V型滤池模糊控制系统设计

胡 友

（湖南省建筑设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

气水反冲洗V型滤池是由法国得利曼公司开发的采用均匀粒径滤料的重力式快滤型滤池，采用气水反冲洗。V型滤池滤料层厚度厚于其他快滤池，具有过滤周期长、截污能力强的特点，在城市大中型水厂中得到广泛的应用。V型滤池因其进水槽被设计成V字形而得名，一座滤池由若干个滤格、鼓风机房、反冲洗泵房和配电间组成。每个滤格构造相同，共用一条待滤水进水渠和一条清水出水渠，每个滤格通过阀门控制单独运行，相互之间互不干扰。V型滤池有单排和双排布置之分，通常情况当格数为偶数时采用双排布置，当格数为奇数时采用单排布置。

每个滤格设置有进水闸阀、出水蝶阀、排水蝶阀、气冲蝶阀、水冲蝶阀和余气排放球阀六个阀门，部分滤池设有两个进水闸阀和一个初滤水排放蝶阀。通过控制阀门的开闭，来完成过滤、气反冲洗、水反冲洗、汽水同时反冲洗和排水的过程。均粒石英砂因吸附能力强、价钱便宜，通常被用作滤料。随着过滤过程的不断进行，石英砂的吸附能力逐渐下降，如果不根据石英砂的吸附能力，通过调节出水阀门的开度来控制过滤水量，将会导致滤池出水水质变差，达不到出水要求。但是石英砂的吸附能力却无法量化，传统控制方式是根据水头损失来计算出水阀门的开度，因水头损失同样无法准确计算，且二者间无法建立准确的数学模型，并不能很好的保证出水水质。因此，本文根据V型滤池过滤过程的特点，构建了V型滤池模糊控制系统，并依据控制系统对生产过程优化，在保证恒水位等速过滤的前提下，通过模糊控制系统实现对阀门开度的准确控制，保证滤池出水水质。

1 V型滤池过滤过程分析

V型滤池过滤过程流程如图1所示。

图1 V型滤池过滤过程流程图

经絮凝沉淀池处理的来水，进入滤池配水总渠，通过单格进水闸阀后，进入V型槽，流经V型槽配水孔进入滤格，在滤格中经均粒石英砂滤料过滤后，经由单格出水蝶阀进入出水总渠，再流入清水池或深度处理单元向市政管网供水。

当某个滤格石英砂滤料吸附能力饱和后须进行反冲洗，使滤料恢复吸附能力。滤格出水浊度 （水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度） 是衡量滤池过滤效果的最重要指标，将滤池出水浊度控制在规范要求范围内 （通常为1NTU），既能保证出水水质，又能达到节能降耗的目的。

2 V型滤池自动控制框架

V型滤池控制系统由多个PLC控制站组成，并通过光纤网络与厂区中控室通信。PLC控制主站设置在配电间，用于控制鼓风机、反冲洗水泵和其他一些辅助设施的运行。PLC控制子站与滤格一一对应设置，每个PLC子站负责本格阀门控制、仪表信息采集，并接受主站的控制。V滤池运行基本是无人值守，在PLC的控制下，完成过滤、反冲洗等环节。

控制系统控制流程分为过滤和反冲洗等过程。正常过滤阶段，各个滤格PLC子站根据滤格水位，实时调节出水阀开度，实现恒水位等速过滤，使滤池出水浊度达到要求；当某个滤格达到反冲洗条件时，滤格子PLC向主PLC发送须反冲洗信号。主PLC进入反冲洗程序，向滤格子PLC下达反冲洗命令，启动风机水泵等反冲洗设备，并协调滤格子PLC控制各个阀门完成反冲洗过程。

3 V型滤池模糊控制系统

3.1 模糊控制器结构

模糊控制器通常选取误差信号e （或E） 和信号变化率ec（或EC） 作为模糊控制系统的输入，受控量y （或Y） 作为输出变量。

出水浊度与出水阀门的开度紧密相关，在滤料纳污力不变的情况下，阀门开度大，出水浊度高，阀门开度小，出水浊度小。但在过滤过程中，滤料纳污力在不断变小，阀门开度也需要随之减少。滤池的模糊控制器的输入信号选取为给定浊度值与滤池实际出水浊度的误差信号和信号变化率，输出变量定义为阀门开度控制量，并对其进行量化。

设e、ec和u为误差、误差变化率和阀门开度控制量，取其基本论域为：

将基本论域量化为：

3.2 选取模糊控制规则

（1） 确定模糊子集。

在对变量量化后，得到量化论域，定义其模糊子集。

式中：Ai、Bj和Ck—分别是X、Y和Z的模糊子集。

（2） 选定输入输出变量语义词汇。

用语言变量PB、PM、··· 、NM、NB对其进行描述，其中，输入变量e、ec和输出变量均用7个模糊子集来描述他们在各自论域范围的所有可能状态，具体见表1。

表1 语言变量描述表

规定模糊子集{Ai}、{Bj}和{Cl}在论域X、Y和Z上的隶属度函数为μAi（x）、μBi（y）、μCl（z）。

（3） 选定模糊关系。

根据滤池操作经验，制定一组模糊控制规则。

if Aiand Bjthen Cij

模糊子集间的模糊关系为：

在给定x=Ai、y=Bi时，输出变量与输入变量间的模糊关系可表示为：

用隶属度函数表示为：

3.3 进行模糊判决、制度模糊控制表

根据以上公式，求得输出变量模糊子集{Ck}，采用最大隶属度判决法进行模糊判决，得到模糊控制如表2所示。

表2 模糊输出表

在实际控制过程中，根据输入变量查询值查询模糊控制表，得到输出变量z。输出变量经过一定变换后，驱动伺服结构调节阀门开度，达到控制出水浊度的目的。

3.4 V型滤池模糊控制系统

完成滤池模糊控制器 （FLC） 后，就基本完成了滤池模糊控制系统的设计。考虑到在实际生产过程中，模糊控制系统对小偏差不会有控制动作，考虑小偏差的累计作用，对其进行积分。

4 结语

本文根据滤料水头损失无法准确计算，出水浊度与阀门开度无法建立准确数学模型的特点，采用模糊控制方法建立滤池的控制模型，实现对过滤过程的控制，以达到使出水浊度达到规范要求值。