模糊控制在废水处理COD中的应用★

崔继仁 张艳丽 李建辉

(1.佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007； 2.佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154007)

·水·暖·电·

模糊控制在废水处理COD中的应用★

崔继仁1张艳丽2*李建辉1

(1.佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007； 2.佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154007)

针对废水处理生化过程控制难点，介绍了控制重要的水质指标——化学需氧量(COD)参数的办法，设计了一个二维模糊控制器，选用简单易行的查控制表方法，实现模糊控制策略，并通过Matlab仿真，检验了模糊控制策略的运用效果，结果表明模糊控制策略比较理想。

废水处理，COD，模糊控制，PLC控制，Matlab仿真

0 引言

生化需氧量和化学需氧量，亦即BOD和COD是衡量废水处理后的水质能否达标的重要指标。在有氧条件下，降解有机物所需的耗氧量即是BOD；在酸性条件下，用强氧化剂将有机物氧化成CO2,H2O所需的耗氧量即是COD。要精确检测COD浓度，可以使用COD浓度在线成分检测仪。

选择控制策略对COD的有效控制非常重要。由于对象模型不确定，用比例—积分—微分，即PID控制方法，很难达到较高的精确度[1]；对于鲁棒性较强的模糊控制策略，由于其不需要对象精确的数学模型，所以在废水处理过程化学需氧量COD的控制中，效果比较理想[2]。本文以加药沉淀池为研究对象，采用模糊控制技术来控制加药量，以控制排放前COD的浓度，使处理后的水质达标。

1 模糊控制器设计

为了有效地控制废水处理生化过程，在加药系统的控制中，使用一个二维模糊控制器，其特点是双输入、单输出结构。它由模

糊化、模糊推理及解模糊三个环节组成，其输入变量分别为COD的偏差E和偏差变化量Ec，输出变量则为控制阀的开度U，模糊控制器结构示意图见图1，化学需氧量COD模糊控制原理图如图2所示。

模糊控制器是模糊控制系统的核心，其结构设计的合理性非常重要。模糊控制器主要包括精确量的模糊化、模糊控制规则的建立、模糊推理以及解模糊四部分内容。要实现模糊控制，控制规则的建立非常关键，因为其会影响控制策略的效果。由于设计的模糊控制采用查表法，所以关键在于构建控制规则表，然后根据控制规则和推理方法形成输入量值与输出量值的关系表格[3]。在控制表中，标明的是输入论域元素与输出论域元素的关系。可以得到模糊控制规则如表1所示。

表1 模糊控制器的控制规则

模糊控制表如表2所示。根据废水处理加药系统运行过程中COD参数的大量控制数据，得到输出精确值U的模糊控制表，它是以论域元素偏差E为行，论域元素偏差变化率Ec为列，行元素与列元素的交叉点为输出U的数据表。

表2 由规则表编辑器生成的模糊控制表

2 PLC模糊控制实现

模糊控制算法通过可编程序控制器PLC来实现。PLC中央处理单元选用S7-300 CPU315-2DP，选用的通信模块为CP5430，配备型号为SM331的扩展模块，即模拟量输入模块1只；配备型号为SM332的扩展模块，即模拟量输出模块1只；配备型号为SM321的扩展模块，即开关量输入模块1只；配备型号为SM322的扩展模块，即开关量输出模块1只，电源模块选用PS307/5A。

PLC用户程序中使用了组织块OB、功能块FC和FB及其背景数据块DB。CPU循环执行操作系统程序，每次循环都调用主程序OB1，它亦称组织块。OB1是操作系统与用户程序的接口，决定用户程序的结构。程序模块还包括其他一些逻辑块和数据块，例如，组织块OB20，OB21，OB22是在通信程序中的初始化模块；发送数据的功能块及其背景数据块(FB9和DB9)；接收数据的功能块及其背景数据块(FB10和DB10)。运行模糊算法具体所用的模块有模糊控制子程序模块FB1及其背景数据块DB2、计算偏差e与偏差变化率ec的功能模块FC1、经过模糊化计算E,Ec的功能模块FC2、依据控制规则表生成模糊控制表的功能模块FB3及其背景数据块DB1、解模糊计算控制输出U的功能模块FC4。

模糊控制算法框图如图3所示。

PLC程序首先执行内部初始化，然后采集各种工艺参数[4]。CPU主程序模块，即组织块OB1调用子程序，即功能模块FB1，运行模糊控制算法。化学需氧量COD测量值连接到模拟量输入模块，作为计算时的采样值，经过加权平均运算后，与设定的化学需氧量COD浓度值比较，首先在子程序FC1中计算出偏差e和偏差变化率ec，其次在子程序FC2中进行模糊化处理，得出E和Ec，然后在子程序FB3中，依据控制规则和模糊推理生成模糊控制表，最后由子程序FC4计算出输出值的精确量U，这样，加药调节输出量通过PROFIBUS总线发送到智能电动伺服控制器，进而对阀门开度实施调节，从而控制COD的浓度值。

3 模糊控制效果

为了观察模糊控制系统对输入阶跃响应的反应输出，用Matlab生成模糊控制器，建立Simulink仿真模型，如图4所示的仿真结构图，本系统中被控对象函数G(S)=13/s+0.01，仿真结果如图5所示。

从总体上看，运用模糊控制策略，参数的控制精度比较高，稳定周期也比较短，基本无迟滞现象，超调也很小。

4 结语

废水处理生化过程的重要水质指标化学需氧量COD浓度的控制，运用模糊控制策略，通过PLC控制程序完成模糊控制算法。通过Matlab仿真，检验模糊控制算法的鲁棒性和控制精度，其效果较为理想。

[1] 徐 运,蒋蕾蕾,许丹丹，等.造纸废水中TOC和COD的相关性研究[J].中国卫生检验杂志,2009(4):816-817.

[2] 马邕文,黄明智,万金泉,等.模糊神经模型对废水处理过程COD的预测及控制[J].中国造纸学报,2008(4):113-118.

[3] 李伟奖.基于模糊神经网络的A/O废水处理控制系统的研究[D].广州：华南理工大学硕士论文,2010.

[4] 王熙雏,张淑红.基于PLC的废水处理控制系统[J].自动化应用,2014(9):64-65,98.

Application of fuzzy control in wastewater treatment COD★

Cui Jiren1Zhang Yanli2*Li Jianhui1

(1.InformationandElectronicTechnologyInstituteofJiamusiUniversity，Jiamusi154007,China；2.MechanicalEngineeringInstituteofJiamusiUniversity，Jiamusi154007,China)

According to control difficulties in the wastewater biochemical process, this paper introduces a method of COD parameter that is important water quality control index. It gives a two-dimensional fuzzy controller, and uses simple method that checks control tables. It realizes fuzzy control strategy, and tests the use of fuzzy control strategy effect by Matlab simulation. The results show that the fuzzy control strategy is more ideal.

wastewater treatment, COD, fuzzy control, PLC control, Matlab simulation

1009-6825(2017)05-0152-03

2016-12-03★：黑龙江省教育厅科技研究项目(12521539)；佳木斯大学科学技术研究项目(KF2010-040)

崔继仁(1965- )，男，副教授

张艳丽(1974- )，女，讲师

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