摘要：以SBR法為基礎(chǔ)，研究了污水處理過程中對(duì)溶解氧濃度（DO）的自適應(yīng)模糊控制。根據(jù)實(shí)際工況中手動(dòng)調(diào)節(jié)曝氣量來控制DO所得到的控制經(jīng)驗(yàn)，歸納出模糊規(guī)則，通過在上位機(jī)中嵌入模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DO的模糊控制。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)，對(duì)DO的控制效果理想，并且抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，提高了污水處理的效率。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)模糊控制；溶解氧濃度（DO）；SBR；節(jié)能；優(yōu)化

活性污泥法是城市污水處理的主要工藝之一，其機(jī)理是通過曝氣使活性污泥與污水在充分接觸的情況下得到足夠的氧氣，水中的可溶性有機(jī)污染物被活性污泥吸附，并被存活在活性污泥上的微生物分解，使污水得到凈化。因?yàn)槲鬯幚磉^程的內(nèi)部機(jī)理非常復(fù)雜，無法用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，因此，采用傳統(tǒng)的控制策略（如典型的PID控制）難以獲得滿意的控制效果。作為智能控制的重要分支之一的模糊控制不依賴被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，它能根據(jù)誤差和誤差的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的控制，具有較強(qiáng)的魯棒性，被控對(duì)象參數(shù)的變化對(duì)模糊控制的影響不明顯，可用于非線性、時(shí)變和時(shí)滯系統(tǒng)的控制，控制的實(shí)時(shí)性較好，控制機(jī)理符合人們對(duì)過程控制的直觀描述和思維邏輯^[1]。同時(shí)，在模糊控制器的設(shè)計(jì)中采用可調(diào)整的模糊控制規(guī)則，能顯著提高和改善模糊控制器的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力。國(guó)內(nèi)彭永臻等人^[2]提出以DO作為SBR法的模糊控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)曝氣量的控制。王先路等人^[3]以出水COD偏差和偏差變化為輸入，泵的開度為輸出設(shè)計(jì)了一種模糊控制器，實(shí)現(xiàn)COD的模糊控制。但是，在采用模糊控制系統(tǒng)的污水處理過程中存在一個(gè)最大的問題，就是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力。由于模糊控制存在的PD控制作用以及水環(huán)境的不斷變化，大多數(shù)系統(tǒng)的控制效果震蕩明顯，穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力不佳。

本文以序批式活性污泥法（SBR）為基礎(chǔ)，針對(duì)污水處理中溶解氧濃度（DO）的變化對(duì)污水處理過程的影響，研究設(shè)計(jì)了引入調(diào)整因子的污水處理DO自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)頻率，將DO穩(wěn)定地控制在理想的位置，提高了污水處理效率，并使該控制系統(tǒng)具備了較好的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力。

1.SBR簡(jiǎn)介及控制策略

序批式活性污泥法（SBR）是一種間歇運(yùn)行的污水生物處理工藝，自上世紀(jì)80年以來得到快速發(fā)展，非常適合中小型污水處理廠。它的運(yùn)行過程包括進(jìn)水、反應(yīng)（曝氣）、沉淀、潷水及閑置等五個(gè)階段，與活性污泥法相比無須一沉池與二沉池，五個(gè)階段都在同一個(gè)反應(yīng)池中進(jìn)行。目前，SBR的控制方法主要是時(shí)間程序控制，處理過程的五個(gè)階段根據(jù)提前設(shè)置的時(shí)間序列依次進(jìn)行，通過采用可編程控制器（PLC）可以方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，這也是其得到廣泛推廣應(yīng)用的原因之一。

