污水处理论文,酸碱中和论文,pH控制策略论文,专家模糊控制论文

摘要

随着我国工业经济的迅猛发展，大量工业污水随之产生，导致我国水体环境污染问题日益严峻，不仅给人们的生活带来不利影响，也严重制约了经济的可持续发展。污水处理是一个常谈常新的话题，同时也是一个高成本低产出的行业，为达到节能减排、降本增效的目的，企业在污水处理中必须着力于提高污水处理效率，提升污水处理的整体技术水平。十三五阶段，污水处理也已成为企业大力关注和投资的热点。本研究以无机硅生产企业污水处理过程为具体研究对象，对其中的关键工艺进行研究与改造提升，同时针对酸碱中和过程中pH控制存在的技术难点提出相应的解决方案，通过仿真研究与对比分析，进一步验证了优化控制策略的有效性和可靠性。论文主要研究内容具体如下：

（1）对国内外的污水处理现状以及DCS系统在污水处理过程中的应用进行了详细阐述，同时也对污水处理过程中pH控制策略的研究进展加以总结与评述。

（2）对污水处理过程中的关键工艺进行研究与改造提升。针对中和工段酸碱度及酸碱阀需要往复调节与切换控制的问题，提出先粗调后细调的pH调节操作方案，以提高中和过程pH调节的便利性和操作效率；针对pH测量过程具有时滞特性及pH电极维护频繁等问题，进行检测点位置的优化调整，以减小引入系统的纯滞后时间与测量误差，并增强pH检测的稳定性，降低维护成本；针对絮凝沉降工段存在絮凝效果不理想及絮凝终点难以自动判定等问题，提出增设混合器和缓冲罐、加装浊度计等改造方案，以进一步改进混合效果与提升絮凝效率。

（3）以中和工段中的污水收集池为重点研究对象进行实验建模与pH控制策略的仿真研究。针对酸碱中和过程具有大时滞、大惯性、非线性等特性及常规PID控制容易产生超调与振荡等问题，应用阶跃响应法建立污水收集池pH中和过程的非参量模型，经二阶近似和数学计算后求得其用传递函数形式加以描述的动态特性方程。同时，在此基础上提出基于仿人智能的模糊-Smith控制、专家模糊控制等控制策略，结合操作工经验，应用基于MATLAB平台的SIMULINK工具箱对模糊控制器进行设计与仿真研究，并与传统PID控制策略进行性能对比。研究结果表明，带积分作用的模糊-Smith控制的超调量与动态响应速度都要优于常规PID，而专家模糊控制的性能更优于模糊-Smith控制，具有无超调和高动态响应特性，是解决大时滞过程控制的有效方法，适合运用到现有的污水处理过程中。

（4）根据改进的污水处理工艺及其控制要求，设计污水处理中心整个污水处理过程的自动控制方案。同时，在统计整个系统测量控制点的基础上应用浙江中控的ECS-100系统进行系统集成设计，重点开展了DCS硬件的选型和监控组态等工作。为后期的工艺改造提升、控制策略实施和系统调试打下了坚实的基础。

关键词：污水处理，酸碱中和，pH控制策略，专家模糊控制，DCS

目录

摘要I

ABSTRACTIII

目录V

插图清单VIII

附表清单IX

符号说明X

第一章绪论1

1.1选题背景及意义1

1.2国内外研究现状2

1.2.1国内外污水处理研究现状2

1.2.2国内外自控系统研究现状2

1.3DCS系统在污水处理过程中的应用3

1.4pH控制策略研究概况4

1.5污水处理过程中存在的问题及难点4

1.6论文结构5

第二章污水处理工艺及其改造提升6

2.1污水处理概述6

2.2污水处理工艺简介6

2.2.1中和过程6

2.2.2絮凝沉降过程7

2.2.3固液分离过程10

2.3污水处理工艺改造提升11

2.3.1中和过程工艺改造提升11

2.3.2絮凝沉降过程工艺改造提升12

2.4本章小结12

第三章pH控制策略研究及仿真13

3.1pH中和过程概述13

3.1.1pH中和过程特性13

V

3.1.2pH中和过程建模14

3.2常规PID控制18

3.2.1PID参数整定及MATLAB仿真18

3.2.2PID参数优化及效果分析22

3.3模糊-Smith控制24

3.3.1模糊控制原理24

3.3.2模糊控制规则25

3.3.3模糊-Smith控制器设计与仿真26

3.4专家模糊控制33

3.4.1隶属度函数特性33

3.4.2专家模糊控制器设计34

3.4.3专家模糊控制仿真35

3.5结果与讨论36

3.6本章小结38

第四章污水处理过程DCS系统集成设计39

4.1DCS系统简介39

4.1.1DCS系统概述39

4.1.2DCS系统组成39

4.2自动控制方案设计40

4.2.1污水处理过程自动控制方案设计40

4.2.2专家模糊控制器设计43

4.2.3系统框架设计43

4.3DCS系统集成45

4.3.1系统测控点统计45

4.3.2系统硬件配置46

4.3.3系统软件配置46

4.3.4DCS系统组态与实现47

4.4本章小结56

第五章总结与展望57

5.1总结57

5.2展望58

参考文献

1.1选题背景及意义

随着工业经济的迅猛发展，淡水资源消耗增加，造成大量水体污染，加剧了淡水资源的匮乏，对可持续发展战略造成困扰。因此，迫切需要改进污水处理的整体技术水平，提升自动化控制水平显得尤为重要，这对水资源保护和可持续发展方面都有着重要意义。

国家数据显示2017年排污量约400亿立方米，与此同时，污水处理量仅为

排污量的16%。预计到2030年，我国人均水资源拥有量会有现在的人均2200

m³锐减至1700m³左右[1]，降幅达20%之多，水资源形势不容乐观。污水处理问题也成为政府及民间日常关注的热门话题。水资源管理已提升到国家战略高度[2]，2015年4月16日国务院正式发布“水十条”，助推污水处理的提标改造。“水十条”为我国污水治理指明了方向，到2020年，污染严重水体大幅减少；到2030年，力争水生态系统功能得到初步恢复；到本世纪中叶，水生态系统实现良性循环。

随着污水治理相关政策法规的不断完善，民间环保意识的觉醒，污水治理在企业里的受重视程度也随之提高。大部分化工厂相继推进污水治理项目，在厂区设置污水处理中心，DCS系统在污水处理过程中起到了举足轻重的作用。因此，在污水处理过程中采用计算机控制技术具有十分重要的现实和经济意义[3]。

无机硅生产企业在生产过程中容易产生大量污水，若工业废水未经处理就排放会对环境造成恶劣影响，需要对产生的污水加以处理，合理控制排放指标。pH和浊度作为排污控制的两项关键性指标，环保要求外排污水pH控制在6~9之间，浊度控制在30ppm以内，从而降低污水对生态环境的影响。当前，由于pH控制波动较大，使得后期絮凝效果较差，污水处理效率低。为提升污水处理效率，本研究采取工艺改造提升，严格控制pH来提升絮凝效果。同是，对工艺控制系统也提出了更高的要求。

目前，污水处理过程中大多使用常规PID控制策略，由于常规PID控制具有大时滞性、大惯性、非线性等复杂因素，使得控制过程出现药剂消耗大，效率低等现象。针对这一系列问题，本研究基于常规PID控制基础上，仿真研究对比常规PID控制、模糊-Smith控制、专家模糊控制等，选取最优控制策略运用到pH控制过程中，以实现更精准的自动控制。实现环境友好型社会建设的同时获得较好的经济效益。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内外污水处理研究现状

新世纪以来，世界范围内各个经济体工业竞相发展，伴随工业化进程加快的同时，人民生活水平也得到稳步提升。在工业体系中，水资源曾经被认为是取之不尽用之不竭的，肆意消耗水资源，反而在污水治理方面投入的相对较少。使得水资源短缺现象提前出现，并夹杂着一系列民生问题和环境冲突事件，严重制约着经济的可持续发展，以及环境友好型社会建设。

我国污水治理起源于“七五”，“八五”期间开发的高负荷生物膜、高负荷活性活性污泥等相关处理工艺已被广泛运用到具体项目中，到了“九五”科技攻关期，污水处理开发出了成套处理技术，把污水处理推进到一个新的阶段[4]。“十五”期间，国家以三河（淮河、海河、辽河）、三湖（太湖、巢湖、滇池）、一市（北京市）、一海（渤海）的污染防治工作为重点，“十一五”期间，国家将二江（长江、松花江）、一河（黄河）列为全国水污染重点防治工程[5]。“十二五”期间，我国将重点治理劣五类水质河流。“十三五”期间，国家要求以硬措施落实“水十条”任务。受“水十条”拉动，整个“十三五”期间水污染治理市场有望超过2万亿。扣除城镇污水治理市场，农村与工业污水市场有望超过1.5万亿，占比

