染严重32个重点城市的71个水源地30个达不到二级标准占总数的42%水体污染加剧了水资源的短缺水体的不同程度的污染进一步加剧了城市用水紧张为了进一步推进我国城市化和社会经济的可持续发展缓解水资源紧张状况确保城市水资源的可持续利用强化城市污水处理减轻水环境的污染是十分必要的这是一项功在当代利在千秋的事业但是目前我国城市污水处理率比较低在国家的最近五年计划里对城市污水处理率达到的目标要求是50%以沿海比较发达的浙江省为例2001年城市污水处理率仅为33.2%由此可见我们要做的工作还是很多的阻碍污水处理事业进一步发展的因素主要有两点首先是资金的问题排水3工程的造价都比较贵基建投资比较高一般每m污水投资在1500~2000元而且污水厂运行费用居高不下凭自身的运转难以自负盈亏很多厂需要国家补贴更不用说收回投资了国家负担过重其次是运行管理问题国家环保局曾对我国55个城市的5556套工业废水处理设施的运行情况作了全面的调查结果表明运行效果好或者比较好的只占24%而建成后没能运行的或者处理能力达不到设计能力一般的设施竟占总数的63.5%造成这种状况的原因是多方面的但其最主要的原因仍是运行控制和管理水平低下每年由此造成的损失是惊人的先进的污水处理工艺若不实施自动控制也将失去它的众多优势由此可见解决这1 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论一问题的重要性和迫切性国内外的经验表明好的自动化管理不仅能节省人力更能使工作系统稳定可靠节省运行费用国家对环境保护工作越来越重视在污水处理这方面的监管和投资力度也逐年增加近年来随着国家几项重要的水利工程如三峡工程南水北调工程的上马还有对湖泊近海水域水质的整治工作如渤海湾碧海计划和治理环太湖水域水质对水域周边的生活工业污水的处理作为这些工程工作的配套工程或是重要组成部分之一已经提上工作的日程这些都说明在资金方面国家在这方面的还是非常支持的再通过地方政府的一些财政拨款和其他的一些融资渠道应该来说目前我国的污水处理事业发展的环境非常好怎样抓住这样的一种机遇提高我国污水处理工作的水平是我们目前面临的最大的问题解决这样一个矛盾一方面要研究应用先进的污水处理工艺另一方面根据工艺情况设计实施先进的自动控制实现污水处理的科学管理1.2污水处理工作的技术现状现在我国污水处理工艺中常用的有传统活性污泥法氧化沟法A-B法A-O法A-A-O法SBR法等还有其它一些非好氧技术的自然生物处理法生物膜法厌氧生物处理法等设过程中采用何种工艺应根据污水处理的要求和程度处理工艺的先进性和实用性同时也要考虑降低投资和占地减少维护和运行费用氧化沟法在我国城市和工业企业污水处理工程中有广泛的应用具有处理流程简单构筑物少但是该工艺在节约能耗降低运行费用方面不具有优势A-B法具有对进水负荷变化适应性强运行稳定污泥不易膨胀等优点在解决老污水厂超负荷运行而改造时适合采用在我国山东新疆深圳等地已应用A-O法A-A-O法和传统的活性污泥法相比具有能大大提高脱氮除磷效果的优点适用于城市污水处理后排入需防止富营养化的水体或处理含氮量较高的工业污水如化肥厂废水等A-B法A-O法A-A-O法均需要增加一些构筑物和设施如曝气池回流设施等工程投资也相对要增加相对而言间歇式活性污泥法或序批式活性污泥法SequencingBatchReactorActivatedSludgeProcess)作为一种新技术不论在工业企业还是在城市污水处理中均得到了更广泛的应用这主要是该工艺的特殊的运行和净化机制比传统的活性污泥法具有更高的净化效果尤其对高浓度难降解生物污水SBR工艺可节省去二沉池污泥回流设备某些情况下还可以节省去调节池和初沉池因而整个工程占地少易于沉淀脱水性能好可实现脱氮除磷功能等优点但是由于2 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论该工艺的操作过程比较繁琐与其它工艺相比较所需控制的参变量较多对仪表的精度和可靠性有较高的要求因此在自动化控制方面要求比较高投入也比较大对操作人员素质的要求也比较高根据SBR工艺的特点该工艺比较适用以下几种情况中小城镇生活污水和厂矿企业的工业废水尤其是间歇排放和流量变化较大的地方需要较高出水水质防止河湖富营养化的地方如风景游览区湖泊和港湾等水资源紧缺的地方用地紧张的地方对已建连续流污水处理厂的改造等小水量间歇排放的工业废水与分散点源污染的治理由上可知SBR工艺在我国应用的范围是非常广泛的我国自九十年代中期开始国家建设部属市政设计研究院和上海北京天津等市政设计研究院开始了SBR工艺技术的研究和应用但大部分处于试验研究和小型污水处理厂的应用阶段目前只有几座城市污水处理厂采用SBR法工艺处理城市混合污水如昆明市日处理污水量15万吨的第三污水处理厂其工艺为SBR法ICEAS技术自投产以来运行正常出水水质稳定达到了设计标准但是目前的工艺和自动控制系统仍然未能充分利用各种资源效率和处理效果仍然有待不断提高可见SBR工艺的关键在于其自动控制系统该控制系统同时具备连续过程控制系统和离散控制系统的特征是一个多参量如液位各种水质成分空气流量水流量压力温度菌种浓度等多任务如泵站联网污水输送酸碱度控制溶氧量控制COD值控制水质监测等具有随机性时变性和耦合性的复杂系统实现这类工艺的先进自控系统将是环保技术的一次飞跃是一个亟待解决的问题1.3课题的来源海宁市污水处理工程是浙江省计划与经济委员会以1999178号文批准兴建的浙江省重点工程该工程采用国际先进的SBR-CAST处理工艺其总规模为截污输送处理能力10万吨/日主要包括收集管道14.1km输送管道12km泵站5座二级污水处理厂一座第一期工程总投资1.38亿元SBR-CAST工艺相对普通SBR工艺要完善得多而且工艺可调整性最强允许工艺工程师重新配置修改工艺配方最后可以形成基于配方的专家系统该工艺目前由国家环保总局首次在海宁市污水工程中开始实践为了充分配合先进的处理工艺提高控制效果节约能源降低工作人员工作强度污水处理应由一个具备智能控制和高可靠性等特征的SCADASupervisorControlAndDataAcquisition系统与综合管理系统来进行现代化的控制和管理使之达到国际先3 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论进水平上海交通大学机电控制研究所承接了这个项目中的自动控制部分的任务在这个项目中我们应用了大量的先进的软硬件为完成项目任务搭建了良好的技术平台和人机交换界面其中技术的核心部分是污水厂SBR反应池污水处理的自动控制1.3.1控制系统的设计要求海宁市污水处理工程自动控制系统由泵站自动控制系统和污水处理厂自动控制系统两部分组成其中泵站自控系统比较简单而污水处理厂自动控制系统则比较复杂污水厂自动控制系统的基本设计要求为1)系统负责污水厂自动化运作的监控和管理实现进水泵房沉砂池SBR池出水泵房等子系统运行的自动控制控制系统稳定可靠周全能实现24小时全天候连续运转2)利用工艺参数的反馈实现反应过程的闭环控制提高反应的效率节约能源并且提高系统的抗冲击性3)对主要工艺参数PHDOCODSSORP液位等和各种设备格栅机潜污泵搅拌机滗水器鼓风机等工作状态进行监控并设置设备故障和工艺参数临界状态的声光报警生成及打印指定时间内数据报表和变化曲线4)系统应具有“PLC自动控制”“远程控制”“手动控制”三种工作模式正常情况下为PLC自动控制模式远程控制主要用于在异常情况下中控室直接干预设备运行手动模式下自控系统仅监视设备工作状态5)污水处理厂与公司中央控制室之间的采用无线通讯要求通讯准确性高误码率低容错纠错性强6)公司控制室计算机监控界面友好操作方便各级管理操作权限设置具有良好的安全性主要工艺参数的设置和更改方便以有利于流程的变化1.3.2控制系统设计的基本思路针对上述的基本要求本设计方案采用了如下的基本设计思想1)应用模糊控制技术保证系统自动运行的智能性采用模糊控制技术以多个工艺参数作为控制参数控制整个污水处理的反应流程以达到4 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论更好的污水处理效果和更低的能耗2)应用冗余容错技术保证系统高可靠性为了避免因控制系统故障而停产控制系统应具有高的可靠性采用软硬件的冗余技术使控制系统在出现局部故障的情况下仍然可以不间断运行并且系统应具有快速可靠的恢复手段3)应用成熟技术和设备保证系统实用性和经济性在保证系统功能和性能要求的前提下尽量采用成熟技术合理配置系统的软硬件达到最优性能价格比4)应用先进技术保证系统性能的先进性在保证系统实用性可靠性的前提下采用一系列先进技术使系统硬件的构成和软件资源的利用均具有超前性若干年不会被淘汰5)应用模块化设计技术保证系统的可扩展性为了保证今后污水处理厂的二期工程和设备调整等能够顺利进行要求十分注意系统的可扩展性应用模块化设计技术将系统的各个功能由分散的相互独立的模块来完成彼此之间用网络来连接这样在系统容量扩大和功能扩展时不用对原系统进行重组只需在系统原有模块的基础上连接新增加的模块即可使原有的投资得到保护系统能平滑的过渡到新系统6)应用多种开放型的现场总线技术保证系统开放性与灵活性7)应用多媒体和可视化技术保证人机界面的友好性1.3.3控制系统的难点海宁市SBR污水处理工程的自动控制系统由于其工艺要求和地理分布的的特点相应给自动控制系统的开发带来一些难点比如说采用何种冗余容错技术来实现高可靠性还有无线电网络最远距离超过18公里如何实现高可靠性和容错纠错性对各种硬件的选型和安装和软件的编制要求比较高本文解决的主要问题是怎样实现对SBR工艺反应过程的自动控制SBR工艺的反应流程是一个复杂的生化反应过程是一个具有严重的不确定性时变非线性的动态系统由于对系统认知的缺陷和参数测量手段的欠缺目前还没有一个可以在实际工作中应用的数学模型而传统的控制技术如PID控制最优控制自适应控制等是基于数学模型的控制建立在一个数学模型已知或者通过辨识可以得到的基础上的因此怎样采用合理的控制策略对现有的系统进行有效合理的控制使其不仅能达到控制要求并且能在一定程度做到节能高效是一个很有挑战性的课题5 