1  引言

    随着社会经济的发展，环境污染已成为全世界不得不关注的焦点问题，特别是大规模城市的出现，生活污水的处理问题已经变得越来越突出。目前，在SBR污水处理系统中，溶解氧DO的控制基本上为定时、DO恒值或风机恒频控制，耗费了大量的电能。根据SBR 原理，吞噬污水中有机废物的微生物有一定的生命周期，使得污水处理过程中耗氧量按一定规律变化，针对该特点，本系统采用的方法是：在污水处理过程中，根据耗氧量曲线，在不同时刻提供相应量的氧。实验表明，该方法稳定了出水水质，缩短了处理时间，减少了电能消耗。

    为了能更好地模拟污水处理过程，系统采用了一套完整的实验装备，配备有高精度DO测量仪和浊度仪。以此为基础，结合PID控制算法，系统采用多输入、多输出的模糊PID控制方法，解决了因处理过程大滞后而带来的普通模糊控制超调量过大的难题，并且系统调节迅速、上升时间短，具有较好的鲁棒性。通过调节鼓风机频率，使实际耗氧量曲线与理论耗氧量曲线基本达到一致，从而实现污水处理的实时优化控制，减小电能消耗，稳定出水水质。同时，系统以工控软件组态王为开发平台，方便地实现了人机交互和实时控制。

2  序批式活性污泥法（SBR）简介

    活性污泥法就是以活性污泥为主体的污水生物处理方法。活性污泥为充满微生物的絮状泥粒，具有很强的吸附和氧化分解有机物的能力。由于活性污泥具有较强的净化水质的能力，而且这些污泥又不像生物膜法的生物膜那样固定在载体上，它在混和液中自由流动，有较多的机会和废水中的污物接触，所以活性污泥法是目前工作效率最高的人工生物处理方法。

    普通活性污泥法的基本工艺流程如图1所示。

    首先，根据变量的变化范围和量化等级，确定量化因子。例如：若某变量的基本论域为（-e_m，e_m），量化等级为9级即模糊状态论域为{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，则量化因子G_e=4/e_m。

    其次，确定模糊变量的量化论域和输入输出变量的模糊子集的隶属函数。可将输入、输出变量的量化论域分为7个模糊子集：正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZE)、负小(NS)、负中(NM)、负大(NB)，同时确定各模糊子集的隶属度函数均服从正态分布，则可以得到各变量的赋值表。

    最后，确定模糊控制规则。根据PID参数的整定原则和各变量模糊子集赋值表，建立合适的模糊控制规则表，从而可得PID控制三个参数（K_P、K_I、K_D）的模糊控制表。

4.4  去模糊处理
    PID控制器输出为鼓风机频率的变化量的模糊子集，而鼓风机只能接受精确的控制量，因而需要进行去模糊处理。本系统采用最大隶属度法，在输出模糊集合中，选取隶属度最大的论域元素为判决结果，如果在多个论域元素上同时出现隶属度最大值，则取它们的平均值作为判决结果。

    设已知论域{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}上的输出模糊集合UI=0.7/(-7)+0.7/(-6)+0.3/(-5)+0.3/(-4)+0.3/(-3)+0.2/(-2)+0.7/(-1)+7/0+0.7/1+0.2/2+0.2/5+
0.3/6+0.3/7，则按最大隶属度法取得判决结果为：UI=(-7-6-1+0+1)/5=-2.6，取整后可用量化等级中的-3级对应的精确值作为控制量的变化加到被控对象上。这种方法的优点是简单易行，其缺点是概括的信息量最少，原因在于该法屏蔽了其他一切隶属度小的论域元素（量化等级）的作用。

5  通过工控软件组态王实现计算机控制

    本系统以集成了多线程、COM组件等新技术的工控软件组态王6.01作为开发平台，实现了实时多任务，并且软件运行稳定可靠。

    由于组态王内置了大量设备驱动作为与外部设备的通讯接口，本系统采用了控制设备为可编程控制器，通过编程控制，可以调节鼓风机频率，改变反应池中的曝气量，从而达到优化控制。

    根据实验要求，通过编程、设计，组态王软件完成了如下功能：
    (1)  运用其先进完善的图形生成功能，将污水处理工程直观、生动地体现于计算机上；
    (2)  通过人机界面输入构造不同的DO控制曲线；
    (3)  将现场采集到的数据通过编程设定，实时地在计算机上显示；
    (4)  结合SBR原理、模糊PID控制方法和组态王软件，通过编程，系统可以实现不同DO曲线下的稳定控制。不仅能实现风机恒频控制功能，也能实现DO的恒值控制功能，实际效果如图2中的②号线（虚线为参考曲线，实线为实际运行曲线），而且还能较好地实现DO变值控制功能。在DO的变值控制中，结合模糊PID控制方法和微生物需氧量经验曲线，在相应的模糊规则控制下，实际的溶解氧值基本上能按给定的经验曲线变化，实现了实时优化控制，实际运行效果如图2中的①号线（虚线为参考曲线，实线为实际运行曲线）；
    (5)  运用其特定的模板，能完成查看历史数据、实时运行曲线和报表功能。

6  试验的修正和验证

    本系统所设计的模糊PID控制器需进行严格的试验检验和修正调整，可以在线进行实时测量，也可离线进行仿真试验或计算机仿真，以检验所设计的控制器是否达到预定的控制目标。

    对采用模糊PID控制和不采用模糊PID控制的两个系统进行比较可知，采用模糊PID控制的系统运行可靠性和稳定性均得到明显地提高。

    当进水水质发生突变或较大变化时，可通过专家系统进行判断，并采用不同的模糊控制规则进行控制。

7  结论

    运用模糊PID控制，根据SBR污水处理的特点，以组态王工控软件作为运行平台，建立起一套完善的污水处理系统，能够实现不同DO曲线下的稳定控制，解决了一般控制下的大滞后和数学建模难题，实现了DO的实时优化控制。同时，基于大量实验，通过不同DO曲线对降低能源的效果分析可知，DO值按污泥的生长曲线变化控制，在反应前加大曝气量使之略高出所需要的DO值是最省电的供气方法，其优于现在普遍运用的DO恒值和风机恒频控制方法，缩短了处理时间，减小了电能消耗。由试验数据可知，变值DO控制耗电量是DO恒值控制和恒定曝气量（即不变频或普通风机控制）的85%，实现了以稳定出水水质、降低能源消耗为指标的优化控制。