超过75%。

国际上污水处理出现于二十世纪六十年代，二战后期工业的复苏伴随着大量的工业污染产生，环境污染问题日益加剧，污水治理显得迫在眉睫，排水管网和污水处理厂应运而生。至七十年代末，老牌工业国家耗巨资兴建了超过2.5万座的污水处理厂[6]，这些污水处理厂的相继投用，对当时的水体污染治理起到了关键性作用，并为后期的污水治理提供了丰富的经验价值。进入二十一世纪以来，发达国家在污水治理方面又取得了长足进展，对全球水资源治理做出了卓越贡献。同西方先进国家相比，我国在污水治理过程中受企业意识不强、处理成本高、政府“重经济、轻环保”的理念长期影响，工业污水处理依然存在不全面、不彻底的问题。与发达国家相比，差距依然较大。即使在国内来看，也存在地区差异，东部地区污水处理效率明显优于中西部地区，从全国整体来看，污水实际处理能力还有很大挖掘空间[7]｡截至2016年6月底，全国市县建成污水处理厂3934座，日处理能力达1.69亿吨｡而在欧美等部分发达经济体中,污水处理集中在二级、三级，反观我国，污水处理的落后不仅体现在污水处理厂少上，更关键的是污水处理工艺及自控水平与发达经济体差距大，落后的控制技术满足不了先进的污水处理工艺，进而制约着污水处理效率的整体提升。

1.2.2国内外自控系统研究现状

我国污水处理系统的研究与发达经济体相比起步较晚，尤其是污水处理过程中的自动控制方面，这与我国经济发展相适应。八十年代初期，污水处理基本靠

操作柜和人工劳作，人工设备启停、离线数据采集等，严重制约污水处理发展进程。随着改革开放向纵深推进，污水处理量的急剧攀升，倒闭产业结构调整和企业转型升级。企业环保意识加强，企业逐渐引进国外成套污水处理设备，没有自主研发能力。步入新千年，随着我国工业的发展，经过几十年的前期技术经验积累和我国科研技术工人的不懈努力，使得我国污水处理自控系统得到长足发展。污水处理水平已从完全依赖人工发展到自动控制，从单一过程控制系统发展到复杂控制系统，现已研发出拥有自主知识产权的污水处理控制系统[8]。

伴随计算机技术的进步，对工业自动化水平提升及缩减成本方面都有很大促进作用。目前，模拟机和人工仿真系统已经成为自动控制方面学术研究以及工厂生产开发不可或缺的一部分，越来越受到重视。现今，计算机控制系统按基础结构来分，大概分以下层次：直接数字控制系统（DDC-DirectdigitalControlSystem）、监督控制系统（SCC-SupervisoryComputerControlSystem）、集散控制系统（DCS-

DistributedControlSystem）及现场总线控制系统（FCS-FieldBusControl）等[9]。其中，DCS在污水处理过程中的应用已成为一种主流趋势，欧美、日本等一

些发达经济体的污水处理厂已经能够通过DCS实现全自动化无人值守控制模式

[10]｡在污水处理过程中设置多台操作站，对整个污水处理过程实行多环闭路控制，

其中包括污水收集，酸碱药剂投入使得达到合乎环保标准的pH范围，无机絮凝剂铝盐调配、投料使水体由乳浊液变为悬浊液，再加入大分子有机絮凝剂使悬浊液继续形成大分子，沉降分层。沉降层采取全自动板框式压滤机得以固液分离。整个控制过程都有DCS独立完成操作并收集现场控制仪表数据，形成图表、曲线、记录下设备动作情况和报警明细，并在线备存一年，方便查阅。在系统出现异常时，每一个自动控制都随时可以切换为人工控制[11]。

1.3DCS系统在污水处理过程中的应用

工业发展推动着人民生活水平的不断提高的同时，水污染问题也随之加深，从而催生出各种污水治理技术｡随着环保标准的提高，对污水处理的工艺流程以及控制水平都提出了更高的要求，污水处理过程的自动化水平直接影响着处理效果，世界各国为此不惜代价，投入巨大的成本为寻求优良高效的污水处理技术而不懈努力。一些发达经济体，比如欧美、日本等在不断探索污水处理新技术、新工艺的基础上还大力投入自动化控制研究，不断地开发出高效、便捷，可靠的控制系统和仪表，整体提高了污水处理的效率[12]。

我国现阶段环保问题突出，已引起政府及民间各方重视，污水治理已提升到国家战略高度。在过去一段时间，我国污水治理相对发展缓慢，自动化控制水平低下，人工投入成本高，污水治理企业积极性差，环控指标也较差，使得环保问题突出。伴随着污水处理负荷的不断增加，工艺流程也越来越复杂，传统的自动

控制方法已不能满足经济发展的需求。为了改善这种不良现状，近年，政府十分重视污水治理产业，国家自然科学基金会划拨专项资金，以资助污水处理自动控制方面研究｡力求我国污水治理水平向高度自动化、高效、高标准处理方向发展，以达到控制精确、便于监控、易管理的高水平[13,14]。为此，DCS以其集中管理，分散控制等的诸多优点在污水处理中备受青睐。DCS是一个以通讯网络为纽带的显示相对集中，控制相对分散的复杂系统。工业实践表明，DCS系统的优良特性是一些传统的集中控制系统无法望其项背的。因此，DCS系统在污水处理过程中担当了越来越重要角色[15]。

经过近些年的发展，DCS技术已广泛运用到我国污水处理行业中[16]，并具备相当高的自动化技术水平和科技含金量。DCS系统的特点是通过中央监控系统内的硬软件对远程污水处理工程进行管理和发布调度命令，远程设备接收到信号后，根据各自独立的自控系统进行系统配置和运营操作[17]。DCS系统还具有分散控制检测，集中管理，监视以及操作的特点[18]，采用DCS系统后可以完成一次表在生产过程中运行数据的在线监测并记录备份[19]，真正做到集中控制分散风险的目的。

1.4pH控制策略研究概况

pH值是污水处理过程中重要的被控参数，pH值控制品质的好坏，往往直接影响到环保排放指标是否达标以及企业的经济效益等。但通常pH控制有以下三大难题：①大时滞性，由于测量点不能充分检测到反应容器的各个角落，且检测点的位置可能反应不充分造成测量值与真实值间存在差异；②非线性性，由于pH值是有负对数定义而来，使得传统控制策略呈现出振幅大的现象；③时变性，主要来自污水中各组分浓度的时变性和扰动[20]。

正是由于pH控制过程中存在的诸多难点，使得pH控制系统有极高的研究价值，多年来，广大科研人员对pH控制策略的研究从未止步，期间涌现出较多优良控制策略并成功运用于工业生产中，但仍有不少问题尚待进一步解决。

新时期人们对污水处理自动控制提出了更高的要求，但又因污水处理过程难以建立精准的模型[21]，故在污水处理过程中引入智能控制，特别是在酸碱中和阶段。优化控制策略，研究人工智能控制与控制理论相结合的控制策略，比如最优控制、神经网络控制、模糊控制[22,23,24]等，来协调工业化进程与环境治理的可调和可持续发展。

1.5污水处理过程中存在的问题及难点

污水处理工艺涉及到的流程长、范围广，常规PID控制在实际运用过程中呈

现出较严重的非线性、大时滞、大惯性等，药剂浪费，控制目的难达标等问题凸显。这成为污水处理的瓶颈。对污水处理领域存在的主要问题及难点归纳如下：

（1）污水处理过程中存在的主要问题。当前主流采用常规PID控制，常规PID控制模式相对成熟，运用简单，投资成本低，技术人员充裕，很容易运用到污水处理过程中。但是，常规PID控制模式大多处于半自动化状态，对技术人员依赖度高，不确定性因素多，对变量的监测及控制较差，污水处理能力受限。

（2）污水处理过程中存在的难点。鉴于污水处理过程存在的主要问题，务必研究相对高效的控制策略，从而提升污水处理能力，以适应工业化大发展带来的污水治理难题。本研究的核心主要集中在污水处理过程工艺改造提升，多种控制策略研究及仿真方面。通过仿真、对比分析，选择最优控制策略对企业污水处理加以改进，寄望达到较好的经济效益和社会效益。