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论国内对于SBR工艺的研究人员也很不多而且比较分散其中主要以原哈尔滨建筑工程大学市政与环境工程系国家自然科学基金支持为主他们的研究主要集中在SBR工艺过程和原理的分析改进环境因素的影响工艺参数的分析这几个部分怎样结合控制理论和工艺参数分析来进一步研究如何在实际工业环境中对SBR污水处理反应进行控制这一部分工作目前可以说是空白地带更没有实际工程应用实例本文分析了SBR法处理污水反应过程中对降解有机物硝化与反硝化除磷过程反应有影响的工艺参数提出其中能被在线检测响应快又能间接反映反应过程的工艺参数作为对SBR反应的控制参数结合SBR工艺过程提出利用这些参数对SBR的进水时间厌氧反应曝气反应沉淀时间排水量等进行控制的方法其中重点对参数DO进行了分析提取了DO参数在曝气反应中与有机物降解规律的相关关系和特征并利用这些关系和特征分别设计了控制曝气反应过程和控制曝气反应时间的模糊控制器并结合这两个控制器对整个曝气反应进行控制并利用MATLAB进行了模型仿真分析最后研究了将这种模糊控制算法集成在组态软件WinCC中并应用于我所承担的海宁市污水处理工程自动控制系统工程6 上海交通大学硕士学位论文第二章污水处理及SBR工艺概述第二章污水处理及SBR工艺概述2.1污水处理简介2.1.1污水处理的概念和基本方法污水处理就是采用各种技术措施将污水中所含有各种形态的污染物分离出来或将其分解转化为无害的和稳定的物质使废水得到净化现代的污水处理技术按其作用原理和去除对象可分为物理法化学法生物法1)物理法就是利用物理作用分离污水中呈悬浮状态的污染物质在处理过程中不改变水的化学性质如重力分离气浮反渗透截留离心分离蒸发等物理法去除的对象是水中不溶解的悬浮物质应用的工艺有筛滤截留重力分离离心分离等使用的处理设备和建构物有格栅筛网沉砂池沉淀池滤池微滤机气浮装置离心机漩流分离器等2)化学法就是利用化学反应作用来分离转化破坏或回收污水中的污染物并使是转化成无害物质如混凝中和沉淀氧化还原吸附电渗析气提萃取等处理工艺3)生物法就是利用水中微生物的新陈代谢使污水中呈溶解和胶体状态的有机物被降解并转化成无害的物质使污水得以净化属于生物法的处理工艺有活性污泥法生物膜法自然生物处理法和厌氧生物处理法等污水的生物处理法就是采取一定的人工措施创造有利于微生物生长繁殖的环境使微生物大量增殖以提高微生物氧化分解有机物的一种技术生物处理法主要用于去除污水中呈溶解状态和胶体状态的有机污染物根据作用微生物的类型生物处理法可分为好氧处理法和厌氧处理法两大类前者处理效率高效果好使用广泛是生物处理法的主要方法根据微生物在水中是出于悬浮状态还是附着在某种填料上可分为活性污泥法和生物膜法2.1.2基本水质参数水质是指水和水中所含杂质共同表现出来的综合特性水质指标则用于表示水中杂质的成分种类和数量使判断水质的具体指标水质指标项目繁多按其性质一般可以分为物理的化学的和生物的三大类1物理性指标属于这类的水质指标主要有感官物理性指标如温度色度嗅味混浊度透明度以及固体的含量和电导率等7 上海交通大学硕士学位论文第二章污水处理及SBR工艺概述2化学性指标属于这类的水质指标主要有一般性水质指标如PH值硬度各种阳离子各种阴离子和一般性有机物等有毒物质水质指标如重金属氰化物多环芳烃和各种农药等植物性营养物质水质指标如硝酸盐和磷酸盐等有机物含量水质指标如生化需氧量BOD5化学需氧量COD总需氧量TOD和总有机碳TOC等1有机物进入水体以后将在微生物作用下进行氧化分解使水中溶解氧逐渐减少当氧化作用进行的太快而水体不能及时从大气中吸收足够氧来补充消耗的氧时水中的溶解氧可以降的很低例如低于3~4mg/L时这就影响鱼类的正常生活当水中的溶解氧耗尽之后有机物开始厌氧消化发出臭气影响环境表示有机物的综合指标可分为以氧O2表示的指标如生化需氧量化学需氧量和总需氧量生化需氧量生化需氧量表示在有氧的情况下由于微生物主要是细菌的活动可降解为有机物稳定化所需的氧量通常以BOD5表示BOD5越大表示水中的有机物越多污染越严重由于有机物全部分解稳定所需的时间很长可达100天以上实际上采用20下20天的生化需氧量为代表以BOD20表示在实际应用中20天的时间仍然太长常采用205天的BOD作为衡量污染水有机物浓度的指标对于生活污水和大多数的工业污水来说BOD5约为BOD20的70~80%化学需氧量化学需氧量是指在一定的条件下水中有机物与强氧化剂如重铬酸钾高锰酸钾作用所消耗的氧量当用重铬酸钾作为氧化剂时水中有机物几乎可以全部90~95%被氧化其消耗氧的数量称为重铬酸钾耗氧量或称为化学需氧量以COD或CODcr表示水中的COD值不仅代表水中有机物的含量同时包括了水中还原性无机物被氧化的耗氧量总需氧量总需氧量TOD是指水中还原性物质主要是有机物在燃烧中变成稳定的氧化物所需要的氧量2植物营养物质植物营养物质包括氮磷及其他一些物质它们是植物生长发育所需要的养料过多的植物营养物质进入水体使水体中藻类大量繁殖产生所谓的“富营养化”会恶化水质影响渔业生产和危害人体健康危害水体的植物营养性物质水质指标主要有氮素化合物如有机氮氨氮亚硝酸盐和硝酸盐等和磷酸盐+氨氮氨氮是水中以NH3和NH4形式存在的氮它是有机氮化合物氧化分解的第一步产物使水体受污染的一种标志氨氮不仅是一种肥料可被植物利用会促使水体中藻类繁殖而且游离的NH3对鱼类又很强的毒性不同鱼类的8 上海交通大学硕士学位论文第二章污水处理及SBR工艺概述致死浓度在0.2~2.0mg(NH3)/L之间亚硝酸盐硝酸盐硝酸盐是保证人体健康的指标亚硝酸盐又是人体健康毒理学指标两者都是控制氮污染的指标总氮水中有机氮氨氮亚硝酸盐和硝酸盐的总和代表水中氮素化合物的综合不仅是水体污染控制的一个重要指标也是废水处理过程一个重要的控制参数含磷化合物磷是生物生长必需的元素之一天然水和废水中的磷绝大多数3-以各种形式的磷酸盐存在也有呈有机磷化物存在的可分为正磷酸盐——PO42--HPO4H2PO4缩合磷酸盐——包括焦磷酸盐偏磷酸盐和聚合磷酸盐等如4-5-2-3-P2O7P3O10HP3O9(PO3)6等有机磷化物上述含磷化合物的总和称为总磷是一项重要的水质指标3生物性水质指标属于这类水质指标的还有细菌总数大肠杆菌数各种病源微生物和病毒等4还有其它的如无机性非金属有害物质重金属和有害有毒有机污染物2.1SBR污水处理工艺简介SBR工艺是早在1914年就由英国学者Ardern和Locket发明了的水处理工艺70年代初美国NatreDame大学的R.Irvine教授采用实验室规模对SBR工艺进行了系统深入的研究并于1980年在美国环保局EPA的资助下在印第安那州的Culwer城改建并投产了世界上第一个SBR法污水处理厂与传统污水处理工艺不同SBR工艺采用时间分割的操作方式代替空间分割的操作方式非稳态生化反应代替稳态生化反应静置理想沉淀替代传统的动态沉淀正是SBR工艺这些特殊性使其具有以下优点SBR工艺属非稳态反应反应速度快不同处理阶段可以提供给各种菌种需要的新陈代谢环境静置沉淀沉淀效果好且集曝气沉淀与于一体不需另外设置初沉池二沉池等建筑大大节省了占地面积降低了基建费用又因无需混合液回流明显降低了动力消耗2.2.1SBR工艺的基本流程在该系统中反应池在一定时间间隔内充满污水以间歇处理方式运行处理后混合液沉淀一段时间后从池中排除上清液沉淀的生物污泥则留于池内用于再次与污水混合处理污水这样依次反复运行则构成了序批式处理工艺9 上海交通大学硕士学位论文第二章污水处理及SBR工艺概述SBR反应池内设有曝气系统滗水器污泥回流泵和搅拌机等装置典型的工艺操作主要是由进水Fill曝气反应Aerate沉淀Settle排水Discharge和闲置Idle等五个过程组成从污水流入开始到闲置时间结束为一个周期如图2-1所示这种操作反复进行不断进行生化降解和污水净化处理整个过程对于单个反应池而言是间歇进行的但是通过多个反应池组合调度后又是连续的因而也可以用于工业化大规模生产进水曝气沉淀排水闲置图2-1SBR反应阶段图Fig.2-1thePhasesofSBRTreatment2.2.2SBR污水处理的工艺优点1理想的推流式反应的特征使生化反应推动力增大连续流反应器有两种完全对立的理想类型分别称为推流型与完全混合型根据活性污泥动力学理论生物反应速度受基质浓度的作用基质浓度越小反应速度越慢完全混合型反应器由于人为地强化混合使基质浓度降低减慢了生物反应速度这是不适宜的在理想的推流式装置中不存在返混作用起始端的污水浓度大生物反应速度亦大全池的单位容积处理效率高于完全混合型而间歇式或半连续式的反应器装置是一种按时间作推流的即随着污水在池内反应时间的延长基质浓度由高变低是一种理想的推流型反应器2有效控制丝状活性污泥膨胀构成活性污泥微生物的细菌可分为菌胶团形成菌与丝状菌当菌胶团形成菌占优势时污泥的凝聚性沉降浓缩性好反之当丝状菌占优势则污泥沉降性能恶化发生污泥膨胀菌胶团形成菌与丝状菌的增殖速度随BOD基质浓10 上海交通大学硕士学位论文第二章污水处理及SBR工艺概述度不同而异,在低浓度中丝状菌增殖速度大;反之高浓度的BOD基质有利于菌胶团形成菌的增殖在间歇装置中由于活性污泥微生物周期性地处于高浓度低浓度基质的环境不利于丝状菌生长相反使菌胶团形成菌成为优势菌种因此间歇法具有控制丝状活性污泥膨胀的特性3简化污水处理工艺流程减少占地面积降低工程造价和运转费用目前的城市污水处理在脱碳的同时通常还要求脱氮除磷采用SBR法工艺过程极为简单一个SBR构筑物取代了普通活性污泥法中的厌氧反应池曝气池二沉池和污泥回流系统由于其省去了多个水处理构筑物因此节约了水处理构筑物的占地面积据统计一般可以节约占地面积1/3由于水处理构筑物减少以及构筑物之间的连接管道流体输送设备减少大大节约了工程投资据工程资料统计扣除由于自控设备增加引起的工程投资增加外一般工程总投资可以降低约20%~25%除此以外更重要的是运转费用的降低对于普通活性污泥法包括污泥回流和混合液回流在内的约5倍于原水量的流体必须依靠污水泵输送进行循环而消耗动力而动力消耗是生化法污水处理的重要成本由于SRB法无需污泥回流只需要在一定时间内交替地进行水下搅拌和曝气就可去除有机物同时完成脱氮脱磷过程从而降低了运转费用具有普通活性污泥法难以比拟的优点据资料统计采用SBR法比活性污泥法可降低运转费用30%以上4运转灵活可以根据进水情况和运行阶段设置不同的工艺由于SBR工艺各个工序段组织灵活可以根据运行的不同的阶段设置不通的工艺比如说在调试阶段因为要培养菌种可以采用半连续进水连续曝气的工艺各个工序的运行的时间也可以比较灵活的调整同时也可以调整各个工序运行的时间以适应对水质水量和对处理要求的变化因此SBR法对于情况复杂多变的工业废水处理工程也具有极为广泛的推广前景此外SBR法耐冲击负荷能力也非常强5具有处理高浓度有机废水的特性间歇法的污泥沉降性能好且不需污泥回流设备可使反应池中的MLSS维持较高的浓度通常达8000~20000mg/L是常规法的4~10倍如果间歇法的进水浓度与常规法相比亦提高同样倍数则其有机负荷量F/M之比仍与常规法相等所以间歇法是处理高浓度有机废水的有效方法2.2.3SBR法的净化原理SBR法是活性污泥法的一种它的净化机理同活性污泥系统是一致的活性11 