污水处理加药系统的智能设计与实现

蔡卫 王福斌

1 引言

近年来，我国工业和农业的飞速发展，给自然环境带来的污染日益严重，尤其是水污染已逐渐受到各界人士的关注[1]。我国的污水处理厂大多仍在沿用老式系统[2]，工艺技术低，缺乏系统性，对人工操作的依赖性很大。根据此情况，本文对天津第一污水处理厂水处理过程中的加药系统进行了改进，以实现加药系统的智能控制。

2 加药过程分析

在污水处理过程中，因金属而产生的电化学腐蚀难以避免。这不但导致了水路管道的损坏，还会损坏相关的设备。因此必须重视金属的电化学腐蚀。系统的供水，需要在低氧的环境下，且PH值以中性为佳[3]。在水处理中这一环节都是通过加药来实现的。加联胺可以除去污水中的CO2和O2，加氨可以提高PH值，一般PH值调节至8.8-9.3为宜。

测量污水的PH值一般在给水泵之后展开，氨的加入点则在给水泵之前、除氧器之后。系统首先在给水泵之后采取样本，测定PH值后再根据PH值的大小确定所加药的用量，之后再用变频器改变加药泵的频率，进一步控制加药量。

3 自动加药控制系统的实现

测量装置有联胺仪和PH表，分别可以测量给水的PH值與联胺含量。执行机构有联胺泵和加氨泵，能够按照具体的控制需求对系统内的水展开联胺、加氨处理。通过上述分析能够发现：加药控制系统具有非线性和时滞性。

常规PID控制通常用作线性不变系统，假如PID参数一定，在系统参数发生改变后PID难以及时调整，这些都会对控制质量有影响，因此必须对现有的控制方式进行改变。

给水的加药往往通过人工来实现。工人们不断积累经验，并对加药过程详细了解和学习，已可以灵活处理加药时的各种问题。对智能控制器的设定不但应当要应对好一般的稳定跟踪控制问题，更要让其在特殊情况发生后得以自主的进行调整。

模糊控制，把过往的实践经验转换为控制规则，可以有效地运用人们在实践中得到的经验与知识。神经网络的自学能力、适应性和容错性都很优越。对非线性时变系统的调节作用表现良好。在本系统中，模糊控制与神经网络控制互相综合起来，更加有效地完成了对加药系统的调节。

3.1 模糊控制

模糊集理论是由Zadeh教授在1965年创立，而第一个模糊控制器则是在1974年由Mamdani教授在实践得以投入使用，在此之后，模糊控制技术的应用范围变得越来越广，在当下早已成为智能控制过程当中的不可或缺的组成成分。

模糊控制主要用于具有极强的非线性、数学模型难以建立且控制对象复杂可变的系统中，它以模糊集合论作为数学基础，模糊控制器的设计方法依赖于操作者的经验，这与传统控制器依赖于系统行为参数有所不同。模糊控制系统性能的优化一般是通过改变模糊规则来实现，亦即工作人员在实际操作中积累的经验。

模糊控制系统如图1。

模糊控制的作用在于把专家在实际工作中得到的经验落实到控制工作中，但对于整个控制系统，以往的经验并非一定正确，也可能会在应用中出现错误。而且模糊控制不具备自主学习的功能，无法自行适应系统的控制。因此模糊控制本身是有欠缺的。

3.2 模糊神经网络

神经网络不仅有自学习功能，而且也具备容错性和自适应能力强的优点。不仅如此，其也有一些缺点，假如经验内容表现出特定的规则，则神经网络难以把这些内容投入到网络训练中。

所以，笔者最终决定把神经网络和模糊控制两者综合起来，让两个算法互相补充，这种将两种算法——模糊控制和神经网络控制相结合的产物，我们将其称为：模糊神经网络。

3.2.1 模糊神经网络的基本结构

模糊神经网络的结构，一般分为五层：输入层，归一化层，模糊化层，模糊规则层，以及去模糊化层。在模糊神经网络中，模糊化层能够把数据模糊化，并经过归一化层与模糊规则层的运算，最后经过去模糊层对推理所得展开去模糊化处理。其结构如图2所示。

2） 模糊神经网络计算过程

按照图2，从左到右，按照从输入层到输出层的顺序，对模糊神经网络的结构图逐层加以分析。

输入层，其最重要的功能是通过输入层把输入量信息传递给模糊神经网络。网络输入的概念表示为x=[x1，x2，…，xn]，下标n代表输入量的数量。

模糊化层，能够把输入量模糊化处理，利用函数公式把精确量数值转变为模糊量，本系统中采用高斯函数处理输入量的模糊化，再将模糊化后的输入量转移至与之相关的模糊集中。

4 小结

以自动加药系统的非线性、时滞特性为基础对特定的神经网络、控制算法模糊控制展开了论述。综合了模糊控制和神经网络两类算法的优点，得到模糊神经网络，实现了污水处理加药系统的智能控制。

参考文献

[1]2016～2017年度全国电力供需形势分析预测报告（节选）[J].中国电力企业管理，2017，（01）：94-96.

[2]张恩奎.电厂化学水处理的特点及创新应用[J].科技创新与应用，2016，（24）：126.

[3]李立波，张永珍.电厂化学水处理系统的特点与发展趋势分析[J].建筑工程技术与设计，2017（1）.