在SBR法污水處理過程中，生物氧化環(huán)節(jié)（曝氣環(huán)節(jié)）是其中的核心部分，在這一環(huán)節(jié)中，以好氧菌為主體的微生物通過生化反應(yīng)處理污水中的有機(jī)污染物，決定其處理效果的關(guān)鍵因素之一是生化池中的溶解氧濃度（DO）^[4]。由于原水水質(zhì)往往在不斷的變化，在某些環(huán)境下還可能劇烈波動(dòng)，這就使得按傳統(tǒng)的時(shí)間程序控制法進(jìn)行控制存在很大的弊端，曝氣時(shí)間長(zhǎng)或者曝氣量大會(huì)造成大量能源的浪費(fèi)，曝氣時(shí)間短或者曝氣量小又可能使出水水質(zhì)波動(dòng)大甚至不達(dá)標(biāo)，所以采用固定時(shí)間固定風(fēng)量進(jìn)行曝氣是與污水反應(yīng)的實(shí)際過程相脫離的。根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究，DO保持在2mg/L左右，活性污泥的處理效果最理想^[5]。而且，以DO值作為SBR法的模糊控制參數(shù)能夠在保證出水水質(zhì)的前提下盡可能多地節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，并能避免曝氣量的不足或反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)而引起的污泥膨脹。所以，如何將DO控制在理想狀況下，就成為提高處理效率的關(guān)鍵。

2.DO自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由變頻器調(diào)節(jié)，其控制原理是首先將設(shè)定值與檢測(cè)值進(jìn)行比較得到精確量E和EC，通過模糊化變換成模糊量，再根據(jù)由大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)得出的模糊知識(shí)庫(kù)把模糊輸入量進(jìn)行模糊推理得到相應(yīng)的模糊控制量，經(jīng)模糊判決將模糊控制量轉(zhuǎn)化為精確控制量輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)曝氣量的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)池中的DO濃度?？刂屏鞒虉D如圖1所示。

圖1 DO模糊控制系統(tǒng)流程圖

2.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇

所謂模糊控制器的結(jié)構(gòu)選擇，就是確定模糊控制器的輸入輸出變量。模糊控制器的結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有較大影響，必須根據(jù)被控對(duì)象的具體情況合理選擇。模糊控制器的結(jié)構(gòu)主要分為單輸入-單輸出（SISO）結(jié)構(gòu)和多輸入-多輸出（MIMO）結(jié)構(gòu)。根據(jù)污水處理的實(shí)際過程，該系統(tǒng)采用典型的雙輸入單輸出二維模糊控制器，輸入變量分別為DO的偏差E和偏差變化率EC，輸出變量U為變頻風(fēng)機(jī)的頻率VRI。

2.2模糊語(yǔ)言變量及論域的確定和模糊化

模糊規(guī)則是由若干語(yǔ)言變量構(gòu)成的模糊條件語(yǔ)句，它們反映了人類的某種思維方式。在確定模糊變量時(shí)，首先確定其基本的語(yǔ)言值，再根據(jù)需要生成若干個(gè)語(yǔ)言子值。一般來說，一個(gè)語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值越多，對(duì)事物的描述就越準(zhǔn)確，可能得到的控制效果就越好。但是，過細(xì)的劃分會(huì)使控制規(guī)則變得復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來更困難，因此應(yīng)根據(jù)具體情況而定。

在本系統(tǒng)中，對(duì)E、EC和U的模糊子集規(guī)定為：

E=EC=U={負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零（ZO），正小(PS)，正中(OM)，正大(PB)}

E的基本論域?yàn)椋海?0.6，0.6），語(yǔ)言變量為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，0，1，2，3，4，5，6}；

EC的基本論域?yàn)椋海?0.15，0.15），語(yǔ)言變量為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；

U的基本論域?yàn)椋海?4，4），語(yǔ)言變量為：{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}；

2.3模糊控制規(guī)則的確定和模糊控制表的建立

在模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制器的性能對(duì)系統(tǒng)的控制特性影響很大，而模糊控制器的性能在很大程度上取決于模糊控制規(guī)則的確立及其可調(diào)整性。我們采用經(jīng)驗(yàn)歸納法，根據(jù)手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率來改變DO的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出四十九條規(guī)則，其形式為“IF E= ┅ and IF EC= ┅ then U=┅”。所有的控制規(guī)則庫(kù)如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表