上海交通大学硕士学位论文第二章污水处理及SBR工艺概述污泥系统对于有机污染物的降解是通过几个阶段和一系列作用完成的1絮凝吸附作用在正常发育的活性污泥微生物体内存在着由蛋白质碳水化合物和核酸组成的生物聚合物这些生物聚合物是带有电荷的电介质因此由这种微生物形成的生物絮凝体都具有生物物理化学吸附作用和凝聚沉淀作用与其在污水中呈悬浮状和胶体状的有机污染物接触后能够使后者失稳凝聚并被吸附在活性污泥表面活性污泥所谓的活性即表现在这方面活性污泥具有很大的表面积能够与混合液广泛接触在较短的时间内15~40分钟在吸附的作用下就能够去除污水中大量的呈悬浮和胶体状态的有机污染物使废水的BOD值或COD值大幅度下降小分子有机物能够直接在透膜酶的催化作用下透过细胞壁被摄入细菌体内但大分子有机物则首先被吸附在细胞表面在水解酶的作用下水解成小分子再被摄入体内一部分被吸附的有机物可能通过污泥排放被去除活性污泥吸附作用的大小与一系列因素有关首先是污水的性质特征由于活性污泥对呈悬浮和胶体状态的有机污染物吸附能力比较强因而对含有这类污染物多的废水处理效果比较好此外活性污泥应当经过比较充分的再生曝气使其吸附功能得到恢复和增强一般应使活性污泥微生物进入内源代谢期2好氧消化微生物将有机物摄入体内后以其作为营养加以代谢在好氧条件下代谢按两个途径进行一为合成代谢部分有机物被微生物所利用合成新的细胞物质一为分解代谢部分有机物被分解形成CO2和H2O等稳定物质并产生能量用于合成代谢同时微生物细胞物质液进行自身的氧化分解即内源代谢或内源呼吸当废水中有机物充足合成反应占优势内源代谢明显不足但当有机物浓度大为降低或已耗尽时微生物的内源呼吸作用就成为向微生物提供能量维持其生命活动的主要方式微生物增殖有机物降解微生物内源代谢以及氧的消耗等过程在反应池内是同步进行的3厌氧消化首先在微生物作用下复杂的有机物进行水解和发酵例如多糖先水解为单糖再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸如丙酸丁酸乳酸等蛋白质则先水解为氨基酸在经过脱氮基作用产生脂肪酸和氨接着有一类专门的细菌称为产氢产乙酸菌将丙酸丁酸等脂肪酸和乙醇等转化成乙酸H2和CO2最后由产甲烷细菌利用乙酸和H2CO2产生CH412 上海交通大学硕士学位论文第二章污水处理及SBR工艺概述4生物脱氮在未经处理的新鲜废水中含氮化合物主要是以有机氮如蛋白质尿素胺类化合物硝基化合物以及氨基酸等形式存在此外也含有少量的氨态氮如NH3等第一步在氨化菌的作用下有机氨化合物费解转化为氨态氮以氨基酸为例其反应式为RCHNH2COOH+O2RCOOH+CO2+NH3第二步在硝化菌的作用下氨态氮进一步分解氧化首先在亚硝化菌的作用下氨转化成亚硝酸+-+氮反应式为NH4+3/2O2NO2+H2O+2H-2F接着亚硝酸氮在硝化菌的--作用下进一步转化成硝酸氮反应式为NO2+1/2O2NO3-F第三步是硝酸氮在反硝化菌的作用下被还原为气态氮好氧与厌氧交替运行是脱氮的必要环境条件而SBR法间歇曝气运行本身就是好氧与厌氧交替的过程从而创造了这一条件5生物除磷污水中的磷通常是以磷酸盐聚磷酸盐和有机磷的形式存在的生物除磷就是利用聚磷菌一类的细菌过量的从外部摄取磷并将其以聚合形态贮藏在体内形成高磷污泥排出系统从而达到除磷的效果13 上海交通大学硕士学位论文第三章模糊控制概述第三章模糊控制概述3.1模糊理论的产生和发展我国古代伟大的哲学家和思想家老子曰精确兮模糊所伏模糊兮精确所依模糊数学用数学的方法去描述客观世界中的模糊现象揭示其本质和规律模糊数学在经典数学和充满模糊性的现实世界之间架起一座桥梁1965年美国加州大学的L.A.Zadeh教授在其发表的著名论文FuzzySet中首次提出用隶属函数的概念来定量描述事物模糊性的模糊集合理论从此奠定了模糊数学的基础他在1968年公开发表了模糊算法1973年又发表了预言与模糊逻辑相结合的系统建立方法1974年英国学者E.H.Mamdani首次把模糊集合理论成功的应用在锅炉和蒸汽机的控制之中在自动控制领域中首开模糊控制在实际工程上应用之先河在这之后的在短短的几十年里模糊数学获得了长足的发展在理论和应用上取得了令人惊叹的丰硕成果模糊数学的应用领域已涉及到自动控制图像和文字识别人工智能地质地震医疗诊断气象分析航空航天火车汽车轮船驾驶交通管理决策评价企业管理和社会经济等许多方面模糊理论之所以能在信息时代获得如此迅速的发展使由于它为信息革命提供了一种富有魅力的数学工具和手段具有许多优点1)模糊理论给出了一套表现自然语义的理论和方法使自然语言能够转化成机器能够理解和接受的东西提高了机器的灵活性2)模糊理论给出了模糊逻辑和近似推理的理论和方法用间接的软硬件可以使机器更聪明智能化程度越高已经实现的检点模糊控制产品和工业模糊控制系统等都证实了这一点3)模糊理论比一般数学理论应用面更广除自然科学和工程技术领域外它将为社会经济哲学心理教育管理等人文学科提供数学描述的语言和工具将有力的促进软科学的科学化定理化的研究3.2模糊理论在控制上的应用虽然现代控制理论影在工业生产过程军事科学以及航天航空等许多方面都取得了成功的应用例如极小值原理可以用来解决某些最优控制问题利用卡尔14 上海交通大学硕士学位论文第三章模糊控制概述曼滤波器可以对具有有色噪声的系统进行状态估计预测控制理论可以对大滞后过程进行有效的控制但是它们都有一个基本的要求需要建立被控对象的精确数学模型随着科学技术的飞速发展各个领域对自动控制系统的控制精度响应速度系统稳定性与适应能力的要求越来越高所研究的系统也日益复杂多变然而由于一系列原因诸如被控对象的非线性时变性多参数之间的强烈耦合较大的随机干扰过程机理错综复杂各种不确定性和现场测量手段的不完善等难以建立被控对象的精确数学模型虽然常规自适应控制技术可以解决一些问题但范围是有限的对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象采用传统的控制方法包括基于现代控制理论的控制方法往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别和判决看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确的目的操作人员是通过不断学习积累操作经验来实现对被控对象进行控制的这些经验包括对被控对象特征的了解在各种情况下相应的控制策略以及性能指标判据这些信息通常是以自然语言的形式表达的其特点是定性的描述所以具有模糊性由于这种特性使人们无法用现有的定量控制理论对这些信息进行处理于是探索出新的理论和方法因此在控制领域中的应用是模糊数学非常活跃而又硕果累累的一个领域以模糊集理论为基础发展起来的模糊控制已经为将人的控制经验及推理过程纳入自动控制策略之中提供了一种简捷的途径90年代初模糊家电风靡日本给日本企业带来了巨大的商业利润同时也推动了欧美和其他国家进一步促进了模糊技术的发展除了经典模糊控制已在许多方面取得了一大批有实际意义的成果外人们目前也相当重视经典模糊控制系统稳态性能的改善模糊集成控制模糊自适应控制专家模糊控制神经模糊控制与多变量模糊控制理论和设计方法的研究3.3模糊控制基本原理3.3.1模糊控制基本思想模糊控制是一种以模糊集合论模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法其基础是模糊数学实现手段是计算机在控制工程中有一些复杂的被控对象或过程的特性难以用一般物理及化学的已有规律来描述而且无适当的测试手段或测试仪器无法进入被测区15 上海交通大学硕士学位论文第三章模糊控制概述曼滤波器可以对具有有色噪声的系统进行状态估计预测控制理论可以对大滞后过程进行有效的控制但是它们都有一个基本的要求需要建立被控对象的精确数学模型随着科学技术的飞速发展各个领域对自动控制系统的控制精度响应速度系统稳定性与适应能力的要求越来越高所研究的系统也日益复杂多变然而由于一系列原因诸如被控对象的非线性时变性多参数之间的强烈耦合较大的随机干扰过程机理错综复杂各种不确定性和现场测量手段的不完善等难以建立被控对象的精确数学模型虽然常规自适应控制技术可以解决一些问题但范围是有限的对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象采用传统的控制方法包括基于现代控制理论的控制方法往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别和判决看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确的目的操作人员是通过不断学习积累操作经验来实现对被控对象进行控制的这些经验包括对被控对象特征的了解在各种情况下相应的控制策略以及性能指标判据这些信息通常是以自然语言的形式表达的其特点是定性的描述所以具有模糊性由于这种特性使人们无法用现有的定量控制理论对这些信息进行处理于是探索出新的理论和方法因此在控制领域中的应用是模糊数学非常活跃而又硕果累累的一个领域以模糊集理论为基础发展起来的模糊控制已经为将人的控制经验及推理过程纳入自动控制策略之中提供了一种简捷的途径90年代初模糊家电风靡日本给日本企业带来了巨大的商业利润同时也推动了欧美和其他国家进一步促进了模糊技术的发展除了经典模糊控制已在许多方面取得了一大批有实际意义的成果外人们目前也相当重视经典模糊控制系统稳态性能的改善模糊集成控制模糊自适应控制专家模糊控制神经模糊控制与多变量模糊控制理论和设计方法的研究3.3模糊控制基本原理3.3.1模糊控制基本思想模糊控制是一种以模糊集合论模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法其基础是模糊数学实现手段是计算机在控制工程中有一些复杂的被控对象或过程的特性难以用一般物理及化学的已有规律来描述而且无适当的测试手段或测试仪器无法进入被测区15 