基于模糊PID控制的SBR污水处理系统

【摘要】： 随着我国经济的快速发展,环境污染已成为我们不得不面对的问题,在国家提出“两型社会”的背景下,环境治理特别是污水处理更是我们的重中之重。SBR法(间歇式活性污泥法)是一种比较先进的污水处理工艺,实施SBR工艺的关键在于其自动控制系统,但是SBR处理过程比较复杂,仍存在一些未解决的问题,因此对SBR污水处理工艺的控制问题的研究有非常重要的意义。 溶解氧(DO)浓度能够反映出水体受到的污染,特别是有机物污染的程度,它是水体污染程度的重要指标,也是衡量水质的综合指标。SBR污水处理中的生化反应过程呈现严重非线性、滞后性以及不确定性等特点,而溶解氧浓度控制又是污水生化处理过程中非常重要的,对其进行有效的控制非常困难。将模糊控制和PID控制两者结合起来,就能更好地适应控制系统的参数变化和工作条件的变化。采用模糊自适应PID控制系统对环境的适应能力强,在随机的环境中可以在线调整PID控制的参数,在被控对象存在扰动情况下控制系统仍然保持良好的性能。 本文在对污水处理DO控制过程进行理论分析的基础上,结合模糊控制的智能性与常规PID控制的可靠性,设计了一种模糊自适应PID控制器,采用模糊推理的方法实现PID参数的在线整定。DO模糊自适应PID控制器以S7–224 CPU为核心,整个控制系统主要包含PLC、溶解氧检测仪、变频器和风机。系统实现了对现场DO的数据采集、模糊自适应PID控制算法、在线自动控制以及与上位机监控中心串行数据通信等功能。 仿真结果和实际应用表明,采用自适应模糊PID控制器后,控制系统的响应速度加快,超调量减小,过渡过程时间大大缩短,振荡次数少,具有较强的鲁棒性和良好的稳定性,是一种较为理想的智能性控制方案。利用模糊控制策略对变频器进行控制后,整个系统污水处理效果良好,具有显著的节能效果,减少鼓风机的磨损,延长使用寿命,显著提高了企业的经济效益与社会效益。 【关键词】：间歇式活性污泥法(SBR) 溶解氧(DO) 模糊PID PLC
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 引言8-9
• 1.2 本课题的研究意义和国内外现状分析9-13
• 1.2.1 污水处理的控制和实施现状9-10
• 1.2.2 污水处理控制的相关技术10-12
• 1.2.3 模糊PID控制技术的发展和国内外研究现状12-13
• 1.3 课题的来源和背景13-14
• 1.4 本文主要工作14
• 1.5 本文基于模糊PID控制的SBR污水处理控制系统的实现流程14-15
• 1.6 本文的组织结构15-16
• 第二章 相关理论分析16-26
• 2.1 引言16
• 2.2 间歇式活性污泥法（SBR）16-19
• 2.2.1 活性污泥法及其工艺介绍16-17
• 2.2.2 间歇式活性污泥法（SBR）介绍17
• 2.2.3 间歇式活性污泥法（SBR）工艺流程及其特征17-18
• 2.2.4 溶解氧（DO）在SBR污水处理中所起的作用18-19
• 2.3 模糊自适应PID理论19-23
• 2.3.1 PID控制20-21
• 2.3.2 模糊控制概述21-22
• 2.3.3 模糊自适应PID控制22-23
• 2.4 MATLAB及Simulink开发环境介绍23-26
• 第三章 模糊自适应PID控制器的设计26-36
• 3.1 引言26
• 3.2 间歇式活性污泥法污水处理的模糊PID控制方法26-27
• 3.3 系统控制对象分析27
• 3.4 模糊自适应PID控制器设计27-31
• 3.4.1 在线实时模糊自适应PID控制方案27-28
• 3.4.2 精确量的模糊化及隶属度函数的确定28-29
• 3.4.3 模糊控制规则29-31
• 3.4.4 PID参数在线校正31
• 3.5 模糊自适应PID溶解氧控制系统仿真31-36
• 3.5.1 控制对象模型分析31-32
• 3.5.2 模糊自适应PID控制仿真32-34
• 3.5.3 仿真结果及分析34-36
• 第四章 基于模糊PID的SBR污水处理系统设计与实现36-52
• 4.1 系统结构36
• 4.2 系统主回路设计36-38
• 4.3 系统控制回路设计38-39
• 4.3.1 自动手动控制方式功能选择的设计38
• 4.3.2 自动控制方案的设计38-39
• 4.4 系统相关仪表的主要功能、硬件接口及信号采集39-42
• 4.4.1 溶氧表主要功能、硬件接口及信号采集39-40
• 4.4.2 电磁流量计主要功能、硬件接口及信号采集40-41
• 4.4.3 液位计主要功能、硬件接口及信号采集41-42
• 4.5 PLC模块的硬件设计42-45
• 4.5.1 PLC CUP介绍及硬件组态42-43
• 4.5.2 输入输出模块及功能43-44
• 4.5.3 控制系统主程序设计44-45
• 4.6 PLC与上位机WINCC的MODBUS通信的组态和软件实现45-47
• 4.6.1 MODBUS通信协议介绍45
• 4.6.2 MODUUS 通信组态45-46
• 4.6.3 MODBUS通信程序实现46-47
• 4.7 WINCC上位机的组态47-48
• 4.7.1 WINCC上位机软件结构47-48
• 4.7.2 WINCC上位机功能介绍48
• 4.7.3 WINCC监控系统的设计实现48
• 4.8 模糊PID控制规则在PLC中的软件程序实现48-49
• 4.9 控制系统实施效果49-52
• 第五章 结论及展望52-54
• 5.1 工作总结52-53
• 5.2 本文相关技术的未来发展方向53-54
• 参考文献54-57
• 致谢57-58
• 附录A：研究生期间发表论文58-59
• 附录B：研究生期间参加的项目59

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