1.6论文结构

第一章：介绍了工业化大发展带来的环境污染问题，亟需对污水进行大规模处理。阐述了论文的研究背景及意义，通过查阅文献，对国内外污水处理现状，DCS在污水处理过程中的应用，污水处理过程中常用的控制策略，以及当前污水处理过程存在的问题做了简单介绍。分析了DCS控制在污水处理过程中存在的瓶颈，确立本研究核心。

第二章：污水处理工艺及其改造提升。本研究结合无机硅生产企业污水处理中心实际情况，对污水处理工艺分工段进行简介；针对当前污水处理负荷重的现象，结合理论知识和工作经验对部分工艺进行改造提升，为后续的控制策略优化提供保障。

第三章：pH控制策略研究及仿真。首先，通过对污水收集池实验模式下获得的阶跃响应曲线求得传递函数。然后，通过仿真研究常规PID，模糊-Smith，专家模糊控制等多种控制策略，对比分析各种控制优劣，选取最优控制策略，下一步运用到污水收集池的pH控制中。

第四章：污水处理过程自控方案设计与DCS系统集成｡DCS系统方案设计，主要包括自动控制方案设计、专家模糊控制器设计、系统框架设计等，DCS系统集成包括测控点统计、系统硬件配置、系统软件配置，I/O组态，流程图制作等。

第五章：对本研究工作进行总结与展望。提出当前研究工作中的不足之处，并对研究中需进一步完善的工作做出展望，并提出自己的看法。

第二章污水处理工艺及其改造提升

2.1污水处理概述

污水处理就是采取各种措施，将污水中包含的气液固形态的各项杂质分离出来，或者将各项杂质分解转化成无害物质，使污水得到净化，变废为宝。污水中的杂质主要有以下几类：按照化学性质可分为有机污染物质和无机污染物质；按照物理性质可分为溶解性污染物质、胶体污染物质、固体悬浮物质以及难溶解性气相物质；按照微生物降解有机物的性能可分为可降解有机物质，难降解有机物质和不降解有机物质[25]。

按照污水中杂质的理化性能，当前污水处理技术主要有以下几种方法：化学法、物理法、物理化学法、生物降解法等。化学处理法是指利用化学反应的方式使污水中的杂质理化性质发生改变，从而除去污水中的溶解物质和胶体物质[26]，常用的方法有酸碱中和；物理法是指运用物理的机械的方法除去污水中的杂质，主要去除粒径大，不溶性物质，包括沉降、板框式压滤机机械过滤等[27,28]方法。物理化学法是利用物理化学除去污水中的溶解物和胶体物质[29]，常用的方法是混凝沉淀法，具有投资少，过程简单，易操作，效率高等优点[30,31,32]。生物降解法是利用微生物的新陈代谢功能[33]，使污水中呈溶解或胶体状的有机物质通过微生物作用转化为无害稳定的物质，达到污水净化的目的[34,35]。

本污水处理中心主要采用的方法有化学法中的酸碱中和，物理化学法中的混凝、沉降，以及物理法中的板框式压滤机机械脱水。

2.2污水处理工艺简介

2.2.1中和过程

本企业的污水主要来自蒸馏过程产生的底料废酸以及碱洗塔的废碱和设备开放水洗过程中产生的废酸和废碱。污水表现出较强的碱性或者酸性，必须经过中和后才能达到环保排放标准。酸碱中和反应的实质为酸性物质在水中电离出的[H⁺]与碱性物质在水中电离出的[OH⁻]结合生成水，在25℃时，当水中[H⁺]=[OH⁻]=1×10⁻⁷mol/L时，溶液呈现中性，达到最优处理标准。因此，中和过程中的终点控制在污水处理过程中显得尤为重要。中和处理过程工艺流程如下图2-1所示。

图2-1中和过程工艺流程框图

                                      Figure2-1．Flowchartofneutralizationprocess

来自蒸馏过程的底料废酸和设备开放或生产过程中排放的废盐酸经管线聚集到废液收集池Z-01中进行预处理，配搅拌电机M-01连续搅拌，由于酸性较强，采取10%氢氧化钠进行加料中和，Z-01日常pH控制值大概在2-3之间。由于废液中还含有较多氧化性物质次氯酸钠，需加入35%的亚硫酸氢钠进行调和。Z-01中未凝酸性气体由负压风机F-01吸入碱洗塔，经喷淋、洗涤后进入湿雾分离器。气液分离后，液相碱性污水经底部排放管线进入废液收集池Z-01回收处理，气相进入20米高的干燥器干燥后放空，放空口安装有HCl监测计。

经过初步处理的污水进入pH调整池Z-02中，其配有连续性搅拌电机M-02以加速药剂混合；Z-02中配有加碱调节阀和加酸调节阀采用常规PID分程控制，pH值控制在6~9之间。

经Z-02处理的污水通过溢流进入到污水收集池Z-03中，厂区设备开放产生的弱碱性污水进入到Z-03中处理。污水收集池中配有搅拌电机M-03，连续运行以加速药剂混合；pH计与加碱调节阀和加酸调节阀采取常规PID分程控制，要求pH值控制在7~9之间，以利于同后期的弱酸性絮凝剂反应；液位计与污水收集泵和污水输送泵采用闭环控制，液位低于40%时启动收集厂区污水，液位高于80%时启动污水输送泵将污水输送到混合池A中，进入絮凝、沉降阶段。

2.2.2絮凝沉降过程

本企业工艺流程复杂，产生的污水固体杂质含量较高，因含有较多亲水性二氧化硅使得污水呈胶体状态，给污水处理带来了一定的难度。为使污水处理达到理想效果，需要在污水处理过程中添加一定量的絮凝剂[36]，使污水中的固体物质得以分离，达到浊度控制指标。

本企业泥水分离过程采用二步法，絮凝剂选用无机絮凝剂和有机絮凝剂复合使用。首先添加无机絮凝剂聚合硅硫酸铝使得污水中胶体杂质由乳浊液变为悬浊液，再在悬浊液污水中添加有机絮凝剂聚丙烯酰胺使得悬浊液得以分层沉降，最终达到污水净化的目的，浊度有效控制在30ppm以内。

（1）絮凝剂配置

聚硅酸盐是一类新型无机高分子絮凝剂，既有聚硅酸的吸附架桥作用又有金属离子的电中和作用，故絮凝效果优于传统的铝系、铁盐系絮凝剂[37]。聚硅酸金属盐类絮凝剂是聚硅酸和金属盐类的复合产物，集合聚硅酸和金属盐类的优点于一体，聚硅酸盐中的金属离子可以延长凝胶时间，进一步提高絮凝效果[38]。目前国内外使用的无机絮凝剂大体分为铝盐系和铁盐系两大类，由于铁盐系相对色度高以及腐蚀排水管道。因此，铝盐系絮凝剂的运用相对更加广泛。本企业采用的是铝盐系聚合硅硫酸铝。聚合硅硫酸铝在聚合过程中逐渐形成链状、网状结构，分子量逐渐增大，架桥能力加强，使得胶体由乳浊液变为悬浊液。然而，聚合硅硫酸铝在储存过程中易自聚合，形成硅胶，从而失去絮凝功效，只能现配现用。

聚丙烯酰胺（PAM）以其具有良好的水溶性、优良的絮凝性能和吸附性能在污水处理过程中得到广泛应用[39]，按照活性集团类型可分为阳离子型、阴离子型、非离子型，其中，阳离子聚丙烯酰胺具有pH值适用范围广、受共存盐影响小、投药量少，絮凝沉降快等特点[40,41]，而在污水处理过程中的应用最为广泛。

①絮凝剂聚合硅硫酸铝配置

聚合硅酸是一种阴离子型高分子絮凝剂，反应机理为：硅酸钠与硫酸反应生成游离态硅酸单体，硅酸单体在溶液中继续缩聚产生聚合硅酸，再将硫酸铝引入到聚合硅酸中形成硅铝复合物（聚合硅硫酸铝）。聚合硅硫酸铝采用的是二步合成法，先用稀硫酸和硅酸钠配置出聚合硅酸，再引入硫酸铝制得聚合硅硫酸铝。

第一步，聚合硅酸配置。聚合硅酸由稀硫酸（20wt%）和硅酸钠按照1.3:1摩尔比配置而成。稀硫酸储罐中的稀硫酸经硫酸供给泵输送进熟化罐中，由流量与控制阀实行闭环控制计量添加；硅酸钠储罐中的硅酸钠由硅酸钠供给泵输送进熟化罐中，由流量计与控制阀实行闭环控制计量添加；配置过程中，控制阀与稀硫酸流量计采用串级控制，先加稀硫酸后加硅酸钠，稀硫酸添加量控制在108L,