上海交通大学硕士学位论文第三章模糊控制概述曼滤波器可以对具有有色噪声的系统进行状态估计预测控制理论可以对大滞后过程进行有效的控制但是它们都有一个基本的要求需要建立被控对象的精确数学模型随着科学技术的飞速发展各个领域对自动控制系统的控制精度响应速度系统稳定性与适应能力的要求越来越高所研究的系统也日益复杂多变然而由于一系列原因诸如被控对象的非线性时变性多参数之间的强烈耦合较大的随机干扰过程机理错综复杂各种不确定性和现场测量手段的不完善等难以建立被控对象的精确数学模型虽然常规自适应控制技术可以解决一些问题但范围是有限的对于那些难以建立数学模型的复杂被控对象采用传统的控制方法包括基于现代控制理论的控制方法往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好因为人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别和判决看起来似乎不确切的模糊手段常常可以达到精确的目的操作人员是通过不断学习积累操作经验来实现对被控对象进行控制的这些经验包括对被控对象特征的了解在各种情况下相应的控制策略以及性能指标判据这些信息通常是以自然语言的形式表达的其特点是定性的描述所以具有模糊性由于这种特性使人们无法用现有的定量控制理论对这些信息进行处理于是探索出新的理论和方法因此在控制领域中的应用是模糊数学非常活跃而又硕果累累的一个领域以模糊集理论为基础发展起来的模糊控制已经为将人的控制经验及推理过程纳入自动控制策略之中提供了一种简捷的途径90年代初模糊家电风靡日本给日本企业带来了巨大的商业利润同时也推动了欧美和其他国家进一步促进了模糊技术的发展除了经典模糊控制已在许多方面取得了一大批有实际意义的成果外人们目前也相当重视经典模糊控制系统稳态性能的改善模糊集成控制模糊自适应控制专家模糊控制神经模糊控制与多变量模糊控制理论和设计方法的研究3.3模糊控制基本原理3.3.1模糊控制基本思想模糊控制是一种以模糊集合论模糊语言变量以及模糊逻辑推理为数学基础的新型计算机控制方法其基础是模糊数学实现手段是计算机在控制工程中有一些复杂的被控对象或过程的特性难以用一般物理及化学的已有规律来描述而且无适当的测试手段或测试仪器无法进入被测区15 上海交通大学硕士学位论文第三章模糊控制概述以至不可能为其建立数学模型对于这类不具有任何数学模型的被控对象或过程应用传统的控制理论包括现代控制理论很难取得满意的控制效果然而这类被控对象或过程在人的手动操作下却往往能正常运行并达到一定预期的效果人的手动控制策略是通过操作者的学习试验以及长期经验积累而形成的人用眼睛来观察被控对象经过大脑的一系列推算从而做出正确的决策最后用手来调节达到预期的目标在这个检测判断调整的过程中人的控制过程是用语言来描述的这些语言控制规则表现为一系列的条件语句在描述规则的条件语句中所用的词语如很少较多大小等概念均具有一定的模糊性没有明确的外延模糊控制的方法则是模仿人的思维方式和人的检测经验用电脑来代替人脑实施有效的控制传统的控制理论依赖于被控系统的物理模型而模糊控制则是依赖于被控系统的物理特性而这些物理特性的提取要靠人的直觉和经验然后在人脑中用自然语言抽象成一系列的概念和规则也就是说模糊控制基本上是建立在人的直觉和经验的基础上的操作人员对被控系统的了解不是通过精确的数学表达方式而是通过操作人员丰富的实践经验和直观感觉但是自然语言的重要特点就是具有模糊性人可以根据不精确的信念来进行推理而得到有意义的结果那么如何用机器来模仿这以过程呢利用模糊理论这一解决复杂系统控制决策的技巧和方法把人的经验形式化并引入控制过程在运用比较严密的数学处理过程实现模糊推理进行判断决策以达到令人满意的控制效果为实现模糊控制语言变量的概念可作为手动控制策略的基础并在此基础上发展了一种新型控制器模糊控制器在模糊控制中模糊控制器的作用在于通过电子计算机根据由精确量转化来的模糊输入信息按照总结领域专家的知识和熟练技术人员手动控制策略取得的语言控制规则进行模糊推理给出模糊判决并再将其转化成精确量作为反馈送到被控对象或过程的控制作用这反映人们在对被控过程进行控制中不断将观察到的过程输出精确量转化成模糊量经过人脑的思维和逻辑推理取得模糊判决后再将判决的模糊量转化成精确量去实现手动控制的整个过程可见模糊控制器体现了模糊集合理论语言变量及模糊推理在不具有数学模型的而控制策略只有以语言形式定性描述的复杂被控过程中的有效应用应着重指出的是所谓模糊控制只是在所用的控制方法上应用了模糊数学理论但它所进行的仍然是确定性的工作它不仅能成功的实现控制而且能模仿人的思维方法对一些无法构造数学模型的被控过程进行有效的控制16 上海交通大学硕士学位论文第三章模糊控制概述3.3.2模糊控制系统的基本组成模糊控制系统是一种新型的计算机数字控制系统因此模糊控制系统具有数字控制系统的一般结构形式其系统组成如图3-1R+CA/D模糊控制器D/A广义对象传感器图3-1模糊控制系统结构图Fig.3-1theStructureofFuzzyControl由图3-1可知模糊控制系统由以下四部分组成1)模糊控制器部分模糊控制器是控制系统的核心从硬件上它可以选择用工业控制计算机单片机或PLC其主要完成输入量的模糊化模糊关系的运算模糊决策结果的反模糊化处理等过程一个模糊控制系统的性能指标主要取决于模糊控制器2)输入输出部分输入输出部分主要包括前向通道中的A/D转换部分以及后向通道中的D/A转换部分3)广义对象部分广义对象包括执行机构和被控制对象常见的执行机构包括电磁阀伺服电机等被控对象可以是线性的也可以是非线性的可以是定常的也可以时变的4)传感器部分传感器也就是检测装置负责把被控对象的输出信号往往是非电量如温度湿度压力液位等转换成对应的电信号3.3.3模糊控制器要实现语言控制的模糊逻辑控制器须解决精确量的模糊化模糊规则形成和推理及模糊输出量的模糊判决三个基本问题一精确量的模糊化把精确的输入量转化成模糊集合的隶属函数称为精确量的模糊化由于模糊控制器的控制规则使根据操作者的手动控制经验总结出来的而操作者一般只能观察到被控过程的输出变量及其变化率故在模糊控制其中通常将17 上海交通大学硕士学位论文第三章模糊控制概述误差及其变化作为输入语言变量而将被控过程的输入变量控制量的变化作为输出语言变量目前为止模糊控制器的输入变量多取以系统误差及其变化率这种结构反映模糊控制器具有非线性PD控制规律从而有利于保证系统的稳定性并可减少响应过程的超调量以及削弱其振荡现象模糊控制器的输入变量偏差偏差变化率的实际范围及输出变量的实际变化范围称为这些变量的基本论域若偏差E的基本论域为[-e+e]其中e为表征误差大小精确量偏差所取的量化论域为X={-n,-n+1,LL,n-1,n}其中n是0~e范围内连续变化的偏差离散化分成的级数一般n常取6或7而且一般在实际控制系统中误差不是论域X中的元素因此需要通过量化因子进行论域变换Dn量化因子K的定义为K=eee当K选定后系统的任何偏差e都可以量化为论域X上的一个元素e下面是量化公式ì1t£Ke£t+(t>>>>>以此类推共有56条控制规则选取上述控制量变化的原则是当误差大或较大时选择控制量以尽快消除误差为主而当误差较小时选择控制量要注意防止超调以系统的稳定性为主要出发点例如当DO偏差及偏差均为负大时就是SBR反应器DO浓度很低而且有进一步降低的趋势如果不加以调整势必很造成反应时间过长或引起污泥膨胀为尽快提高DO浓度消除偏差必须增大曝气量所以DU取正大当偏差为负小偏差变化为正小时系统本身具有消除误差的能力可以不调整曝气量表5-4反应过程模糊控制器模糊规则40 上海交通大学硕士学位论文第五章模糊控制模型CEUPBPMPSZNSNMNBEPBNBNBNBNBNMNSZPMNBNBNBNMNSZPSPSNBNMNMNSZPSPMPZNMNMNSZPSPSPMNZNMNSNSZPSPMPMNSNMNSZPSPMPMPBNMNSZPSPMPBPBPBNBZPSPMPBPBPBPB5.3.4解模糊在模糊控制规则的指导下经过模糊决策后得到模糊控制变量U为了对被控对象施加精确的控制还需将模糊控制变量U转化为可执行的精确量即曝气量变化量的准确量这就是解模糊的过程这些模糊条件语句彼此间通过或关系连接起来描述模糊控制器中的控制规则其中每一条模糊条件语句当输入输出语言变量在各自论域上反映各个语言值的模糊子集为已知时都可以表达为论域积集上的模糊关系上述模糊控制规则所确定的每一条模糊条件语句都可以计算出相应的模糊控制量U例如由第一条语句所确定的模糊关系为[]TR=PB´PB´NB1EECU若此时所得偏差模糊子集为e偏差变化的模糊子集为ce则此时的得到的模糊控制量u为1T1u=[e´ce]´R1141 上海交通大学硕士学位论文第五章模糊控制模型同理可由其余模糊条件语句计算出相应的模糊控制量uu等等由于各条23件语句间是或的关系则控制量的模糊集合u表示为u=u+u+LL+u1256由上式所计算出来的控制量是一个模糊子集本文用加权平均法作为非模糊的处理方法计算公式为56um(u)åiuii=1u=56åm(u)uii=15.3.5模糊查询表在以上计算的基础上便可见建立表所示的查询表这是SBR污水处理曝气反应DO值模糊控制算法总表在实际的控制过程中只要在每一个控制周期将采集到的偏差和计算所得的偏差变化分别乘上各自的量化因子取得以相应论域元素表征的查找查询表所需的E和CE值通过查找查询表相应的行和列立即可以得到输出所需的控制量的变化U然后再乘以比例因子便是加到被控过程的实际控制量变化值表5-5反应过程模糊控制器查42 上海交通大学硕士学位论文第五章模糊控制模型CEU+6+5+4+3+2+10-1-2-3-4-5-6E+6-5-5-5-5-5-5-4-4-3-3-2-10+5-5-5-5-5-5-4-4-3-3-2-101+4-5-5-5-5-4-4-3-3-2-1012+3-5-4-4-4-4-3-3-2-10123+2-5-4-4-3-3-3-2-101233+1-4-4-4-3-3-2-1011234+0-4-3-3-3-2-10123334-1-4-3-2-1-101233444-2-3-3-2-1012333445-3-3-2-10123344445-4-2-101233445555-5-1012334455555-601233445555555.3.6模糊控制器的仿真在MATLAB中的仿真结果图5-6隶属度函数图Fig.5-6theMFsofvariables43 上海交通大学硕士学位论文第五章模糊控制模型图5-7控制曲面图Fig.5-7theControlSurface44 