PID控制系统在废水处理中的应用

肖楠

（深圳市长城楼宇科技有限公司北京分公司，北京 100001）

持续推进的工业化进程使得我国经济蓬勃发展，但也造成了日益严重的环境污染问题，在此背景下，工业废水的处理成为世界各国共同关注的问题。工业废水的处理具有非线性、延迟时间长、工艺复杂、不确定性高等特点。采用常规的PID控制方法以及无法满足不断提升的废水处理控制要求。现阶段，我国工业废水处理技术已经达到甚至部分超越欧美发达国家的技术水平，然而在废水处理智能控制方面仍然存在很多不足。因此，积极研究和运用先进的自动控制理论和方法对于提高工业废水处理效率，减少环境污染，促进我国工业可持续发展来说意义重大，本次研究以煤制甲醇工业化生产废水处理为研究对象，探讨基于PID控制理念和算法的废水处理系统的软硬件设计，采用模糊PID控制算法实现废水中溶解氧浓度的自动监控，以有效提高废水处理效果。

1 废水处理控制系统总体设计

本次研究的煤制甲醇废水处理采用分散控制系统（Distributed Control System，DCS）结构如图1所示，系统分为三级，分别是现场级、控制级和管理级。现场级设备主要包括采集、反馈数据的现场设备（如各种传感器、测量仪表）。控制级通常指PLC控制站，用于处理数据，进行自动控制。管理级则负责监控工艺流程，进行技术远程控制，设备主要包括上位机。本次研究的废水处理控制系统现场级包含总变配电分控站和进水泵房控制站，相互配合负责控制曝气沉淀池、接触池、回用池等废水处理设施。

2 系统硬件设计

在深入分析煤制甲醇废水处理工艺流程的基础上，进行硬件选型，主要设备包括三菱FX2N-4DA型PLC、变频器、电磁阀、继电器等，各设备主要作用和特点如下：

（1）PLC。FX2N-4DA型PLC拥有功能强大、类型丰富的指令集，采用一体化设计，抗干扰能力强，因而在工业控制领域中得到广泛应用，在煤制甲醇废水处理控制系统中负责对整个废水处理过程的I/O设备进行配置以及参数化。

（2）变频器。煤制甲醇废水处理控制系统中变频器的作用是控制风机、水泵等设备。当电压超出安全范围时，变频器可通过控制电机转速调节电压，达到节能效果。该系统采用ABB通用机械变频器ACS510系列，具有配置简单、适用于各类负载、环保经济等优点，可有效保障系统的稳定运行。

（3）传感器。传感器主要负责检测废水处理系统的运行参数，如流体的温度、体积、流速等，并将检测的数据转换成电压或电流信号，发送给PLC，PLC进行数据处理后，发送控制指令给现场级控制设备，实现现场控制。

（4）电磁阀。电磁阀是一种电磁执行器件，具有很高的控制精度和灵活性，在工业控制中得到了广泛使用，煤制甲醇废水处理控制系统选用DN32型电磁阀来开闭蒸汽。

（5）继电器。该系统采用JQ1/8HP型继电器控制电路通断，属于常用的电子元件，常与接触器结合形成电气控制电路。

3 控制系统软件设计

3.1 设计思路

在做好硬件配置的基础上设计相应的软件系统，最终实现煤制甲醇工业废水处理的自动化控制。本次研究以溶解氧浓度的控制为例，结合PID控制和模糊控制理论，提出自适应模糊PID控制算法。实践中溶解氧浓度的途径主要是控制曝气设备，将溶解氧浓度稳定在合理范围，通常溶为2mg/L。具体来说，可调节曝气设备的通风量，达到调节氧化沟中溶解氧浓度的目的。曝气设备转速与生化池的氧气量成正比，氧气越多，溶解氧浓度越高，反之，溶解氧浓度越低，而曝气设备的转速由与其相连的电机转速决定。因此，该控制系统的软件设计思路是将现场采集的溶解氧浓度与目标值对比分析，然后，由上位机发送控制命令给PLC，再由PLC向变频器发出控制指令，调整曝气设备的转速，从而实现溶解氧浓度的控制，具体控制目标是将溶解氧浓度控制在1.5～2.5mg/L，并实时监控溶解氧浓度。基于此，本次研究以溶解氧浓度控制为例，设计自适应模糊PID控制算法，提高溶解氧浓度控制的准确性。

