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以溶解氧浓度作为SBR法模糊控制参数
作者：佚名  文章来源：网络  点击数  更新时间：2006/12/22 9:33:13  文章录入：ahaoxie  责任编辑：ahaoxie

 

表2 SBR法曝气过程模糊控制规则表

NB NM NS O PS PM PB △u
NB PB PB PB PB PM PS O
NM PB PB PB PM PS O NS
NS PB PM PM PS O NS NM
NO PM PM PS O NS NS NM
PO PM PS PS O NS NM NM
PS PM PS O NS NM NM NB
PM PS O NS NM NB NB NB
PB O NS NM NB NB NB NB

　　根据操作过程中可能遇到的各种情况和系统的运行数据，将相应的控制策略归纳为表2，这是一组根据系统输出的误差及误差的变化趋势来消除误差的模糊控制规则。

　　上述这些模糊控制规则可以用模糊条件语句来描述，例如：

　　if E=NB or NM and CE=NB or NM then u=PB or

　　if E=NB or NM and CE=NS then u=PB or ……

　　上述选取控制量变化的原则是：当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。例如，当DO误差及误差变化均为负大时，就是SBR反应器内DO浓度很低，而且有进一步降低的趋势，如果不加以调整，势必造成反应时间过长或引起污泥膨胀，为尽快提高DO浓度，消除误差，必须增大曝气量，所以Δu取正大。当误差为负小，误差变化为正小时，系统本身具有消除误差的能力，可以不调整曝气量。

3.1.3 模糊推理及其模糊量的非模糊化

　　在模糊控制规则的指导下，经过模糊决策后，得到模糊控制变量Δui：为了对被控制对象SBR处理系统施加精确的控制，还需要将模糊控制变量Δui转化为可执行的精确量，即曝气量变化量的准确量，这就是非模糊化处理过程。

　　上述模糊控制规则所确定的每一条模糊条件语句都可以计算出相应的模糊控制量ui。例如，由第1条语句所确定的模糊关系可用式（4）表示：

　　R=(NBE+NME)×PBu］·［(NBCE+NMCE)×PBu］　　　　　(4)

　　如果此刻采样所得到的实际误差模糊变量为e，误差变化的模糊变量为ce,根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量为u1:

　　u1=eo［(NBE+NME)×PBu］·ceo·［(NBCE+NMCE)×PBu］　　　　(5)

　　同理，可由其余模糊条件语句计算出相应的模糊控制量u2,u3,……,由于各条件语句之间是或的关系，则控制量的模糊集合u表示为：

　　u=u1+u2+……+un　　　　　　　　　(6)

　　由式（6）所计算出的控制量是一个模糊子集，不能直接应用于被控对象，必须经过非模糊化处理转化为精确量。本文采用加权平均法作为非模糊化处理方法，计算式如下：

　　

　　这种方法可以充分利用模糊推理结果、模糊子集提供的有用信息量，得到SBR法曝气过程的模糊控制表，储存在计算机中。

　　上述过程是反应进行到8～9min，根据在线检测的DO值预测进水COD浓度，并在第10min对曝气量进行调整。为了保证较好的控制效果，可在后续反应过程中继续检测DO值，并对曝气量进行再一次调整。调整次数的多少应视预测进水COD浓度的大小及相应反应时间的长短而定。在有机物达到难降解程度时，DO迅速大幅度升高，这是停止曝气的信号。如果在反应过程中，频繁地调整曝气量，势必使DO始终维持在2.0mg/L左右，而不会发生DO迅速大幅度升高的现象，进而影响反应时间的控制。因此，试验中根据表1的试验结果，在反应8～10 min预测到进水COD浓度后，便相应地预知反应时间。如果预测的反应时间在120min之内，进行两次调整，第二次是在反应进行到30 min，DOs仍取2.0 mg/L，具体的控制方法同前。如果预测的反应时间超过120 min，则进行三次调整，第三次是在反应进行到60 min，DOs仍取2.0 mg/L，具体的控制方法同前。经过这样的方法控制，就可以弥补第一次调整曝气量（8～10 min）所造成的误差，而且不会影响对反应时间的控制。