上海交通大学硕士学位论文第五章模糊控制模型图5-8Matlab中的仿真模型Fig.5-8thesimulationmodelinMatlab图5-9阶跃响应曲线Fig.5-9theCurveofRespondingStep5.4以DO作为反应时间的模糊控制模型在经过反应初期10分钟后在后续反应过程中利用上述的模糊控制方法对曝气量进行调整同时根据上面试验的结果可以得知当有机物达到难降解程度时DO迅速大幅度升高在10分钟内便可升到3.5mg/L反应结束时45 上海交通大学硕士学位论文第五章模糊控制模型可上升到6mg/L左右这一特点可以用模糊语言描述用来作为对曝气阶段反应时间的控制5.4.1模糊控制器的变量1输入变量同上一样设置DO的测量值和设定值之间偏差的E和偏差变的化CE作为模糊控制的两个输入变量2输出变量输出的则是控制曝气开关U但是对U而言只有两种选择一种是维持原来的曝气量不变继续等待另一种是立即停止曝气5.4.2精确量的模糊化由于偏差E及偏差的变化CE均为正可以简化对偏差E偏差变化CE及控制量U的模糊集和论域的定义1偏差E的模糊化首先选取偏差E的量化论域为Xe={123456}然后为语言变量e选取语言值PBPM和PS设置其在论域X的模糊变量均为正态分布型模e糊变量其正态函数为(x-a)2-()2b2mx=e设置当语言变量值为PB时a=6b=1设置当语言变量值为PM时a=4b=1设置当语言变量值为PS时a=2b=1语言变量E的赋值表表5-6变量E的赋值表Em(x)+6+5+4+3+2+10语言值PB10.60.10000PM0.10.610.60.100PS000.10.610.60.146 上海交通大学硕士学位论文第五章模糊控制模型2偏差变化CE的模糊化首先选取偏差CE的量化论域为Xce={123456}然后为语言变量ce选取语言值PBPM和PS设置其在论域X的模糊变量均为正态分布型模ce糊变量其正态函数为x-a2()-()2b2mx=e设置当语言变量值为PB时a=6b=1设置当语言变量值为PM时a=4b=1设置当语言变量值为PS时a=2b=1Um(x)10语言值YES10NO01表5-7变量CE的赋值表3控制变量U对U而言只有两种选择一种是维持原来的曝气量不变继续等待另一种是立即停止曝气所以设置当U的量化论域为{01}0对应于基本论域中的不变和1对应于基本论域中的停止然后为语言变量U选取语言值NO和YES语言变量U的赋值表CEm(x)+6+5+4+3+2+10语言值PB10.60.10000PM0.10.610.60.100PS000.10.610.60.1表5-8变量U的赋值表47 上海交通大学硕士学位论文第五章模糊控制模型5.4.3模糊控制规则当DO的误差为PS和PM时无论DO的变化速率如何均维持原有曝气量避免因曝气时间不够而使出水达不到指标只有当E达到正大而且CE达到正中或正大时才认为有机物不再被降解应该停止曝气CEU+6+5+4+3+2+10E+61111000+51111000+40000000+30000000+20000000+1000000000000000表5-9反应时间模糊控制器的模糊规则表5.4.4模糊查询表CEUPBPMPSEPBYESYESNOPMNONONOPSNONONO表5-10反应时间模糊控制器的查询表48 上海交通大学硕士学位论文第五章模糊控制模型5.5曝气反应的整体模糊控制将上述的两个模糊控制结合起来便可以以DO作为控制参数实现对SBR法曝气过程和反应时间的模糊控制图5-10曝气反应的模糊控制整体流程图Fig.5-10theWholeStructureofFuzzycontrolofAeration模糊过程控制Re判断uy被控环节过程d/dte&模糊时间控制5.6基本模糊控制模型的改进5.6.1模糊控制器的参数的优化在以上基本模糊控制器中的DO值的设定值是离线设定的所以是固定值如果进水COD变化比较大的时候那么当前的DO的设定值未必是最优的根据上面试验得到的结论可以知道进水COD和反应十分钟左右的DO值有密切的联系我们可以根据这个关系可以根据反应十分钟后的DO值来预测进水COD值并且由此确定最优的DO设定值同时基本模糊控制器中量化因子比例因子都是离线设定的但是量化因子kk和比例因子k对系统的影响很大因为比例因子k和k分别相当于模eceuece糊控制的比例作用和微分作用的系数其中如果k越大系统调节惰性越小上e升速率越快但是过大系统的超调量大调节时间长严重的还会产生振荡乃至系统不稳定过小系统的调节惰性变大影响系统的稳态精度如果k越ce大则对系统状态变化的抑制能力增大增加系统的稳定性但是过大会使系统的过渡过程时间变长过小则会使系统的输出产生过大的超调和振荡比例49 上海交通大学硕士学位论文第五章模糊控制模型因子k则相当于总的放大倍数如果过大会产生过大超调乃至振荡和发散过小u则会影响系统的快速性同时使稳态精度变差如果量化因子和比例因子仅用一组恒定不变的值则对于类似污水处理那样相应过程长的系统很难保证被控过程的全过程都处于最佳的控制状态往往会降低模糊控制系统的鲁棒性因此可以根据控制性能的预测来调整量化因子和比例因子这个控制性能预测模块不仅由E和CE来计算同时也要考虑温度对污水反应的影响图5-11参数进行优化的模糊控制的系统结构图Fig.5-11theSystemStructureofFuzzycontrolwithoptimizedparameter温度性能预测DOS参数调整设定RekFuzzyuye曝气控制kue&量d/dt器kceDO传感器5.6.2神经网络优化上述模糊控制器的模糊控制算法是离线时设定的如果由于进水水质的波动和SBR反应过程某些未知的影响因素造成规则某些情况下并不能很好的控制的SBR的反应过程达到我们预期的反应效果因为这些规则毕竟是根据历史数据和经验来制定的不可能考虑到所有的情况况且SBR反应有很强的个案性不同地区甚至同一地区不同时间的反应有很大的不同但是要改变模糊控制必须要离线修改每次修改的计算量都比较大比较麻烦而且对变化的响应也比较慢如何给模糊控制规则加上自学习功能呢智能控制的另一个主要分支神经网络的一个重要特点就是具有学习能力如果利用神经网络的学习功能在被控对象发生变化或外界条件发生改变引起的控制系统性能变坏时即SBR反应过程的特性变化或者进水COD波动很大引起模50 上海交通大学硕士学位论文第五章模糊控制模型糊控制器性能变差时可以利用某种性能评价准则和学习机制使神经网络控制器进行在线学习调整连接权重改变控制性能以适应被控对象被控对象特性或外界环境的变化使系统保持良好的控制效果基于这种思想设置了如下的自适应神经网络模糊控制器的结构如图5-12这种方案中基本的模糊控制算法是由一个全网络化的神经网络来实现的神经网络同时训练形成输入ece和输出u之间的映射神经网络模糊控制器上面的部分实现自适应功能由性能测量控制量校正BP算法三部分组成从性能测量和控制量校正这两个环节可以得到控制量的校正量然后采用BP算法进行一定次数的反复学习就能修正网络的权值而得到希望的效果图5-12神经网络模糊控制器系统结构图Fig.5-12theSystemStructureofNeuro-Fuzzycontrol性能测量控制量校正BP算法Reke神经模糊曝气控制器kue&量d/dtkceDO传感器51 上海交通大学硕士学位论文第六章海宁污水处理工程应用第六章海宁污水处理工程应用6.1海宁污水处理工程工艺的特点和流程6.1.1海宁污水处理工程工艺的特点海宁市污水处理工程采用的是SBR-CAST工艺该工艺和其他SBR工艺相比其重要特点是主反应池分成厌氧池和好氧池两部分也就是在好氧曝气前增加了厌氧生化处理环节同时好氧池则由单一好氧曝气反应转化为缺氧好氧相结合的形式在厌氧段不曝气只是进行搅拌主要作用是使污水中的有机大分子水解酸化有利于后继工艺的处理好氧段则安装了微孔曝气设备但是既可以进行曝气好氧反应又可以进行不曝气缺氧反应通过反应时间的调节以及好氧-缺氧-好氧-式的轮作提高降解有机物和脱氮除磷的效果搅拌则在好氧和缺氧阶段需要的时候进行对于单个SBR池来说在不同的阶段进水可以选择一次性连续式均匀投入半连续或间歇投入等在沉淀阶段好氧池中的污泥可以根据需要回流到厌氧池有利于厌氧池菌种的新陈代谢相比其他SBR工艺SBR-CAST工艺的结构要简单很多但是比普通SBR法增加了除磷脱氮的功能图6-1海宁市污水处理厂工艺流程图Fig.6-1theProcessflowchartofHainingSewageWaterTreatmentFactory52 上海交通大学硕士学位论文第六章海宁污水处理工程应用6.1.2海宁污水处理工程工艺流程海宁市污水处理工程主要分为泵站和污水厂两个部分1泵站部分工艺由设在市区的环南一路泵站海昌路泵站等四个收集泵站收集市区内各个部分的生活污水和工业污水然后将收集到的污水经过格栅初步过滤后送到海洲路输送泵站最后由海洲路泵站将收集到的污水经管道输送到污水处理厂2污水厂部分工艺从海洲路输送来的污水首先送到污水厂的进水泵房在进水泵房经粗细两道格栅去除漂浮的杂物后流入集水池集水池内污水经潜污泵提升至旋流式沉砂池比重比较大的无机颗粒在沉砂池内沉淀下来沉淀的泥沙经吸沙泵进行沙水分离产生的泥沙同格栅间产生栅渣一起外运填埋处理由吸沙泵分离出来的污水重新回流到集水池处理沉砂池上清液自流进入SBR反应池污水在SBR池内首先进行厌氧酸化处理使难降解的大分子有机物酸化水解为可生化性强的小分子有机物提高好氧阶段的有机物的去处率厌氧酸化过程所需的泥水混合由设于池底的潜水搅拌机完成污水经酸化水解后进入SBR池主反应区进行好氧生化处理主反应区可以设置好氧缺氧过程这样可以增加脱氮除磷的功能好氧过程所需氧气由鼓风机房的鼓风机供给缺氧过程所需的泥水混合由设于池底的潜水搅拌机完成经过处理后的污水根据污水排水口处钱塘江液面高度或直排入江或经由出水泵房提升后排放入江SBR主反应区的污泥可以根据工艺需要通过污泥回流泵回流到厌氧反应区剩余污泥由污泥排泥泵抽至污泥均质池混合均匀后污泥经NCF与PAC复配混凝调理后送入污泥压滤一体机脱水后泥饼外运填埋带式压滤机滤出液与反冲水自流入集水池进行二次处理其具体工艺流程见图6-1图6-2SBR反应池结构图Fig.6-2theStructureofSBRPool6.2控制系统的软硬件平台53 