姚加飛，林德全，王曉靜
（重慶建筑大學 機電工程學院， 重慶 400045）

　　摘要： 針對活性污泥法處理廢水的特點，討論了曝氣機速度控制的簡化模型。采用專家模糊控制器，構成了曝氣機速度的EFC控制系統。仿真研究表明：采用EFC控制，系統有較強的適應性，且實施簡單，有一定實際意義。
　　關鍵詞： 活性污泥； 曝氣機；專家模糊控制
　　中圖分類號： X505
　　文獻標識碼： C
　　文章編號： 1000-4602(2000)02-0053-02

1 曝氣過程被控對象模型及處理

　　活性污泥處理廢水系統是一個多變量的分布參數線性生物化學反應過程，建立其數學模型是一大難題。本文僅討論曝氣機速度與溶解氧(DO)濃度之關系，簡述如下：?
　　 溶解氧(DO)的形成是非線性的，瞬間完成的；而氧的轉移是無源的，可用雙膜理論來解釋(見圖1)。

1.1　曝氣機
　　垂直提升式E型葉輪表面曝氣機的充氧量、葉輪直徑與線速度的關系有如下經驗公式：
　　Q_cm=0.37v^0.28·D^1.88·K　　　　　　(1)
　　式中　 Q_cm——標準條件下的充氧量，kg/h
　　　　　　v ——速度，m/s
　　　　　　D ——葉輪直徑，m
　　　　　　K ——池型系數（對方型池，K=0.64）
1.2 氧的轉移
?　氧氣轉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；氣液相間的接觸時間和接觸面積；水溫；污水的性質以及水流的紊流程度等。
　　當混合液中氧的濃度為零時，由于具有最大的推動力，因此氧的轉移率最大。在一定條件下，氧的轉移速率應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——氧總轉移系數，L/h
1.3 溶解氧(DO)檢測
　　常用的DO連續測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、鉛作負電極，電解液用氯化鉀等溶液。當把這種電極浸入測定水中，連通電流測定回路，則產生電流，其電流大小與水中通過隔膜的DO濃度成比例。根據DO儀的測定原理及電化學方程式分析有：
　　DO_nt=DO_st+r_cm/α=(１－e^-et)　　　　　　　(3)
　　式中　DO_nt——t時刻DO的實測量值，mg/L
　　　　　DO_st——t時刻水樣中實際DO濃度，mg/L
　　　　　r_cm——實際OUR值，mg/(L·min)
　　　　　α——DO儀氧電極響應速度的參數，min-1，在高濃度時 α=9.2min^-1
　　可見，DO檢測是非線性，具有滯后特性。
　　綜上所述，可構成曝氣機速度控制系統方框圖，見圖2。

2 曝氣機轉速的模糊控制

　　模糊控制運用模糊邏輯進行直覺推理。它不需要對象的精確數學模型，適合于高度非線性、擾動因素大、純滯后、時變特性等對象的自動控制。實踐表明，與傳統的DDC和PID調節器相比，模糊控制器(FLC)有更快的響應和更小的超調，對被控系統參數的變化不敏感，能克服線性的影響。在此基礎上發展的專家模糊控制器(EFC)^［1］(見圖3)，把人的經驗知識和求解控制問題的啟發式規則、手續進行模型化，強調知識的多層次及分類的需要。EFC在保持FLC優點的同時，豐富了適用于FLC的知識結構及內容，使其更具靈活性。

　　對于曝氣機轉速來說，其任務是將進水水質水量變化引起的DO改變盡快地控制在允許的范圍之內，且需有一定的魯棒性以適應廢水處理過程因素變化的需要。因此，曝氣機轉速EFC應具備這樣的控制思想：DO濃度偏離較大時，采取較大的控制量輸出(轉速變化較高)，以體現糾偏迅速；DO濃度偏離較小時，采取較慎微的控制量輸出，以減小過調并提高對e和è的分辯率，提高調節精度。
　　其模糊查詢表如下：
　　若　|c₁e_n|>A　　　　　　則粗調　　　　(1)
　　　　|c₁e_n|>B>|c₁e_n-1|　則中調　　　　(2)
　　　　|c₁e_n|>C>|c₁e_n-1|　則細調　　　　(3)
　　　　　　　　　　　　　　　微調 　　　 (4)
　　上表中，優先級依次遞減。其中A＞B＞C為經驗值，e_n為當前采樣DO濃度偏離量，e_n-1為前一次采樣偏離量。?
　　為便于實際應用，減少EFC的參數，對上述規則進一步簡化。
2.1 調節策略識別規則
　　IF |c₁e_n|>6C THEN　　　 L=1　　(粗調)
　　IF |c₁e_n|>3C>|c₁e_n-1|　 L=3　　（中調）
　　IF |c₁e_n|>C>|c₁e_n-1|　　L=2　 （細調）
　　　　　　　　　　　　　　 L1=1 　（微調）
　　上式中，優先級一次遞減。
2.2 控制規則和查詢表
　　IF E and EC THEN L (調節變量)
　　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、調節變量、調節策略、控制器輸出的模糊量。
　　輸出值Y經過逆量化后轉化成實際輸出量作為曝氣機轉速給定，通過曝氣機，改變充氧量，實施對廢水處理系統中DO濃度的控制。

3 仿真研究

　　 以前面討論的系統為例來進行仿真研究，其控制系統見圖2。廢水處理系統的干擾D(S )主要是進水水質、水量變化，在這里將它看作理想的正弦干擾，其變化規律：
　　　　Q(t)=Q +5000sin(2πt)
　　　　S₀(t)=S₀ +0.05sin(2πt)
　　將EFC應用于廢水處理系統，并將它與PID調節器相比較。其中，設S₀=0.150kgBOD/m³，Q=10000m3/d,f=(1/24)h，α=0.42
　　將EFC應用于廢水處理系統，并將它與PID調節器相比較。其中，設S0＝0.150kgBOD/m³，Q＝10000
　　仿真結果表明，EFC具有比PID調節優越得多的調節品質和對系統參數的魯棒性。

4 結語

　　究結果表明，活性污泥法廢水處理系統中曝氣機速度采用專家模糊控制具有良好的調節品質和對系統參數變化的魯棒性。EFC不需要確切了解對象的數學模型，設計原理簡單，對系統參數的改變不敏感，有較強的適應性；且方案實施簡單，性價比高，具有一定的推廣價值。

參考文獻：
　　 ［1］ 王順晃.智能控制系統及其應用［M］.1995. ?

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收稿日期： 1999-09-30