硅酸钠添加量控制在120L；流量计判定加料结束后即刻关闭控制阀，加料完成

时，粘度计显示3cp左右；然后启动熟化循环泵将物料充分混合三分钟，而后在

常温下静止熟化60min左右，当粘度计显示10cp时，配料过程结束。聚合硅酸的聚合时间相当重要，直接影响到产物的形态和性能[42]。聚合时间过短则主要以单体和低聚物形式存在的聚合硅酸体积小，虽羟基密度大，聚合硅酸架桥能力强，但架桥范围容易受到限制；若聚合时间过长，虽硅酸聚合力度大、聚合硅酸链长，但羟基密度小、吸附架桥能力减弱[43]。因此，聚合硅酸在配置过程中，不仅要控制好熟化时间，而且在配好后要及时使用[44,45]，以防结团、影响性能。

第二步，聚合硅硫酸铝配置。熟化罐中配置好的聚合硅酸，即刻投放到混合罐中，大概在230L，然后熟化罐中加入10L工业用水，启动循环泵清洗后移进

中；同时打开工业用水控制阀向中注水1200L，而后加入1500L硫酸铝熟化。硫酸铝储罐中的硫酸铝经硫酸铝供给泵投入到混合罐中，由流量计与控制阀实行闭环控制计量添加。配置过程中，搅拌电机以60r/min的速度搅拌30min，然后静止30min，熟化结束后，移进无机絮凝剂储罐中待用。

②絮凝剂聚丙烯酰胺配置

常温下，采用人工投料的方式，将3kg干粉聚丙烯酰胺匀速投进2500L水的有机絮凝剂储罐中，整个配置过程，对投料速度和搅拌速度的控制至关重要，关乎到絮凝剂配置是否合格，投料过快容易形成团块、黏连，搅拌速度则直接影响沉降效果。本工艺过程投料时间控制在15min，搅拌速度控制在120r/min，配置好的絮凝剂留存备用。

(2)絮凝剂添加处理。

污水由污水收集池经泵进入混合池A，聚合硅硫酸铝由无机絮凝剂储罐经无机絮凝剂供给泵移进混合池A。混合池配有的搅拌以60r/min连续运转，使絮凝剂与污水充分混合，初步产生凝胶微团，使得污水由胶体乳浊液变为悬浊液。入口配有加碱控制阀以中和含聚合硅硫酸铝溶液的酸度，混合池中pH监测计与加碱控制阀采用常规PID控制，pH控制在6.5~8.5，以达到环保排放标准。悬浊液污水经溢流口进入混合池中，聚丙烯酰胺溶液由经有机絮凝剂供给泵添加进混合池，并配有搅拌以50r/min连续运转，使有机絮凝剂与污水再次反应，通过架桥、凝胶形成大分子沉降，呈现出较为明显的分层。混合液溢流进沉降池中，沉降池中的上清液经溢流进入外排水收集罐中，沉降池底液经浓缩液收集泵打入浓缩液收集罐，进入下一步物理脱水过程。

2.2.3固液分离过程

经过絮凝沉降的污水含泥量高，体积大，运输处置困难。为节约处理成本，需要对污泥进行脱水处理，机械脱水法被广泛使用[46]。在过滤和分离过程中，压滤机是重要的设备之一，通过形成滤饼将泥水分离。

本企业采用的三菱PLC全自动板框式压滤机，通过滤布将悬浮颗粒从过滤介质表面锁住，而后滤饼不断增厚，实现对含量高于1%悬浮物粒径大于1μm的污泥进行处理，达到除去污水中细微颗粒和超细微颗粒的目的[47]。PLC在压滤机的供料、过滤、压榨、卸饼、滤布清洗等环节实行自动循环控制。

浓缩液储罐底部的浓缩液供给泵与压滤机以及浓缩液收集罐中的液位计采用闭环控制，液位高于70%时，浓缩液供给泵开始给压滤机供料、压滤机启动

进入过滤环节，液位低于20%时，供液泵停止，压滤机进入压榨挤压阶段。过滤的清水经管线排放至外排水收集罐中，滤布清洗阶段的浊水经管线排放至浓缩液收集罐中。过滤、压榨、排水等阶段压滤机的漏液接受器通过限位开关控制是闭合的，以防泥料、污水等滴落到滤饼中，增加固废处置成本，卸饼时需要打开漏液接受器；当压榨结束后，漏液接受器打开，振动器开始工作，由限位开关控制逐一打开滤板，拍打滤布使得滤饼充分剥离；卸饼完成后，漏液接受器关闭，清洗机开始工作，滤板再次逐一打开，由限位开关控制逐一清洗滤布，滤布清洗完成后，滤板收紧，压滤机进入下一循环工作。滤饼经由固废处理厂回收。

外排水收集罐中安装有浊度计，pH计和液位计。液位计、浊度计、pH计与外排泵采用闭环控制。浊度控制在30ppm以内，pH值控制在6.5~8.5之间，当两者都符合控制指标且液位高于60%时自启动外排泵，将水排往污水处理厂；当浊度或者pH值其中有一项不符合指标时，停止外排泵，将水回收进污水收集池Z-03中，循环处理。

2.3污水处理工艺改造提升

2.3.1中和过程工艺改造提升

污水经废液收集池初步处理后进入到pH调整池中，池内配有加酸控制阀和加碱控制阀，pH值控制在6~9之间。在目前采用的常规PID控制过程中，加碱控制阀和加酸控制阀来回切换频繁，甚至出现加碱和加酸阀同时开启的状况｡使得药剂浪费大，污水处理效率低。为解决这一生产性难题，结合理论知识和现场工作经验，在此对工艺进行以下三点改造提升。

（1）提升控制目标值，采取单向调节

由于后续污水收集池的pH控制呈弱碱性，因此将pH调整池的pH控制值由6-9调整为7~9，允许其超过9。这样Z-02池仅需加碱，采取单向控制。pH调整池的pH设定值由7.5改为8，当pH接近8时，加碱控制阀快速响应，这样能够节约经济成本的同时提升污水处理效率。

污水收集池内的pH控制采用同样的单向调节思路。为满足后期工艺需求，更好地与酸性絮凝剂反应并达到良好的絮凝效果，需将污水收集池原有的控制目标范围进一步缩小，即由7~9缩小到7.8~8.2之间。随着pH调整池工艺的改造提升，污水收集池原液总体呈现碱性。在此，去掉加碱控制阀，仅采取单向加酸回调。这样不仅节省了加碱阀且节省了酸碱药剂的使用。但是，由于超调量只有

±0.2pH，且采取单向调节，这对控制系统的控制精度提出了更高的要求，常规PID难以胜任，需探索更优的策略来满足工控需求。

（2）pH计安装位置调整

当前pH调整池的pH计安装在池中1.5米深处，生产过程中经常发现pH测量值与池面液体经pH试纸测量后呈现较大差异，造成这种现象的原因是多方面的。一方面是酸碱混合不均出现分层；二是pH探头脏污，测量滞后；三是测量点pH不够稳定。为有效解决这一问题，考虑将pH的安装位置调整到近溢流口

0.3米深处，这样既能缓解溶液混合不均带来的假值问题又能改善pH探头使用工况。优化后的pH安装位置如下图2-4所示。

图2-4pH安装位置优化图

                                  Figure2-4．OptimizationoftheInstallationofpHsensor

（3）增加停留时间

目前，污水收集池内污水直接进入絮凝池，絮凝效果时好时坏，难以把控。为解决这一难题，考虑在污水收集池后增加一个污水收集罐以加大停留时间，将大颗粒固废沉降下来，由罐底阀定期直排。这样不仅节省了后期絮凝剂的使用而且减轻了混合池、沉降池的清理工作。

2.3.2絮凝沉降过程工艺改造提升

（1）增加预处理混合器

目前的絮凝过程，污水和无机絮凝剂聚合硅硫酸铝分别直接进入到混合池中经搅拌絮凝，絮凝效果有时较差。考虑到混合是否充分的问题，在进入絮凝池前加装混合器，以期望污水和无机絮凝剂聚合硅硫酸铝能够在进入絮凝池前进行初步混合，加强混合。由于处理量较大，考虑采用列管式混合器，这样既能增加处理效率又能减少沉降带来的设备维护。