上海交通大学硕士学位论文第六章海宁污水处理工程应用因为污水处理系统的数据采集和控制量比较多因此必须采用运算速度比较快的PLC污水工程分为一期二期加上今后可能对系统的扩充和改进所以整个系统的必须由比较的可扩充性污水处理必须24小时连续运行所以要求系统又比较高的可靠性选用的软件不仅对要有很好的兼容性稳定性能对污水厂的运行进行监控同时为了降低开发人员和工作人员的工作量所以也要有很好的人机界面同时也要对污水厂日常的工作数据进行记录对紧急情况要及时做出报警基于以上的一些基本的要求本项目组用在国际上享有盛誉的西门子系列工业自动化的产品为主干搭建了控制系统的软硬件平台6.2.1控制系统的硬件平台本控制系统硬件部分的核心是搭建在德国西门子公司的系列PLC产品上的其主要特点是在管理级控制级均应用最先进的冗余技术保证系统的高可靠性同时通过采用现场总线和分布式I/O实现了集中控制集中管理的先进控制思想本系统根据系统的功能主要可以划分成三部分分别是管理级部分控制级部分和现场级部分其中管理级和控制级之间的连接采用PROFIBUS-FMS现场总线控制级和现场级之间的连接采用PROFIBUS-DP网其详细的分布可见图1管理级部分管理级是系统的核心部分完成对污水处理过程各部分的管理和控制并实现厂级的办公自动化管理级还提供系统人机界面并与厂管理层沟通是整个系统与外部信息交换的界面管理级的各台计算机具有相互通讯的功能实现数据交换或共享以及共享一些昂贵的硬件或软件资源管理级的核心为一台IBM的商用PC和一台IBM的服务器它们作为监控服务器安装有德国西门子公司的WinCC组态软件和冗余选项软件包这两台机器互为冗余在同一时刻只要一台监控主机运行就可以实现现场监控中控室其他的设备还有一台用作数字摄像监视用的计算机和一台反映污水厂总体运行情况的模拟屏所有的计算机可以通过10M/100M的以太局域网相互通信和交换数据污水厂的其它计算机也可以接入这个局域网共享某些资料文档有助于实现整个厂的办公自动化两台监控服务器作为PROFIBUS-FMS现场总线的主站通过CP5613板卡与PROFIBUS-FMS现场总线连接并且通过PROFIBUS-FMS现场总线对PLC1PLC2PLC3进行数据采集和控制监控服务器在PLC1故障时自动切换到与PLC2连接保证报警信息中故障信息完整准确为维修提供准确线索在PLC2故障时自动切换到与PLC1连接三台PLC均采用西门子SIMATICS7-300的系列S7-315-2DP该型PLC具有高速的计算能力每1K二进制语句的执行时间为0.3~0.6ms从而可获得很短的循环时间具有各种特殊功能模块可以满足大范围的种种需求具有完善的指令集和相当优秀的编程组态软件SIMATICSTEP7便于编写出功能复杂而强大的程序可扩充多个槽架I/O容量大数字量最大1024模拟量最大128以及具有多种联网能力和全面的自诊断能力可以诊断电源故障诊断有诊断能54 上海交通大学硕士学位论文第六章海宁污水处理工程应用力的模块如模拟输入模块以及CPU运行错误等优点同时该型PLC具有MPI接口和PROFIBUS-DP通讯接口可以作为PROFIBUS-DP现场总线的主站可以扩充大量的远程智能I/O模块即使二期工程的扩充也可以满足监控服务器1与模拟屏控制盒之间通过串口进行数据通讯控制模拟屏的显示同时监控服务器1与一台打印机连接负责自动打印和手工打印摄像监视主机以Windows98位操作平台应用专业的摄像监控软件可以在中控室内实现对户外的云台的转动和镜头的变焦的操作监控主机电台冗余服务器局域网PLC3PS315CPTIM服务器307-DP343-53VFMSPS315CPPS315CP307-DP343-5307-DP343-5PLC1PLC2冗余DPIMIMDAD153153IIOIMIMDAD153153IIO图6-3控制系统硬件结构图Fig.6-3theStructureoftheHardwareofControlSystem2控制级部分控制级是实现系统功能的关键也是管理级与现场级之间的枢纽层其主要功能是接受管理层设置的参数或命令对污水处理生产过程进行控制将现场状55 上海交通大学硕士学位论文第六章海宁污水处理工程应用态输送到管理层控制级还具有与公司中心控制室进行无线通信的功能无线远程通信处理器保证污水厂工作现场与公司中心控制室之间准确可靠的进行无线通讯使公司管理层可以获得污水处理厂的现场信息控制级的核心为三台PLC每个PLC上安装一块CP343-5型号的PROFIBUS-FMS通信处理模块与PROFIBUS-FMS现场总线连接作为PROFIBUS-FMS现场总线的从站其中PLC1和PLC2为西门子的SIMATICS7315-2DP它们之间通过并行总线通讯互为热备也就是说在同一时刻其中一台为主控PLC另一台为热备份PLC在一台PLC出现故障的时候它们之间通过CPU冗余连接快速交换控制信息来完成系统控制权交替PLC3为西门子的SIMATICS7315它安装了TIM3V无线通讯模块主要负责处理和公司的远程通讯问题PLC1和PLC2对污水厂控制系统的作用相当于大脑它们集中处理了所有的控制算法集中控制算法使得整个污水厂控制系统各个部分之间能够完全协调工作PLC1和PLC2具有PROFIBUS-DP的通讯接口分别作为一条PROFIBUS-DP总线的主站两条PROFIBUS-DP总线互为冗余当其中主控PLC的CPU或PLC电源发生故障或者主控PLC的PROFIBUS-DP总线发生中断热备PLC变成主控PLC原主控PLC恢复正常后又作为热备份PLC当其中热备PLC的CPU或PLC电源发生故障或者热备控PLC的PROFIBUS-DP总线发生中断不发生任何切换但是产生报警PLC3通过PROFIBUS-FMS现场总线对PLC1PLC2同时进行数据采集当PLC1或PLC2故障时PLC3根据PLC1PLC2的状态自动选择正确的数据通过TIM3V模块通过无线电发送给公司TIM3V通过RS232接口和无线电台相连接和无线数传电台交换数据3现场级部分现场级的功能主要是接受控制级的指令对系统的数字量模拟量进行检测对执行机构进行控制它们把检测到的压力流量温度PHDO值等数据上传或者根据控制级指令驱动执行机构如泵鼓风机电动蝶阀等完成控制任务现场级主要采用西门子公司的ET200M远程智能单元和E+H公司系列传感器如液位传感器DO传感器SS传感器PH传感器ORP传感器等通过远程智能单元可以将传统仪表的模拟4~20mA信号和数字信号转化成和现场总线相兼容的通信信号ET200M远程智能单元通过两个IM153-2总线接口模块分别连接在两条PROFIBUS-DP总线上污水厂一期近期配置有6个ET200M远程单元其中两个在SBR池其余四个分别在进水泵房出水泵房鼓风机房和污泥脱水机房每个ET200M单元均由2个IM153-2总线接口模块和其他若干数字量模拟量输入输出模块组成IM153-2总线接口模块通过总线接收主控主站的命令实现数据采集和设备控制其中只有主控PLC的命令生效而热备PLC的命令被忽略数字量模拟量输入输出模块的数量和配置由当地的所需控制和采集的点数所决定每个ET200M最多可以扩展8个I/O模块最大I/O56 上海交通大学硕士学位论文第六章海宁污水处理工程应用地址空间达128字节ET200M与PROFIBUS-DP现场总线之间实现了隔离最大传输速率12Mbit/s可以诊断有诊断能力的模块如模拟输入模块保证I/O模块可靠性和易维护性的主要策略是对远程智能I/O模块采用活动总线式底板ActiveBusModule而不是通常的固定总线连接器BusConnectors所有I/O模块都可热插拔如果I/O模块发生故障一般不必停止控制系统运行维修人员在带电状态下直接用新的I/O模块替换有故障的I/O模块不至于对污水处理过程产生明显的影响其中出水总管处的SS传感器PH传感器和温度传感器因为距离ET200M单元较远直接连接到PLC3的AI模拟量输入模块由PLC3通过PROFIBUS-FMS现场总线传递给PLC1PLC26.2.2控制系统的软件平台海宁市污水处理工程系统中必须要有两个软件平台其中一个是PLC用户程序编程平台另一个是对整个污水处理工程系统进行整合的组态软件平台为了能充分利用硬件资源和保证软硬件的一体性所以组态平台采用西门子公司的SIMATICWinCC5.0组态软件用户程序编程平台采用了STEP71组态平台因为工程包括多个泵站的泵站控制系统和污水处理厂自控系统跨越的地理距离远而且数据管理量大并且有一定工艺优化的要求所以应该选用功能强大开发快速可扩充性好的组态软件所以组态平台采用西门子公司的SIMATICWinCC5.0组态软件WinCC的意思是视窗控制中心WindowsControlCenter是结合SIEMENS在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物它在Windows标准环境下提供各种便利功能可用于自动化领域中所有的操作员控制和自动监控任务确保安全可靠的控制生产过程WinCC有以下一些的特性1)WinCC具有开放的系统内核集成了所有SCADA功能具有图形系统报警信息系统测量标签存档用户档案库报表系统等模块WinCC可将过程或者生产中发生的事件清楚地显示出来它显示当前状态并按顺序记录所记录的数据可以全部显示或选择简要形式显示可连续或按要求编辑也可以采用报表等形式输出WinCC中可以十分方便地采用C脚本语言编辑组态图形对象的动作等等2)WinCC具有丰富的满足各种特殊功能的可选软件包适用于数据和功能的扩展软件包有服务器冗余软件包用户文档通讯开发工具CDK开放开发工具ODK过程控制软件包网页浏览软件包IndustrialX控件设计器网络摄像监控软件包Messenger&Guardian等3)WinCC是基于标准的Windows平台开发的SCADA系统软件充分考虑了与其他系统交换信息的必要性支持如DDEOLEODBCOPC和SQL等标准WinCC可以提供多种方式与上层系统和其他Windows程序进行数据交换可以无缝地结合到任何工厂或公司范围的管理层中4)提供访问所有WinCC功能的API编程接口开放的开发工具ODK允许用户编写可用于扩展WinCC基本功能的标准应用程序57 