3.2 PID控制原理

作为最先用于生产实践的控制器，PID（Proportional Integral Differential）控制器至今依然在工业生产控制中发挥着重要作用。控制器由比例块(P)、积分块(I)和微分块(D)组成，溶解氧浓度的控制原理见图2。

图2 溶解氧浓度的控制原理

控制器的输入e(t)与输出u(t)之间的关系可通过以下公式表示：

式中，KP表示比例系数；TD表示微分时间常数；T1表示积分时间常数。根据公式可知，PID控制基于比例、积分和微分函数和系统误差得到控制量，从而实现控制。以溶解氧浓度控制为例，首先现场检测溶解氧浓度，将测量值y(t)、目标值r(t)的差值e(t)作为控制器输入变量，通过公式（1）计算得到u(t)值，将数值发送给变频器，控制曝气设备的通风量，从而实现溶解氧浓度的控制。

3.3 模糊控制原理

模糊控制主要包括I/O接口、执行器、被监控对象、测量设备等组件。基本原理如图3所示。

图3 模糊控制原理

目标值r(t)与输出值y(t)的差值e(t)经D/A转换后得到模糊控制器能够识别的模糊控制量。模糊规则的计算和组成如下：模糊量数模转换后得到模拟量，方便执行器识别，执行器将模拟量传递给被控对象，实现控制。

3.4 模糊PID控制原理

模糊控制器简易、有效，在工程控制系统设计中常使用二维模糊控制器，将系统误差作为输入量，使其具有与传统PID控制器类似的功能。如果静态稳定性可忽略，则使用模糊控制器就可满足动态特性要求。而传统PID控制器消除稳态误差常用积分控制，动态响应速度慢，如要求动态响应速度快，则需要将PID控制与模糊控制相结合得到自适应模糊PID控制器，有效解决传统PID控制器稳态性能不佳的问题。

3.5 模糊PID控制器设计

不同于传统的PID控制器，模糊PID控制器结合了PID控制器、模糊控制器的优点。本次设计的煤制甲醇废水处理控制系统在选择模糊控制输入量时遵循简单高效的原则，采用2端口输入、3端口输出的模式，其中输入量分别是溶解氧浓度偏差值e、溶解氧浓度偏差值的变化率ec；三个输出量分别是PID控制器的三个参数的变化量ΔKP、ΔKi、ΔKd。根据专家知识和实际经验总结三个输出量与溶解氧浓度偏差之间的关系，基于此，建立模糊控制规则表。出于保障系统运行稳定的考虑，需多次采样得到不同时刻的e和ec的最优值，最后得到相应的模糊控制表。系统启动并运行时，根据溶解氧偏差值调用相应模糊控制表，明确PID控制器3个参数的最佳值，并根据整定参数求得控制量，基于控制量实现溶解氧浓度的高效精准控制，模糊PID控制器原理见图4。

图4 溶解氧浓度模糊PID控制器

得到偏差e和ec的值后，通过模糊规则控制表找到PID控制参数，将参数代入以下公式

其中x=p,i,d，K'x(x=p,i,d)表示PID控制器的给定值，可基于实际工况，运用试凑法确定，将整定后PID参数Kx(x=p,i,d)用于计算控制输出量，从而控制变频器频率，进而控制曝气通风量，最终实现溶解氧浓度的控制。只要可以查询模糊控制表就可以应用模糊控制算法，上位机按照一定的规则将模糊控制表依次存储在组态软件数据库中，可以实时查询模糊控制表得到输出量，高效、快速，其程序流程如图5所示。

图5 溶解氧浓度模糊PID控制程序流程

4 结语

综上所述，PID控制被广泛应用于工业生产自动化控制，其结构简单、鲁棒性和可靠性高。但是，随着工业自动化控制系统复杂程度的不断提升，传统的PID控制器难以高效控制复杂的工业生产过程，尤其存在多变量、强非线性、严重的不确定性的工业废水处理控制系统，由于系统建模难度大，寻找参数最佳值是一个非常困难的问题。对此，本文提出将模糊控制与PID控制相结合以获得更好的参数整定效果，采用模糊PID控制算法实现PID参数整定，提高废水处理控制精度，降低废水处理成本，实现节能。