自校正模糊史密斯控制器在AICS污水處理

論文編號:ZD1171   論文字數:26563,頁數:63

摘  要
 隨著我國經濟的發展和工業化、城鎮化進程的加快，水污染加劇已見端倪，成為我國社會可持續發展的瓶頸，因此改善水環境被污染的狀況，加大水污染治理力度，任重而道遠。AICS(交替式內循環活性污泥)工藝是一種比較先進的污水處理工藝，但AICS工藝運行模式較為復雜，對自動控制系統的要求較高，因此對AICS污水處理工藝的控制問題的研究具有非常重要的意義。
 曝氣池中的溶解氧(DO)濃度作為衡量水質的綜合指標，不僅能夠準確反映水體受有機物污染的程度，而且直接反映鼓風機鼓入空氣量的大小。由于曝氣過程呈現嚴重非線性、時變、滯后等特點，對其進行有效的控制具有一定難度。
 本文以日照市第一污水處理廠的控制系統作為研究背景，在對污水處理曝氣過程的DO濃度控制進行理論分析的基礎上，建立曝氣過程模型，并將模糊自適應PID控制與史密斯預估控制結合起來，設計了一種自校正模糊史密斯控制器，從而更好地適應被控對象的特點，使曝氣過程達到最優狀態。DO自校正模糊史密斯控制器以西門子S7-300 PLC為核心，整個控制系統主要包含PLC、變頻器、鼓風機、DO檢測儀。系統實現了對現場DO的數據采集、自校正模糊史密斯控制算法以及上位機監控等功能。
 仿真結果和實際應用表明，采用自校正模糊史密斯控制器后，控制系統的超調量減小，具有較強的穩定性和抗干擾性，是一種較為理想的智能控制性控制方案。利用自校正模糊史密斯控制算法對變頻器進行控制后，污水處理曝氣過程運行效果良好，具有顯著的節能效果，減少鼓風機的磨損，延長使用壽命，顯著提高了企業的經濟效益與社會效益。
 
 關鍵詞：交替式內循環活性污泥(AICS)，溶解氧(DO)，自校正模糊史密斯，西門子PLC，WinCC
 

Abstract
 With the development of economy and the rapid trend of industrialization and urbanization, the situation of water pollution is more and more serious and becomes the bottleneck of sustainable development. Therefore, it is necessary to deal with water pollution and improve water environment. Although AICS(Alternated Internal Cyclic System) is a kind of advanced technology for sewage treatment, the operation mode of AICS is complex and requires high level automatic control system. Therefore, it is significant to research the controlling technology of AICS.
 The DO (dissolved oxygen) concentration in aeration tank is an standard to judge the quality of water. The DO does not only stand for the degree of water pollution, but also reflect the amount of air from blower. Due to nonlinearity, time-varying and delay of the process of aeration, it is not easy to control DO in the aeration tank.
 Based on the No. 1 sewage treatment plant of Rizhao City, this essay analyses the controlling process of the DO in aeration tank theoretically and builts a model of areation process. In addition, a kind of self-tuning fuzzy Smith controller is designed through integrating self-tuning fuzzy PID control and the Smith predictive control to adapt controlled object and improve the aeration process. Siemens S7-300 PLC is the core of the self-tuning fuzzy Smith controller, which mainly includes PLC, frequency transformer, air blower and DO detector. The system can realize several functions, such as data capture for DO, self-tuning fuzzy Smith controlling algorithm and controlling upper machine.
 The results of simulation and practical application shows that the self-tuning fuzzy Smith controller reduces the overshoot of system, and improves the stability and anti-interference of system. It could be seen as an ideal intelligent controlling scheme. After using the self-tuning fuzzy Smith controller, the areation process works well, reduces energy consumption and friction of air blower and extendes lifetime. Finally, it improves economic benefit and social benefit of the enterprise.

 Key Words: Alternated Internal Cyclic System(AICS), DO, Self-correcting fuzzy Smith, Siemens PLC,  WinCC

目  錄
第一章 緒  論 1
 1.1 課題背景及研究意義 1
 1.2 國內外污水處理工藝及自動控制系統研究現狀 2
 1.3 本文所作的主要工作 3
 1.4 本文的組織結構 4
第二章 污水處理工藝及SIMATIC簡介 5
 2.1 污水處理基本知識 5
2.1.1 污水處理方法 5
2.1.2 污水的常規處理工藝 5
2.1.3 主要水質指標 6
2.1.4 AICS工藝 7
2.1.5 日照市第一污水處理廠工藝 9
2.1.6 溶解氧(DO)在AICS工藝中的作用 10
 2.2 可編程控制器 10
2.2.1 PLC的特點與應用領域 10
2.2.2 SIMATIC S7-300 PLC簡介 12
 2.3 上位機組態軟件 13
2.3.1 組態軟件的選擇 13
2.3.2 WinCC簡介 14
第三章 自校正模糊史密斯控制器設計 16
 3.1 AICS池系統控制分析 16
 3.2 被控對象模型分析 16
3.2.1 生化過程模型分析 17
3.2.2 曝氣仿真模型分析 19
 3.3 控制策略選擇 20
 3.4 MATLAB仿真分析及控制策略比較 24

第四章 基于自校正模糊史密斯控制器的AICS污水處理系統設計與實現 30
 4.1 系統結構 30
 4.2 系統相關硬件及儀表 30
4.2.1 鼓風機 30
4.2.2 溶解氧測定儀 31
4.2.3電磁流量計 32
4.2.4 pH計 33
4.2.5 變頻器 34
 4.3 系統硬件組態 34
4.3.1 STEP 7編程軟件介紹 34
4.3.2 SIMATIC S7-300從站的硬件組態 35
4.3.3 SIMATIC S7-300主站的硬件組態 36
 4.4 溶解氧控制算法的實現 37
4.4.1 S7-SCL編程語言介紹 37
4.4.2 控制算法 38
 4.5 WinCC上位機的組態 45
4.5.1 監控系統的結構 45
4.5.2 監控系統的設計實現 46
 4.6 結論 48
第五章 總結與展望 49
 5.1 工作總結 49
 5.2 展望 49
參考文獻 51
致  謝 54
附錄 55