3.2 作为反应时间的控制参数

　　在反应初期（8～10 min），以上述的模糊控制方法对曝气量进行调整后，使后续反应过程中DO处于合适的水平。由于SBR法间歇运行的特点，当有机物达到难降解程度时，DO迅速大幅度升高，在10 min内DO便可上升到3.5 mg/L,反应结束时DO可升到6 mg/L左右。这一变化特点可用模糊语言变量加以描述，以此作为停止曝气的信号，故引入了用DO误差的大小和误差变化的快慢作为模糊控制器的两个输入变量。SBR法处理石油化工废水的试验结果表明：当DO(升高的幅度)＞3.5 mg/L，且DO的变化速率＞0.30 mg/(L·min)时，反应已结束，应停止曝气，这是建立模糊控制规则的重要依据。

　　由于两种现象中误差及误差的变化均为正，可以简化对误差E、误差变化CE及控制量u的模糊集和论域的定：

　　E、CE的模糊集均为：{PS，PM，PB}

　　E、CE的论域为：{1，2，3，4，5，6}

注 —表示停止曝气
PS PM PB △u
PS 0 0 0
PM 0 0 0
PB 0 — —

　　当DO的误差为PS和PM时，无论DO的变化速率如何，均维持原有的曝气量，避免因曝气时间不够而使出水达不到排放标准。只有当E达到PB,且CE达到PM或PB，才认为有机物不再被降解，应该停止曝气。

　　将3.1、3.2阐述的内容结合起来，便可以DO作为控制参数，实现对SBR法曝气过程和反应时间的模糊控制。当然，任何一种控制方法都无法保证每一次预测和控制都是准确无误的，有时难免会出现异常现象。例如：根据8～10min的DO值预知反应时间为120min左右，可是在90min就出现了DO迅速大幅度升高的现象，说明COD的预测值大于实际值。如果这种情况发生，此时不应该再调整曝气量，为防止因较早停止曝气而使出水不达标，只能改变反应时间控制规则中的某些参数，使控制规则更为严格。本试验中DO升高的幅度由正常时的3.5 mg/L提高到4.5 mg/L，DO变化速率也由0.30 mg/(L·min)提高到0.35 mg/(L·min)，即只有Ei≥4.5 mg/L,CEi≥0.35 mg/(L·min)，才可以停止曝气。还有另外一种相反的情况，就是预测的反应时间为90 min，而实际运行至120 min DO仍没有迅速大幅度升高，说明COD的预测值小于实际值。如果这种情况发生，则应放宽控制规则，将Ei由3.5mg/L降到2.5 mg/L,CEi由0.30 mg/(L·min)降到0.20 mg/(L·min)，即Ei≥2.5 mg/L,CEi≥0.20mg/(L·min)，就可以停止曝气。因此，在对反应时间进行控制时，既要根据在线检测的DO变化情况，也要参考前面的预测结果，如果有上述的异常情况发生，就要采取不同的控制规则，保证控制效果和系统的正常运行。

4 结论

　　① 采用SBR法处理石油化工废水，有机物降解初期（8～10 min）的溶解氧浓度对整个反应过程有重要影响。如果初始DO值过高必将导致反应过程DO值的普遍过高，不但不会有效地缩短反应时间，反而会增大运行费用。相反，如果 DO值过低，则延长了反应时间，而且容易引起污泥膨胀。

　　② 可以用反应初始阶段溶解氧浓度作为SBR法曝气量的模糊控制参数。假定每一反应周期初始曝气量相同，可根据反应开始后较短时间内（8～10 min）DO值的变化情况预测进水COD浓度，进而调整到该浓度下适宜的曝气量。在反应过程中，也可以根据DO变化情况对曝气量进行再一次调整。

　　③ SBR反应器内，当有机物达到难降解程度时，DO迅速大幅度升高，这一变化特点可用模糊语言变量加以描述，实现对SBR反应时间的模糊控制。

参考文献：

［1］Tsai Y P et al. Effluent Suspended Solid Control of ActivatedSludge Process by Fuzzy Control Approach［J］.Wat Environ Res，1996,68(6)：1045-1053.

［2］Mark T Yin.Fuzzy Logic Process Control of HPO-AS［J］. Journal of Environmental Engineering,1996.

［3］彭永臻，王淑莹，周利等.生物电极脱氮工艺的在线模糊控制研究(一)［J］.中国给水排水，1999,15（2）.

［4］彭永臻,王淑莹,周利等.生物电极脱氮工艺的在线模糊控制研究(二)［J］.中国给水排水，1999，15（4）.

［5］王淑莹,彭永臻,周利.用溶解氧浓度作为SBR法过程控制和反应时间控制参数.中国环境科学,1998，18(5)：415-418.

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