上海交通大学硕士学位论文第六章海宁污水处理工程应用5)WinCC内部具有标准数据库SYBASESQLANYWHERE用户所有的数据包括文档系统过程数据都包括在统一的数据库里这样数据独立于自动化系统有利于数据的共享WinCC和其他类型的用户程序只要通过ODBC-SQL接口或者WinCC提供的API编程接口就可以访问这个标准数据库有利于节省以后的进一步的开发维护费用6)WinCC是按世界范围内使用的系统进行设计的具有各种PLC的驱动程序不仅可以方便的连接SIEMENS产品和其他制造商产品如GEFanucOmronMitsubishiAEGModicon等也可以通过OPCDDEPROFIBUS和与制造商无关的产品方便的连接所以具有极大的开放性7)WinCC客户机/服务器系统中最多可以支持16台客户机服务器的功能可以分布到最多6个服务器中可以显著增加系统容量改进总体性能多客户机能存取所有服务器的数据能观察项目的全貌通过冗余软件包使WinCC运行在两个同时运行的WinCC站上WinCC冗余系统的存档匹配功能保证了数据的完整性8)WinCC与STEP7SIEMENS公司的PLC组态软件连接十分紧密可以直接使用STEP7符号方便数据维护可以调用STEP7功能块使得对STEP7硬件的诊断变得十分方便2用户PLC程序编程平台STEP7是支持西门子的SIMATICS7系列PLC的编程平台是支持用户开发应用程序的软件包该软件运行在个人计算机Windows环境下界面极为友好提供了LAD梯形图STL语句表和CFC连续功能图等三种形式的编程调试诊断等功能用户可以任意选择一种语言编程如果需要的话也可以混合几种语言编程这些编程语言都是面向用户的并备有丰富的随机帮助信息它使控制程序的编程工作大大简化对用户来说开发输入调试和修改程序都很方便STEP7可支持位字节字双字字符串整数双整数实数日期数组和结构等数据类型STEP7也支持结构化程序设计STEP7将用户程序分成不同的块根据程序要求可选用组织块(OB)功能块(FB)或者功能(FC)等三种类型的逻辑块而数据块(DB或DI)则用来存储用户程序时所需的数据能建立一些通用的指令块以便控制一类相似的或相同的部件而通用指令块提供的参数进一步说明各部件的控制差异这样结构化的程序能反复调用这些通用指令块采用结构化编程的优点在于程序结构层次清晰部分程序通用化标准化易于修改简化程序的设计适合复杂的控制任务并支持多人协同编写大型的用户程序6.3用户软件的开发现状目前通过第一阶段的开发本系统实现了如下的功能1)控制操作在中心控制室能对污水厂全系统被控设备进行在线实时控制如启停某一设备调节某些模拟输出量的大小在线设置PLC的某些参数等所有的控制功能在中文人机界面上以形象的控件显示并根据控制对象重要58 上海交通大学硕士学位论文第六章海宁污水处理工程应用性有不同等级的密码保护所有操作的时间操作人员操作对象均被作为系统事件记录在案各级管理操作权限设置具有良好的安全性图6-4在线参数手动修改界面Fig.6-4theInterfaceofonlineconfiguretheparameters2)显示功能用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况以及各现场的状态参数用模拟仪表趋势图曲线棒图动态显示某参数的实时变化情况使生产管理人员能够一目了然地了解整个系统的生产运行情况3)数据管理依据不同运行参数的变化快慢和重要程度建立生产历史数据库存储生产原始数据供统计分析使用根据硬盘容量的大小和系统点数的多少工作人员可以定期把历史数据库备份到其他存储介质以便于历史回溯4)数据处理利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析得出一些有用的经验参数有利于优化SBR池的准闭环控制并把一些必要的参数和结果显示到实时画面和报表中去5)报警功能当某一模拟量如电流压力水位等测量值超过给定范围或某一开关量如电机启停阀门开关阀发生变位时可根据不同的需要发出不同等级的报警如输入到报警表屏幕显示报警信息打印机输出报警信息声光报警链接寻呼机等并可根据报警信息推出相应的动态画面所有的报警信息均被记录在报警数据库中并可对报警信息进行排序和检索方便以后的事故分析使用6)报表功能自动生成并存储年季月日报表报表可以分页设计真正实现所见即所得59 上海交通大学硕士学位论文第六章海宁污水处理工程应用7)打印功能可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印打印方式可分为定时打印事件触发打印8)通讯功能WinCC是基于标准的Windows平台开发的SCADA系统软件充分考虑了与其他系统交换信息的必要性支持如DDEOLEODBCOPC和SQL等标准可以提供多种方式与上层系统数据交换9)冗余功能两台WinCC服务器互为冗余主服务器失效时所有功能切换到备份服务器当主服务器恢复将所有功能切换到主服务器时并自动恢复数据确保数据一致性图6-5在线监控界面Fig.6-5theInterfaceofonlineMonitor6.4模糊控制模型在工程中应用分析在海宁市污水处理工程的实际工作中在WinCC软件平台上获得的工艺曲线图如图所示该图是一个周期内液位值SS值DO值随时间的曲线观察DO和液位值在进水开始时液位值不断上升而DO值因为进水带来的氧气也不断上升当进水阶段结束后液位值基本保持不变而DO值则因为一开始鼓风机没有立即供气而生化反应已经开始所以略微下降随后的反应曲线则类同于第五章的实验曲线所以也符合第四章的理论分析当随着曝气的停止DO曲线非常快的下降60 上海交通大学硕士学位论文第六章海宁污水处理工程应用根据结合对实际工作中获取的曲线图的分析和第五章的理论分析说明了对SBR曝气反应进行控制是有其必要性和现实性的可以利用第五章建立的模糊控制模型对SBR的好氧曝气反应进行控制图6-6工艺曲线图Fig.6-6theProcessCurve6.5模糊控制模型在软件中的实现模糊控制算法可以在PLC程序中实现也可以在Wincc组态软件中实现但是因为PLC需要控制点数已经很多而且PLC的控制程序也比较复杂为了减轻PLC的CPU的负荷减少PLC程序运行周期提高系统响应的实时性所以不把模糊算法在PLC程序中实现但是计算机的计算能力和PLC的CPU相比要快很多所以考虑在运行载服务器上的Wincc组态软件中实现Wincc提供了很多编辑器来完成其强大的功能其中一个基本的编辑器是全局脚本编辑器全局脚本编辑器是Wincc向用户61 上海交通大学硕士学位论文第六章海宁污水处理工程应用提供的一个扩展系统功能的接口用户可以在这里用C语言编写函数这些函数可以在整个工程中被调用将模糊控制算法嵌入Wincc的工作主要就在这里完成Wincc的全局脚本编辑器可生成两种不同的函数项目函数(ProjectFunction)和动作函数(Actions)这两种函数用于完成不同的功能项目函数和高级语言中的函数功能相似都是用来完成一定的计算显示数据处理等功能项目函数本身并不能执行必须被一个主函数调用以后才能完成预定功能而动作则不一样在Wincc中可以给动作增加触发器一但满足了触发条件动作就能够自动执行在Wincc中通常用项目函数完成数据计算处理等功能然后在动作中调用该项目函数这样在满足触发条件的情况下项目函数便能够执行NO触发控制器全局动作YES从Wincc中读取参数数据模糊化从查询表中计算出输出项目函数输出到Wincc输出图6-7模糊控制程序流程图Fig.6-7theFlowChartofFuzzyControlProgram项目函数的设置假设FUZZY()是预先生成的模糊控制算法的项目函数的名称项目函数中首先定义模糊控制查询表和中间计算变量接着定义从Wincc中获取量化因子比例因子和DO的设定值和测量值然后计算DO偏差值将DO偏差和DO偏差变化值模糊化最后通过查询表得到输出的值根据比例因子计算控制输出最后将输出值传给Wincc62 上海交通大学硕士学位论文第六章海宁污水处理工程应用由于项目函数本身不能被执行必须生成一个全局动作(GlobeActions)来调用项目函数然后在Wincc中添加一个触发器假定控制算法采用周期为T则在全局动作中添加一个触发周期为T的触发信号这样每隔T时间全局动作就调用模糊控制算法一次控制算法就输出一个控制变量完成被控对象的一次控制作用因为本系统中由于滞后时间比较大故设采样周期为2分钟63 上海交通大学硕士学位论文第七章总结和展望第七章总结和展望7.1课题总结本文的研究是在海宁市污水处理工程自动控制系统的开发的基础上完成的因为长期在现场笔者对污水处理工作的开展的困难和复杂有了切身的感受为了更好的支持我国污水处理事业工作的进一步开展保护我国可持续发展资源作为我们科学工作者应该尽量以实际应用为背景要注重研究成果的实用性但是目前这一工作并不乐观绝大部分的污水处理厂的自动控制水平都处在很低的水平这固然和自动控制系统投资比较大有关更和没有符合我国国情的控制产品有关由于在工控仪表行业我国在整体上落后于发达国家在污水处理工作中表现为可编程逻辑控制器没有国外产品稳定编程工具及界面落后没有系统的工业现场总线的产品传感器的精度响应度等比较差在硬件上要追赶国外先进产品在短时间内时不能实现的那么我们现在能做的最重要的事情是既然我们在硬件下作了那么多的投资配置了国外一流的控制设备控制软件传感器那么我们就要充分利用这些条件在这些良好的软硬件平台上完成对整个反应过程控制达到污水处理效果最好反应消耗能量最节约的目的本文所提出的在西门子公司的软硬件平台上设计程序来利用DO值来控制SBR工艺中曝气过程及曝气反应时间就是上述思想的反映这种方法能在一定程度上解决优化SBR反应的控制但是由于受时间和污水厂运行试验的条件的限制这一方法并未在实际工作进行试验成为笔者的遗憾同时由于受笔者的水平和时间的限制未对提出的模糊控制器及其其他的控制方法作进一步的探讨但是在实际工作中尚待解决的问题还有很多从中能挖掘的课题也不少希望课题组的其他的一些成员能再接再厉在现有的基础上进一步的深入研究对于污水处理控制的问题7.2课题展望7.2.1软测量技术的应用在本文中前面提到利用DO控制其实是利用间接反映反应过程的指标进行控制由于是用间接指标进行控制的显然会因此而影响了控制效果但是现在64 