姚加飛，林德全，王曉靜
（重慶建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 重慶 400045）

　　摘要： 針對(duì)活性污泥法處理廢水的特點(diǎn)，討論了曝氣機(jī)速度控制的簡(jiǎn)化模型。采用專(zhuān)家模糊控制器，構(gòu)成了曝氣機(jī)速度的EFC控制系統(tǒng)。仿真研究表明：采用EFC控制，系統(tǒng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且實(shí)施簡(jiǎn)單，有一定實(shí)際意義。
　　關(guān)鍵詞： 活性污泥； 曝氣機(jī)；專(zhuān)家模糊控制
　　中圖分類(lèi)號(hào)： X505
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： C
　　文章編號(hào)： 1000-4602(2000)02-0053-02

1 曝氣過(guò)程被控對(duì)象模型及處理

　　活性污泥處理廢水系統(tǒng)是一個(gè)多變量的分布參數(shù)線性生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，建立其數(shù)學(xué)模型是一大難題。本文僅討論曝氣機(jī)速度與溶解氧(DO)濃度之關(guān)系，簡(jiǎn)述如下：?
　　 溶解氧(DO)的形成是非線性的，瞬間完成的；而氧的轉(zhuǎn)移是無(wú)源的，可用雙膜理論來(lái)解釋(見(jiàn)圖1)。

1.1　曝氣機(jī)
　　垂直提升式E型葉輪表面曝氣機(jī)的充氧量、葉輪直徑與線速度的關(guān)系有如下經(jīng)驗(yàn)公式：
　　Q_cm=0.37v^0.28·D^1.88·K　　　　　　(1)
　　式中　 Q_cm——標(biāo)準(zhǔn)條件下的充氧量，kg/h
　　　　　　v ——速度，m/s
　　　　　　D ——葉輪直徑，m
　　　　　　K ——池型系數(shù)（對(duì)方型池，K=0.64）
1.2 氧的轉(zhuǎn)移
?　氧氣轉(zhuǎn)移速率取決于下列各因素：氣相中氧分壓梯度；液相中氧的濃度梯度；氣液相間的接觸時(shí)間和接觸面積；水溫；污水的性質(zhì)以及水流的紊流程度等。
　　當(dāng)混合液中氧的濃度為零時(shí)，由于具有最大的推動(dòng)力，因此氧的轉(zhuǎn)移率最大。在一定條件下，氧的轉(zhuǎn)移速率應(yīng)等于活性污泥微生物的需氧速率：
　　dC/dt=K_la(Cs-C)　　　　　　　　　　　(2)
　　式中 　C——液相中溶解氧濃度,mg/L
　　　　　 Cs——界面處的溶解氧濃度，mg/L
　　　　　　K_la——氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，L/h
1.3 溶解氧(DO)檢測(cè)
　　常用的DO連續(xù)測(cè)定方法是隔膜電極法。其隔膜采用聚四氟乙烯纖維、聚乙烯等組成，用鉑、金作正電極，鋁、鉛作負(fù)電極，電解液用氯化鉀等溶液。當(dāng)把這種電極浸入測(cè)定水中，連通電流測(cè)定回路，則產(chǎn)生電流，其電流大小與水中通過(guò)隔膜的DO濃度成比例。根據(jù)DO儀的測(cè)定原理及電化學(xué)方程式分析有：
　　DO_nt=DO_st+r_cm/α=(１－e^-et)　　　　　　　(3)
　　式中　DO_nt——t時(shí)刻DO的實(shí)測(cè)量值，mg/L
　　　　　DO_st——t時(shí)刻水樣中實(shí)際DO濃度，mg/L
　　　　　r_cm——實(shí)際OUR值，mg/(L·min)
　　　　　α——DO儀氧電極響應(yīng)速度的參數(shù)，min-1，在高濃度時(shí) α=9.2min^-1
　　可見(jiàn)，DO檢測(cè)是非線性，具有滯后特性。
　　綜上所述，可構(gòu)成曝氣機(jī)速度控制系統(tǒng)方框圖，見(jiàn)圖2。

2 曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊控制

　　模糊控制運(yùn)用模糊邏輯進(jìn)行直覺(jué)推理。它不需要對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，適合于高度非線性、擾動(dòng)因素大、純滯后、時(shí)變特性等對(duì)象的自動(dòng)控制。實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)的DDC和PID調(diào)節(jié)器相比，模糊控制器(FLC)有更快的響應(yīng)和更小的超調(diào)，對(duì)被控系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感，能克服線性的影響。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的專(zhuān)家模糊控制器(EFC)^［1］(見(jiàn)圖3)，把人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和求解控制問(wèn)題的啟發(fā)式規(guī)則、手續(xù)進(jìn)行模型化，強(qiáng)調(diào)知識(shí)的多層次及分類(lèi)的需要。EFC在保持FLC優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，豐富了適用于FLC的知識(shí)結(jié)構(gòu)及內(nèi)容，使其更具靈活性。