（2）混合池加装浊度计

目前的絮凝效果靠人工控制，絮凝效果好时，絮凝剂流量减小；絮凝效果差时，加大絮凝剂流量。工人劳动强度大且污水处理效率低。在此，考虑引入浊度计，浊度计与絮凝剂加液控制阀采取闭环控制，浊度数值设定在1500ppm左右，絮凝剂自动添加。这样既保证了絮凝效果，又能提升污水处理效率。

2.4本章小结

污水处理过程较为冗杂，本章节介绍了污水处理各工段的工艺流程。因pH和浊度是污水处理过程的关键性指标，本章节对酸碱中和过程和絮凝沉降过程进行了详细介绍。由于实际生产过程中，污水处理负荷较重，为解决这些难题，结合理论知识和长期的工作经验总结，对中和工段和絮凝工段的部分工艺进行了改造提升处理。

在整个污水处理过程中，pH控制较多。针对pH调整池和污水收集池的pH控制经常出现反复调节，超调量大，时滞性大，非线性等。对污水处理过程的工艺参数和工控特性进行了详细分析，并通过工艺改造提升和控制参数改进的方式，对污水处理过程进行了改进。污水收集池工艺改造提升后，极大地提升了控制系统的难度，常规PID效果较差。为此，需要为进一步探讨pH控制策略，来满足工控需求。

第三章pH控制策略研究及仿真

3.1pH中和过程概述

在污水处理过程中，往往需求有一定酸度或碱度的溶液参加化学反应。本章节针对pH控制策略进行重点研究，通过计算机仿真，选择最优控制策略，解决pH控制难题。

本企业污水处理过程的污水主要为工艺蒸馏过程的塔底废料和设备开放清洗过程排放的盐酸，以及碱洗塔产生的废碱和设备开放清洗过程中排放的废碱。污水处理的中和剂为10wt%的氢氧化钠和18wt%的盐酸。

对于化学溶液的酸度和碱度，通常可用氢离子浓度来表示。由于氢离子浓度的绝对值很小，为了方便实用，就用pH值来表示氢离子浓度。pH值定义为以当量浓度（单位：mol/L）表示的氢离子浓度的负对数：pH=-lgH。因此，当溶液pH值改变±1，就相当于氢离子浓度改变了10倍。

3.1.1pH中和过程特性

中和反应的实质为酸性物质在水中解离出的H与碱性物质在水中解离出的OH结合生成水。当水中的氢离子和氢氧根离子浓度相等时，即为中和点

（pH=7）,考虑到污水处理中，中和过程反应为氢氧化钠NaOH和盐酸HCl的中

和问题。发生的化学反应如下：

HClNaOHH2ONaCl

(3-1)

设总反应容积为V，由于酸和碱完全解离，所以氯离子的浓度为xAmA/V；而钠离子浓度为xBmB/V（xA、xB同时为中和反应前的氢离子与氢氧根离子浓度）。由于正负离子相等，所以可得：

xAOHxBH(3-2)

由于水中仅有一小部分水分子离解为离子，水的摩尔浓度常数有下式表示：

KwHOH(3-3)

结合（3-2,3-3）得到：

xxBxAOHH

由此可求解得到：

Kw

H

H10pH1410pH

(3-4)

13

H

进而推导出：



xOH

2

x

2

x

(3-5)

pHfxlg

(3-6)

2

pH中和过程也是酸碱发生反应的过程。所谓酸碱滴定，指随着中和剂的加入，溶液的pH值发生响应的变化，变化的pH值可用式（3-6）来表示。函数f随x的变化曲线称为滴定曲线，在中和反应过程中，它是一条典型的非线性曲线[48]。

图中横坐标为浓度差，纵坐标为pH值，函数f的导数为：

f'x

lge

lge

HOH

lge

10pH10pH14

(3-7)

该导数在pH=7时达到最大值，即f'=2.2106。对于较大的和较小的pH

值，该导数将急剧下降。当pH=4或者10时，f'=4.3103。因此，对象增益可

能变化几个数量级。由pH滴定曲线可知，中和过程具有非常严重的非线性性，从而给控制系统的设计带来了困难。

3.1.2pH中和过程建模

目前，针对污水处理中pH控制不稳定的情况，采取先粗调再细调的方式。污水处理过程的污水收集池为第三个pH中和池，控制精度高，具有很强的代表性，若污水收集池的pH控制的好，对后续絮凝沉降及整个污水处理系统效果的改善较为明显。因此，本研究以污水收集池Z-03为被控对象，结合当前实际工艺，以此来深入分析pH中和过程的动态特性。污水收集池的污水来源主要有以下两个方面：①pH调整池溢流进入，pH调整池Z-02的污水日常控制在6~9之

间；②设备开放废碱排入，不定期排放，呈弱碱性。中和过程中加入的中和剂为18wt%的盐酸和10wt%的烧碱。控制目标值为7~9，pH设定值为8，以尽可能满足后期絮凝沉降工艺条件｡pH中和过程的系统模型正视图，如下图3-2所示。

（1）传递函数求取

阶跃响应法建模求取传递函数在实际运用中较为广泛,其方法是获取系统的阶跃响应。在污水收集池的pH处于稳态时，人为产生一个较大的干扰信号，从而获取阶跃响应。把氢氧化钠的控制阀调为手动，由(AUTO)25%开度转为(MAN)

45%开度，DCS数据采集系统同时记录输入和输出的变化曲线，运行一段时间

后，当pH达到新的稳态时，系统得到的曲线就是过程阶跃响应。由于生产实际需求，不允许长期处于实验状态，当阶跃响应曲线得到后，快速将控制阀由（MAN）转为（AUTO）状态。半小时后，在DCS趋势图中查看此次实验过程所得到历史趋势，如下图3-4所示。

根据曲线的形状，可得出近似于二阶加纯滞后过程｡二阶过程的阶跃响应曲线，其传递函数可表示为：

G(s)

K

(T1s1)(T2s1)

es

(3-8)

对pH实验过程中获得的数据进行整理。在阶跃响应曲线上取点t1，t2，其

中，y(t)tt

0.4y()；y(t)tt

0.8y()。结合图中坐标，由二阶过程阶跃响应曲

线可得出纯滞后时间τ=26s，t1=8s，t2=20s，ΔpH=1.8。由DCS历史数据查得，实验过程中控制阀开度由25%调整为45%时，流量上升了0.6l/s。根据上述数据可得K、T1、T2。然后，利用下面的近似公式[49]，计算T1、T2，放大系数K。

TT

t1t2

(3-9)

122.16

T1T2

(TT)2

1.74t10.55

t

(3-10)

122

KpH

F

对于（3-8）所示的二阶过程，有0.32t1

(3-11)

0.46。据上述数据t1=0.4，因此

＜＜

t2t2

属于二阶过程[49]。结合（3-9）、（3-10）、（3-11），求得K=3、T1=2.29、T2=10.67，因污水收集池流通面积比pH调整池流通面积大，另一组T1>T2的解舍去。将所得参数代入（3-8）得到如下传递函数：

G(s)

3

(2.29s1)(10.67s1)

e26s

(3-12)

一般认为滞后时间与过程的时间常数之比大于0.5，则该过程具有大时滞性，会相对较难控制[50]。显然，污水收集池的pH控制属于大时滞过程。

（2）动态模型特点分析

污水处理过程中所涉及的被控对象所进行的过程几乎都离不开物质或者能量的流动，只有流入量与流出量保持平衡时被控对象才会处于稳定的平衡工况。在现实工艺过程中，多数属于慢过程，即被控量的变化十分缓慢，具有较大时滞性，此外，被控对象往往有纯滞后。过程控制对象大多具有以下特点：

①对象的动态特性是非振荡的

对象的阶跃响应曲线通常是单调曲线，被控量变化较缓慢，工业过程对象的幅频特性和相频特性随着频率的增高都向下倾斜。

②对象动态特性有延迟

由于纯延迟的存在，调节阀的动作效果往往需要经过一段的时滞后才会在被控量上呈现出来。延迟主要来源于容积，容积越大数目越多延迟时间也会越长。有时还与物料接触时间有关，接触时间越长，延迟也会越长。

17

③被控对象具有非线性特性

实际上，几乎所有被控对象的动态特性都具有非线性特性，如调节阀、继电器等元件的饱和、死区和滞环等典型的非线性特性。虽然这些非线性特性通常不是被控对象本身所固有的，但考虑到在过程控制中，往往把被控对象、调节阀和测量变送单元三部分串联在一起统称为广义对象，因而它包含了这部分非线性特性。对于这种非线性特性，在控制精度要求不是特别高或者负荷变化不大的情况下，可用线性化方法进行处理。