上海交通大学硕士学位论文第七章总结和展望又缺少在线检测污水中的有机物的含量的生化仪器解决这个问题的方法之一就是利用现代人工智能技术采用神经网络软测量方法来解决污水处理过程中污水中污染指标的实时检测问题污水所含的污染物质千差万别其主要指标有上文介绍的物理化学生物三大类在实际工作中常采用反应水中需氧有机物含量的生物化学需氧量BOD化学需氧量COD还有植物营养元素N和P这四个指标往往是反映水质好坏的重要指标目前常用用来间接反应污水污染指标的指标有ORP值DO值PH值和MLSS值这些参数也是目前用来间接控制污水反应过程最常用的控制参数但是这些间接指标在动态的污水处理过程中有时候效果不是很好也不能反映处理的整个过程有机物氮磷的去除联合这些能在线检测的指标利用人工神经网络的软测量技术来实现对污水污染物质直接指标的软测量估计进水水质决定反应曝气量的大小厌氧和好氧反应时间等从而控制出水水质实现对污水处理过程的实时控制从而下图便是这样的一个神经网络模型构想DOBODORPCODPHNSSP图7-1污水水质指标软测量神经网络模型Fig.7-1theNeuro-NetModelofSoft-Measureoftheparametersofsewagewater这是一个三层前馈型BP网络输入层为ORPDOPHSS三个神经元65 上海交通大学硕士学位论文第七章总结和展望输出层为BODCODNP四个神经元然后根据神经网络的要求对实际污水处理运行的过程分析数据进行处理得到反映污水处理质量指标复杂关系的实验数据作为BP神经网络的训练数据7.2.2预测技术的应用现在国内市场上有在线检测COD的传感器在这次工程中未能应用的原因之一是COD传感器的时滞较大其中较好的如WTW公司的COD传感器的时滞为4个小时原因之二则是其价格较贵国产的COD传感器也要二三十万元RMB对于那些有条件配置COD在线检测传感器的单位除了将COD传感器用于对出水水质的监控之外能否更好的利用这么昂贵的仪器能否利用进水COD值的历史数据来预测本次进水COD值呢首先想到的方法就是参数估计如果假设污水排放有这样的规律某些排污单位的排放时间是固定的那么每天的COD值的变化是有规律的而且不同天的固定时刻的水质应该像类似那么以WTW公司的COD传感器为例每天能测六次数据那么建立如下所示的六个差分方程ìXn-Xn-1=f(x)ï()Y-Y=fyïnn-1ïïZn-Zn-1=f(z)íU-U=f(u)ïnn-1ïV-V=f(v)nn-1ïïîWn-Wn-1=f(w)其中n表示天数X表示第i天第一次测得的COD数据Y表示第i天第二ii次测得的COD数据Z表示第i天第三次测得的COD数据U表示第i天第四ii次测得的COD数据U表示第i天第五次测得的COD数据W表示第i天第六ii次测得的COD数据然后利用历史数据对这些差分方程进行参数估计然后利用这些差分方程进行COD值的预测但是这样的估计方法是有前提的如果这样的前提不存在而且进水COD随水质波动很大没有明显规律那怎么处理呢显然这是一个非线性的问题而且如果将COD值在时间轴上展开这是一个时间序列解决非线性问题的重要工具之一就是混沌理论混沌的一个重要特征就是初始条件的微小差异可能66 上海交通大学硕士学位论文第七章总结和展望对以后的时间演化产生巨大的影响所以混沌将来某一时刻之外的动力学特性是不能进行长期预测的但是由于时间序列数据重构吸引子并以吸引子为基础进行短期预测可以将混沌预测用于对进水COD值进行预测但是COD传感器能在4个小时之后能获得正确的COD值这样的话就可以根据实际值和预测值之间的偏差对预测方法进行修正以达到更好的预测效果因此这种预测方法如果带有自学习的功能就更好了神经网络能自学习的可以进行非线性逼近所以也可以神经网络进行预测67 上海交通大学硕士学位论文SBR污水处理工艺的模糊控制参考文献[1]西门子中国A&D自动化系统部SIMATICWincc系统描述北京西门子中国2000.51-1~1-29[2]章卫国杨向忠模糊控制理论与应用西安西北工业大学出版社1999.1[3]楼顺天胡昌华张伟基于MATLAB的系统分析与设计模糊系统西安西安电子科技大学出版社2001.5[4]李士勇模糊控制神经控制和值能控制论哈尔滨哈尔滨工业大学出版社1996.10[5]李士勇模糊控制和智能控制理论与应用哈尔滨哈尔滨工业大学出版社1990.12[6]黄文梅杨勇熊桂林系统分析与仿真MATLAB语言及应用长沙国防科技大学出版社1999.8[7]曾科卜秋平路少鸣污水处理厂设计与运行北京化学工业出版社2001.8[8]北京松博环境工程技术有限公司浙江海宁污水处理厂培训教材北京北京环境工程研究院2001.10[9]李友善李军模糊控制理论及其在过程控制中的应用北京国防工业出版社1993.6[10]欧阳黎明MATLAB控制系统设计北京国防工业出版社2001.1[11]羊寿生国内排水动态给水排水杂志网站2001.12[12]石红瑞刘玺刘勇等二次开发WinCC嵌入模糊控制算法石油化工自动化2002139-41[13]高大文彭永臻王淑莹等污水处理智能控制的研究应用和发展中国给水排水200218635-39[14]商敏儿杜树新吴铁军活性污泥法污水处理过程自动控制的研究现状环境污染治理技术与设备20023183-87[15]王福珍王淑莹刘晓阳等SBR法供气量的最优控制和曝气与沉滨时间的最优分配哈尔滨建筑工程学报199427478-83[16]彭永臻高景峰隋铭皓活性污泥法动力学模型的研究与发展给水排水200026815-20[17]任敏王万良李探微等基于神经网络的污水处理软测量系统的研究自动化仪表200122108-968 上海交通大学硕士学位论文SBR污水处理工艺的模糊控制[18]彭永臻曾微李探微等污水处理系统的在线模糊控制哈尔滨建筑大学学报199932457-60[19]彭永臻邵剑英周利等利用ORP作为SBR法反应时间的计算机控制参数中国给水排水19971366-10[20]姜成国冉树成郑雪梅等模糊控制在水处理系统中的应用探讨工业水处理2000201028-30[21]王淑莹彭永臻周利等用溶解氧浓度作为SBR法过程和反应时间控制参数中国环境科学199818516-20[22]丁峰彭永臻徐学清等pH值对SBR法处理工业废水的影响给水排水200127254-59[23]王淑莹论间歇式活性污泥法的自动控制哈尔滨建筑工程学报1995281133-135[24]曾微王淑莹高景峰等SBR法处理啤酒废水COD与DO的相关关系给水排水200026528-30[25]李探微王亚宜彭永臻等SBR中DO的变化及其作为污水处理控制参数的研究浙江工业大学学报200129295-100[26]王淑莹彭永臻等SBR法计算机自动控制系统的研究给水排水200026376-78[27]罗振军基于软件通信式数据同步的冗余现场总线控制系统的原理与实施[硕士学位论文]上海交通大学包兆龙图书馆上海交通大学2002[28]高俊发SBR法工艺分析西北建筑工程学院学报1994244-49[29]梁云霄朱淑琴尹萍SBR法硝化和反硝化动力学分析齐齐哈尔轻工学院学报199410446-53[30]马维明多变量复杂系统的模糊控制自动化与仪表199813332-34[31]陈明义成晓明陈润泰多变量模糊控制器及其应用中南工业大学学报1995264550-554[32]彭小奇梅炽周孑民等多变量系统的模糊神经网络控制模型及其应用控制理论于应用1995123351-357[33]白丽杨永臻分层型多变量自适应模糊控制算法的研究重庆大学学报自然科学版199518227-32[34]朱武崔村燕陈长琦等污水处理厂自动控制系统综述环境工程200220327-31[35]魏新民水资源问题的现状及对策安庆师范学院学报自然科学版69 上海交通大学硕士学位论文SBR污水处理工艺的模糊控制20006496-98[36]刘光鼎水资源与城市供水地球物理学进展20001541-2[37]丁峰彭永臻王淑莹SBR法处理工业废水中pH值引起的活性污泥上浮哈尔滨建筑大学学报200134154-58[38]D.HeggT.CohenQ.Songetc.IntelligentControlofSequencingBatchReactors(SBRs)forBiologicalNitrogenRemoval2000.5[39]Al-GhusainI.AHuangJHaoO.Jetc.UsingpHasareal-timecontrolparameterforwastewatertreatmentandsludgedigestionprocessWaterScienceandTechnology30(4)1994159-168[40]PaulEPlisson-SauneSCantetJetc.Realtimecontrolofaerobic-anoxicactivatedsludgesystemsusingORPandOxygenSimulationandValidationProceedingsoftheEuropeanconferenceonNewadvancesinbiologicalnitrogenandphosphorusremovalformunicipalorindustrialwastewatersINRArbonne(F)1998.10[41]陆杰模糊控制在污水处理系统中的应用盐湖研究20008229-32[42]王俊清边玉山蔡明等自控技术在污水处理系统中的应用环境保护科学200026219-20[43]赵恩海朱文亭我国污水处理发展趋势城市环境与城市生态200013439-4170 上海交通大学硕士学位论文SBR污水处理工艺的模糊控制致谢这个项目并不顺利一路走来坎坎坷坷现在我们面前终于露出了成功的曙光为了这个项目很多人都付出了很多我只是尽了自己微不足道的绵薄之力在这里首先要感谢我的导师冯正进教授他自己不顾年事已高和我们这帮年轻人奋战在第一线正是他这种精神不断的激励着我们的前进走向成功同时冯老师踏实严谨的治学作风诲人不倦的高尚品德和不断创新的意识将让我受益终身也正是在他的指导和亲切关怀下本文才得以完成冯老师不仅是我学业上的引路人更是教会了我怎样做人做一个对国家对社会有贡献的科技工作者在此我谨向冯老师表示由衷的感激和诚挚的谢意感谢课题小组不同时期的成员不管是早期的罗振军硕士崔光亮博士马隽学士现在的谢昆博士王永红博士还是共事过一段时间的李剑硕士张乐飞硕士李信江硕士我想说的是有缘才能走到一起我将永远不会忘记那些与你们共度的日子那些在烈日下在寒风中相互鼓励相互支持的岁月在实际工作中也要感谢刘利老师对我的细心点拨和指导还有范同玮老师和宋师傅给我的支持和帮助同时也要感谢海宁市污水处理工程指挥部和污水处理厂的干部职工他们在工作和生活上给与的配合和帮助对于完成这个项目也是非常有帮助的最后我要在这里感谢我的亲人和爱人感谢他们在精神和物质上给我的关心和支持正是他们的无私的爱是我不断前进的动力的源泉李骏二零零二年一月71 上海交通大学硕士学位论文SBR污水处理工艺的模糊控制攻读学位期间发表的学术论文[1]李骏冯正进通过DDE在组态软件中集成模拟屏仪表技术与传感器录用待发表72'