　　對(duì)于曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)說(shuō)，其任務(wù)是將進(jìn)水水質(zhì)水量變化引起的DO改變盡快地控制在允許的范圍之內(nèi)，且需有一定的魯棒性以適應(yīng)廢水處理過(guò)程因素變化的需要。因此，曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速EFC應(yīng)具備這樣的控制思想：DO濃度偏離較大時(shí)，采取較大的控制量輸出(轉(zhuǎn)速變化較高)，以體現(xiàn)糾偏迅速；DO濃度偏離較小時(shí)，采取較慎微的控制量輸出，以減小過(guò)調(diào)并提高對(duì)e和è的分辯率，提高調(diào)節(jié)精度。
　　其模糊查詢(xún)表如下：
　　若　|c₁e_n|>A　　　　　　則粗調(diào)　　　　(1)
　　　　|c₁e_n|>B>|c₁e_n-1|　則中調(diào)　　　　(2)
　　　　|c₁e_n|>C>|c₁e_n-1|　則細(xì)調(diào)　　　　(3)
　　　　　　　　　　　　　　　微調(diào) 　　　 (4)
　　上表中，優(yōu)先級(jí)依次遞減。其中A＞B＞C為經(jīng)驗(yàn)值，e_n為當(dāng)前采樣DO濃度偏離量，e_n-1為前一次采樣偏離量。?
　　為便于實(shí)際應(yīng)用，減少EFC的參數(shù)，對(duì)上述規(guī)則進(jìn)一步簡(jiǎn)化。
2.1 調(diào)節(jié)策略識(shí)別規(guī)則
　　IF |c₁e_n|>6C THEN　　　 L=1　　(粗調(diào))
　　IF |c₁e_n|>3C>|c₁e_n-1|　 L=3　　（中調(diào)）
　　IF |c₁e_n|>C>|c₁e_n-1|　　L=2　 （細(xì)調(diào)）
　　　　　　　　　　　　　　 L1=1 ?。ㄎ⒄{(diào)）
　　上式中，優(yōu)先級(jí)一次遞減。
2.2 控制規(guī)則和查詢(xún)表
　　IF E and EC THEN L (調(diào)節(jié)變量)
　　IF L and U THEN Y
　　其中E、EC、L、U、Y分別為DO濃度偏離量、偏離變化量、調(diào)節(jié)變量、調(diào)節(jié)策略、控制器輸出的模糊量。
　　輸出值Y經(jīng)過(guò)逆量化后轉(zhuǎn)化成實(shí)際輸出量作為曝氣機(jī)轉(zhuǎn)速給定，通過(guò)曝氣機(jī)，改變充氧量，實(shí)施對(duì)廢水處理系統(tǒng)中DO濃度的控制。

3 仿真研究

　　 以前面討論的系統(tǒng)為例來(lái)進(jìn)行仿真研究，其控制系統(tǒng)見(jiàn)圖2。廢水處理系統(tǒng)的干擾D(S )主要是進(jìn)水水質(zhì)、水量變化，在這里將它看作理想的正弦干擾，其變化規(guī)律：
　　　　Q(t)=Q +5000sin(2πt)
　　　　S₀(t)=S₀ +0.05sin(2πt)
　　將EFC應(yīng)用于廢水處理系統(tǒng)，并將它與PID調(diào)節(jié)器相比較。其中，設(shè)S₀=0.150kgBOD/m³，Q=10000m3/d,f=(1/24)h，α=0.42
　　將EFC應(yīng)用于廢水處理系統(tǒng)，并將它與PID調(diào)節(jié)器相比較。其中，設(shè)S0＝0.150kgBOD/m³，Q＝10000
　　仿真結(jié)果表明，EFC具有比PID調(diào)節(jié)優(yōu)越得多的調(diào)節(jié)品質(zhì)和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的魯棒性。

4 結(jié)語(yǔ)

　　究結(jié)果表明，活性污泥法廢水處理系統(tǒng)中曝氣機(jī)速度采用專(zhuān)家模糊控制具有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的魯棒性。EFC不需要確切了解對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的改變不敏感，有較強(qiáng)的適應(yīng)性；且方案實(shí)施簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：
　　 ［1］ 王順晃.智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用［M］.1995. ?

---

電　話： (023)65120816?
傳　真： (023)65120801?
E-mail : Jfyou@cqjzu.edu.cn?
收稿日期： 1999-09-30