通过上述发现，无论是滴定曲线，还是操作变量（氢氧化钠流量）对被控对象（污水收集池的pH值）的动态阶跃响应，都从不同侧面反映了pH中和过程严重的非线性性。同时，因pH变送器也会存在滞后，使得pH的控制系统要比其他温度、液位、压力、流量等参数的控制系统要复杂的多。

当今的自动控制技术绝大部分基于反馈概念｡反馈包括三个基本要素：测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠正和调节控制系统的响应。在工业过程飞速发展的今天，PID控制在工业控制中依旧占据较大比例。然而，随着控制理论和技术的进步，以及工业进程对控制过程精细化要求的提高，单纯PID控制已难以满足工业控制需求。为此，许多以PID控制为基础的高级控制得以发展，并且投入到工业过程控制中。

针对污水处理过程pH的这些特点，如果只通过传统的PID控制，很难达到理想的效果。本研究接下来以（3-12）式的传递函数为模型，对常规PID控制、模糊-Smith控制、专家模糊控制策略进行研究及仿真，以寻求较优控制策略，运用到污水收集池的pH细调过程控制中，甚至为后期技改提供理论支撑。

3.2常规PID控制

PID控制因具有以下诸多优点在工业过程控制中运用广泛：①控制原理简单，使用方便，PID参数可以根据过程动态特性及时调整；②应用范围广，虽然很多工业过程较为复杂，但经过适当简化，就可以进行PID控制；③鲁棒性强，即PID控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。使得PID控制规律仍是最普遍的控制规律，从而也得到了最为广泛的应用。但PID控制也有其固有的缺点，即在非线性、时变性、时滞性大的场合使用效果不太好。

3.2.1PID参数整定及MATLAB仿真

PID参数的整定对整个控制系统设计起到关键性的作用，本研究采用Ziegler-Nichols法来整定PID参数。截取上文pH实验过程历史曲线，用一阶对象近似，并用作图法求取τ、T值，

从上图可以看出，PID控制时达到稳态的时间依旧较长，难以满足工艺改造提升后的控制需求。

3.2.2PID参数优化及效果分析

由上图3-9,图3-10,图3-11综合对比来看,P控制器时的稳态值与目标值8相差甚远，无法达到设定值；PI控制器和PID控制器由于比例作用较弱，达到稳态时间超出生产承受范围。为此，根据PID参数整定经验，先比例、次积分、后微分的原则来对P控制器、PI控制器和PID控制器分别进行参数优化。

（1）P控制器参数优化

根据Ziegler-Nichols整定法结果，在MATLAB-Simulink环境下搭建PID仿真模型，断开积分线和微分线，逐渐加强比例作用，将比例作用分别置为Kp=0.12、Kp=0.24、Kp=0.36得到P控制器参数优化的过渡过程曲线，

4。

（2）PI控制器参数优化

根据P控制器时的参数优化结果，结合Ziegler-Nichols法整定经验，将KP置为0.216，依次将积分作用置为Ti=93.24、Ti=18、Ti=14得到PI控制器参数优化的过渡过程曲线，如下图3-13所示。r

由上图可知，当Ti=18时，过渡过程曲线较为理想，至此Ti整定值定为18。

（3）PID控制器参数优化

根据PI控制器时的参数优化结果，结合Ziegler-Nichols法整定经验，将KP置为0.288，Ti置为18。然后，依次将微分作用置为Td=14、Td=8、Td=5得到PID控制器参数优化的过渡过程曲线，如下图3-14所示。

由上图可知，当Td=8时，过程过渡曲线较为理想，至此Td整定值定为8。结合上述仿真结果可知，PID控制器的参数整定为Kp=0.288、Ti=18、Td=8

时较为理想。综上所述，对于pH控制系统，单纯依靠比例控制器进行调节，系统最终无法达到目标值；依靠比例加积分控制器，系统能达到目标值，但振荡较

厉害；依靠比例加积分加微分控制器，虽然响应加快，但超调量大，较难满足工艺改造提升后的控制需求。因此，需要进一步改进控制策略。

3.3模糊-Smith控制

3.3.1模糊控制原理

经典控制理论对于解决单输入单输出系统的控制问题是很有效的，基于状态变量描述的现代控制理论能够有效解决线性多输入多输出系统的控制问题。他们都需要精确的数学模型，然后根据数学模型和给定的指标进行控制系统的设计。然而，在许多生产实际场合，许多被控对象和过程变量存在不同的时变性，且具有非线性特点，很难对其进行精确建模，此时，无论经典控制理论或现代控制理论的控制效果都大打折扣。但是，对于熟练工人进行手动操控却能很好的解决这一难题。因此，科技工作者着手研究对于无法构造数学模型的对象引入计算机，让其模拟人的思维方式进行控制，将操作工的经验总结成一系列控制规则｡然后，运用程序来实现这些规则，在描述控制规则的条件词语中用一些“较大”，“较小”，“偏高”，“偏低”等一些模糊词汇，然后用模糊集合来描述这些模糊条件语句组成模糊控制器。模糊控制相较传统控制有一系列优点，主要有以下四点[51]：

（1）使用语言方法控制，不需要建立精准数学模型；

（2）对于普通操作工而言，模糊控制易学易控；

（3）操作员易于通过人机交互参与到过程控制中；

（4）模糊控制过程动态响应优于常规PID，过程参数变化有较强的适应性。模糊集合由隶属度函数表征，由于大多数模糊集合都是由实轴R所构成的

论域X，因此，一般用数学公式来表达，常用的隶属度函数有三角形MF和高斯型MF[52]。

①三角形MF



0

xa

triangle(x,a,b,c)

ax,xc

②高斯型MF

ba

cx

cb

axb

axb

1(xc)2

(3-16)

由两个参数c,来表示，triangle(x,a,b,c)e2

MF的中心，决定MF的宽度。

，＞0。其中c表示

模糊控制是基于被控对象的物理特性，以模糊条件语句描述的语言控制规则为基础，模拟人的思维方式和人的控制经验的一种智能控制，

针对污水收集池的pH控制，在此讨论单回路控制，控制目标是控制系统的输出且是稳定的pH给定值。

（1）预处理：主要对输入量的实际检测值进行预处理，为模糊化做准备；

（2）模糊化：将输入的清晰数据转换为模糊语言变量值；

（3）知识库：包含应用领域的知识和控制目标，由数据库和控制规则库组成。数据库通过定义语言变量的隶属函数、比例等来确定模糊控制器的控制规则和数据操作。规则库表征控制目标和论域专家的控制策略，由一系列的控制语言和控制规则构成；

（4）推理机：推理过程基于模糊模逻辑中的蕴涵关系及其推理规则来实现，是模糊控制器的核心，工作机理是以已知的规则库和输入变量为依据基于模糊变换推出新的模糊命题作为结论，主要包括三个部分：大前提、小前提、结论。

（5）解模糊：将模糊量转化为表示在论域范围内的精确量，最常用的方法为加权平均法。

（6）后处理：将输出的控制量进行标度转换，转为实际的控制量。

3.3.2模糊控制规则

模糊控制的核心是模糊控制规则的获取，一般包含以下三个方面：确定描述输入输出变量的词集，定义模糊变量的模糊子集，建立模糊控制器的控制规则。

模糊控制器的控制规则由一组模糊语句表彰。在条件语句中描述输入输出变量状态的一些词集用来描述模糊控制器的输入输出变量的状态。

描述输入、输出变量的词汇特性都具有模糊特性，可用模糊集合来表示。定义的模糊子集是为确定模糊子集隶属函数曲线的形状，然后将其离散化，从而得到有限点上的隶属度，进而构成模糊变量的模糊子集。有以下几点需特别注意：

（1）在选择模糊变量的模糊子集隶属函数时，一般在误差较大的区域采用低分辨率的模糊子集，在误差较小的区域采用高分辨率的模糊子集。因为隶属函数

较陡的模糊子集分辨率也相对较高，控制灵敏度高；隶属函数较平稳的模糊子集控制灵敏度相对稳定性要好；

（2）定义模糊子集时要尽可能考虑到对论域的覆盖程序，应使论域的任一点对模糊集合的隶属度的最大值要适中，语言变量的全部模糊集合所包含的非零隶属度对应的论域元素个数，应当是模糊集合总数的三倍；

（3）模糊集合影响程度由任意两个模糊集合交集中的最大隶属度的最大值β

来衡量，通常β值在0.4-0.7之间时，鲁棒性好。

通常模糊控制规则的确定有以下几种方法可以借鉴[53]：

①根据专家经验或控制工程知识生成控制规则；

②基于现场操作工的实际操作过程生成规则；

③基于过程的模糊模型生成控制规则；

④基于学习的方法生成控制规则。

模糊控制的本质属于PD控制器，少了积分环节，从而无法消除系统的稳态误差，但引入积分又会导致系统稳定性下降，甚至产生振荡或发散。

3.3.3模糊-Smith控制器设计与仿真

（1）模糊-Smith控制器设计

模糊-Smith控制可将时滞环节引到闭环之外，对解决大时滞问题成效很好。为了削弱对于对象参数的精确性要求，提高时变、大时滞系统的鲁棒性能，采用Smith控制与模糊控制相结合的方式，从而对纯滞后系统有较好的补偿作用，又有较强的适应性。

由于被控变量的偏差e和偏差率ec可完整地表达大滞后系统的动态特性，故

选择E,EC作为模糊控制器的输入，U作为输出。首先，将e和ec的基本论域分别通过量化因子将其量化为[-n，+n]的离散论域，其中n为量化等级，n的取值较为关键，n过小会导致控制精度下降，n过大会使得控制过于繁琐。

（2）模糊控制规则确定

在pH控制过程中，模糊规则是模糊控制器的核心。当实际值与设定值偏差较大时，选择控制量以尽快消除偏差，即中和剂阀门快速响应，使pH尽快向目标值靠拢，而当偏差较小时，选择精细控制以防出现超调。

根据操作工的工作经验，总结如下pH控制规律：①如果pH正好在目标值8，则加酸阀的开度不作调整；②如果pH与目标值8偏低，则快速减小加酸阀的开度；③如果pH与目标值8偏高，则快速增大加酸阀的开度；④如果pH正好在目标值8，但pH的偏差在向pH大于8的方向变化，则缓慢增大加酸阀的开度；⑤如果pH正好在目标值8，但pH的偏差在向pH小于8的方向变化，则逐渐减小加酸阀的开度。

（3）模糊-Smith控制器仿真

模糊控制器相较于常规PID有很多优点，但其本质上属于PD控制器，无法输入输出变量的编辑，包括取值范围、显示范围、覆盖取值范围模糊子集的个数及分布、隶属函数类型等。首先，将pH变量设为[7.59]，因Z-03池原液在7.5~9；其次，逐一单击各条隶属函数曲线，分别把他们的名称自左向右改为“high”、

图3-25嵌入画面

Figure3-25．Graphofembed

③带积分的模糊-Smith系统仿真

在MATLAB环境中，用Simulink仿真工具箱对带积分作用的模糊-Smith控制器进行图形化建模与仿真。仿真时，假定Smith预估模型与被控对象模型完全匹配。量化因子Ke、Kec和比例因子Ku对模糊控制器性能的影响很大。为确定这三个参数，需进行反复的仿真来确定｡三个参数确定的一般原则为：当系统偏差较大时，需加快动态过程，Kec取较小值以降低对偏差变化率的分辨率，Ke和Ku取较大值，以保证系统的快调和稳定；当系统偏差较小时，以减小系统的稳态误差和超调为目的；此时，Kec取较大值以提高对偏差变化率的分辨率，Ke和Ku取较小值，来避免超调，使系统尽快进入稳态。采样周期设定为1s，经反复整定，模糊-Smith控制器的参数为：Ke=0.2，Kec=2，Ku=0.1时，系统控制较为理想。选取上文（3-12）传递函数，按照设计搭建仿真模型。带积分作用的模糊-Smith控制器Simulink仿真模型如下图3-26所示。

图3-26带积分作用的模糊-Smith控制器Simulink仿真模型

Figure3-26．Modelofsimulinksimulationfuzzy-smithcontrollerwithintegralaction

带积分的模糊-Smith控制器对于一般性的控制过程具有良好的效果，但也会受到大时滞的限制。MATLAB仿真的过渡过程曲线如下图3-27所示。

Figure3-27．Transitionprocesscurveduringoffuzzy-smithcontrollerwithintegralaction

在仿真的过程中，量化因子和比例因子需要经过多次反复调整，才能得到相对理想的过渡过程曲线，但达到稳态的时间依旧较长。因此，需要寻得更加理想的控制策略。

3.4专家模糊控制

与传统专家系统[55]不同的是，专家模糊系统全部采用模糊集、模糊数和模糊关系来表达与处理知识的非精确性，即输入给系统的是一些模糊数或离散型的模糊集，输出的可能是一个模糊集[56]。将量化因子和比例因子引入专家控制，得到参数自整定专家系统，从而使控制更加精准。

3.4.1隶属度函数特性

隶属度函数在仿人工智能模糊控制系统中的作用是先将普通的清晰量转化为模糊量，以便进行模糊运算和推理，后又将模糊推理的结果通过隶属度函数转化为普通的清晰量，从而达到控制目的。隶属度函数的曲线形状对控制系统的稳定性影响较大，因此，在选择模糊变量的模糊集的隶属度函数时，一般在误差较大区域采用低分辨率模糊集进行快调，在偏差较小区域采用高分辨模糊集进行慢调精调。

量化因子Ke、Kec和比例因子Ku极大地影响着模糊控制器的性能，调整这三个参数是改善模糊控制器品质的重要手段[57]。通常，Ke对系统稳定性的影响为Ke大超调量大，调节时间长，Ke值小系统滞后性增强；Kec大系统的稳定性则大，Kec小则容易出现超调和振荡；Ku大则响应快、超调大，甚至出现发散，Ku小则调节时间长。综上Ke、Kec、Ku互为牵制，只有他们互相匹配，形成协调效应，才能使控制相对稳定。

3.4.2专家模糊控制器设计

对于大滞后系统，若定量量化因子和比例因子会使得模糊控制器调节效果不够理想｡为此，引入人工智能方式对量化因子和比例因子进行在线实时自行调整。根据专家经验，通过在线学习和直觉推理，实时地得到Ke、Kec和Ku值，从而对被控对象进行更精准的控制。

根据上文提到的量化因子和比例因子的特性，在控制过程中介入人的思维，最大限度地识别和利用控制系统动态过程所提供的信息。具体做法是分析和识别系统的输出状态，“实时、独立地”对Ke、Kec、Ku进行在线动态调整。为了分析方便和制定较优的控制策略，在此将典型的二阶系统阶跃响应曲线划分为几个不同的阶段[58]，如下图3-28所示。

Ⅰ段：系统由静态到动态再到稳态转变的关键阶段｡为获得较好的控制特性，此阶段应采用变参数控制，在输出时，增大Ke和Ku以加强控制作用效果，使系统快速响应。当系统输出接近稳态误差ε时，加大量化因子Kec，同时减小Ke和Ku，使系统超调量减小。

Ⅱ段：系统输出已出现超调，向误差增大方向变化。此时应压低超调量，即增大Kec和Ku，减小Ke，使系统输出尽快回到稳态。

Ⅲ段：误差开始减小，输出呈现稳态变化趋势，此时Ke、Kec和Ku都应适当减小，以避免回调增大。

Ⅳ段：系统输出量减少，误差反向变化，此时应适当增大Ke，减小Ku使输出尽快稳定在设定值附近。

Ⅴ段：系统误差呈现逐渐减小的态势，为尽快稳定，控制作用需要减弱，否则会出现超调。

根据上述分析和总结，得出以下在线自调整量化因子和比例因子的条件语句。

1、IFe>0ANDec<0ANDe>εTHEN[A=Ke，B=0,C=Ku]

2、IFe>0ANDec<0ANDe<εTHEN[A=-Ke，B=Kec,C=-Ku3、IFe<0ANDec<0THEN[A=-Ke，B=Kec,C=Ku]

4、IFe<0ANDec>0THEN[A=-Ke，B=-Kec,C=-Ku]

5、IFe>0ANDec>0THEN[A=Ke，B=0,C=-Ku]

6、IFe>0ANDec<0THEN[A=0，B=0,C=-Ku]

上述e、ec分别表示当前时刻的偏差和偏差变化率，A、B、C分别为量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的动态修正因子，Ke、Kec、Ku分别为Ke、Kec和Ku的最小增量，其大小根据实际需求选取，设计时选好最小值和最大值。

假定Ke(n)和Ke(n1)，Kec(n)和Kec(n1)，Ku(n)和Ku(n1)分别为当前时刻和上一时刻的量化因子和比例因子，则可参考下列参数修正方法。

Ke(n)Ke(n1)A，

Kec(n)Kec(n1)B，

Ku(n)Ku(n1)C

该修正法能实时矫正修正因子，以调整不同阶段的输出特性，

然后，用M文件编写参数自调整的仿真程序，采样周期设为1s，模糊-Smith控制器的参数设置为：Ke=0.2，Kec=2，Ku=0.1时，将FIS与Simulink连接。采用上文（3-12）式中的传递函数，搭建专家模糊控制仿真模型，

仿真结果表明，模糊-Smith控制的超调量与稳态响应速度都要优于常规PID，专家模糊控制要优于模糊-Smith控制。其中，常规PID的超调量大于60%，达到稳态的时间为195s；模糊-Smith控制的超调量为10%左右，达到稳态的时间为

160s；专家模糊控制超调量为零，达到稳态的响应时间为95s。在模糊-Smith控制时，由于对量化因子和比例因子进行了反复调整才使得模糊控制的品质较优。整，使三个参数产生协同作用，出现了无超调结果，达到稳态的时间与模糊-Smith

控制时更短。

可见，专家模糊控制要优于模糊-Smith控制，模糊-Smith控制要优于常规PID控制。因此，污水收集池的pH控制将采取专家模糊控制以代替在用的常规PID控制策略。

3.5本章小结

本章以中和工段中的污水收集池为重点研究对象进行实验建模与pH控制策略的仿真研究。针对酸碱中和过程具有大时滞、大惯性、非线性等特性及常规PID控制容易产生超调与振荡等问题，应用阶跃响应法建立污水收集池pH中和过程的非参量模型，经二阶近似和数学计算后求得其用传递函数形式加以描述的动态特性方程。同时，在此基础上提出基于仿人智能的模糊-Smith控制、专家模糊控制等控制策略，结合操作工经验，应用基于MATLAB平台的SIMULINK工具箱对模糊控制器进行设计与仿真研究，并与传统PID控制策略进行性能对比。研究结果表明，带积分作用的模糊-Smith控制的超调量与动态响应速度都要优于常规PID，而专家模糊控制的性能更优于模糊-Smith控制，具有无超调和高动态响应特性，是解决大时滞过程控制的有效方法，适合运用到现有的污水处理过程中。

第四章污水处理过程DCS系统集成设计

本企业以生产多氯硅烷、二氧化硅为主，同时产生大量废酸和少量废碱。本章节核心为利用自动控制系统将生产过程中产生的废酸、废碱通过一系列无害化处理后，达到环保排放标准。集中管理，分散控制和数据共享是DCS系统集成所遵循的原则，依据此原则结合本企业污水处理中心的实际情况，采用浙江中控ECS-100系统并通过DCS组态来实现污水处理过程的自动化控制。

4.1DCS系统简介

4.1.1DCS系统概述

DCS即DistributedControlSystem，直译为分散控制系统。该系统可以通过工控机，经专用通讯电缆连接到控制站的各个远程仪表实现分散控制，对远程数据实行实时监控和集中管理[59]。因提升了人机交互功能，方便集中监控和独立操作等而广泛地被石油化工、医药、冶金、煤矿、电力、环保等领域所采用[60]。

4.1.2DCS系统组成

DCS系统主要有控制站、工程师站、操作站、通讯网络等构成。

（1）控制站

DCS控制站是桥接操作站与远程仪表的中间枢纽硬件，包含有供电模块，主控卡，数据转发卡，I/O卡，接线端子板及内部I/O总线网络等，用于完成整个工业过程的实时控制功能。操作员通过操作站发布指令经控制站传递给远程仪表，从而实现对远程仪表实时连续控制[61]。

（2）工程师站

工程师站是为专业工程技术人员设计的，内装有相应的组态平台、监控平台和系统维护工具。通过系统组态平台构建适合于生产工艺要求的应用系统，具体功能包括：系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表制作等；通过监控平台可替代操作员站，实现生产过程的实时监控。而使用系统的维护工具软件可实现过程控制网络调试、故障诊断、信号调校等。

（3）操作站

操作站是由工业PC机、显示器、键盘、鼠标、打印机等组成的人机交互系统，是操作员完成过程监控管理任务的人机界面。生产过程中产生的数据，现场仪表测量值、阀门、风机马达、限位开关等设备的实时状态，报警显示等功能都在操作员站集中呈现｡操作员对远程设备的控制指令，如报警值监控，阀门切换，手动/自动回路投用，PID参数调整，报警限设定，顺控程序投用等都是通过操作站完成的[62]，是实现对远程仪表集中管理和分散控制的平台。

（4）通讯网络

通讯网络是连接操作站与控制站之间的桥梁，实现操作节点和控制站的连接，完成实时数据、信息、控制命令的传输与发送，实现对远程仪表数据实时稳定的在二者之间传输和交换，对整个DCS系统的实时高效性起到重要的作用。由于DCS系统网络等硬件的重要地位，使用过程中多采用双总线冗余配置，常采用星形或者环形等网络结构连接，根据工艺选择合适的网络配置，使得信息传输可靠、高速，以确保系统的稳定性和实时性[63]。ECS-100系统通信网络共有四层，分别是：管理信息网、过程信息网、过程控制网和I/O总线。

4.2自动控制方案设计

4.2.1污水处理过程自动控制方案设计

污水处理过程是一个连续性过程，污水处理过程从前至后，涉及到中和剂添加，絮凝剂配置，絮凝剂添加，固液分离等过程｡因此控制系统设计时必须满足各个反应过程不同工序的工作要求，进而实现整个污水处理过程的自动控制。

（1）中和过程控制

废液收集池、pH调整池、污水收集池都涉及到中和剂的添加。废液收集池内的废液以废盐酸为主，少量碱洗塔排放的废碱，池内总体呈现强酸性。中和剂添加氢氧化钠，添加过程需要控制阀来控制加料速度；需要流量计来监控加料量；为使废液与中和剂能得到充分的混合，需配连续性搅拌，搅拌设计为双层，加强返混；为监控废液收集池液位，需配置液位监测计，考虑到强酸强碱的腐蚀性，采用四氟管型起泡液位计；为监控池内反应激烈程度，加一热电阻式温度计；废液收集池溢流口配置pH计，实时监测中和剂添加效果，以满足工控指标｡pH调整池和污水收集池的工艺与废液收集池类似，工艺改造提升前，pH调整池pH控制在6~9之间，配有加酸、加碱控制阀。使用过程中，经常出现反复加酸加碱，药剂浪费大，且控制不够稳定。为解决这一问题，工艺改造提升后考虑将pH调整池的pH控制在7~9之间，仅加碱控制，允许其超过9，单向调节。污水中因含有部分次氯酸钠，对pH测量会有影响，因此，配有氧化还原电位监控点，通过添加还原性物质亚硫酸氢钠，来控制污水的氧化还原性。污水收集池的功能主要是处理pH调整池的溢流液以及设备开放产生的废碱，配有加酸阀和加碱控制阀，在中和剂添加过程中同样出现反复调节，药剂使用量大等问题。由于将pH调整池溢流进的污水pH值控制值目标值提高到7~9，因此，污水收集池的pH为碱性，只需添加中和剂盐酸即可。为了后期更好的絮凝沉淀效果，pH需要控制在7.8~8.2之间｡pH控制过程中，由于中和剂传质的大时滞，大惯性特性，很容易造成超调，常规PID效果较差。结合前章节pH控制策略仿真结果，考虑将专家模糊控制策略运用到污水收集池的pH控制过程中。

（2）絮凝沉降过程采用顺序控制

顺序控制由两大部分组成，一是根据各反应阶段，决定加入的物料及加料量，二是根据各反应阶段的监控参数变化轨迹，分别进入变给定值的参数跟踪控制方式或定值参数控制方式。根据生产进程在各大反应阶段设置的不同状态点，通过编写程序，由计算机自动判断各状态点的入口条件是否满足，决定运行相应程序，以保证加料顺序、各加料阀开关的正确性，并实现各种连锁满足以安全生产要求，完成生产的自动控制。

絮凝剂配置完成后经混合器添加进沉淀池，之前沉淀池絮凝剂添加效果靠人工判断，现在考虑增加一台浊度计，浊度计和絮凝剂加料控制阀采用单回路闭环控制，以改善絮凝剂效果。

（3）固液分离过程控制

絮凝沉降后的污水经溢流进入沉淀池，沉淀池内上清液溢流进外排水收集罐，底部污泥经泵输送进浓缩液收集罐。为确保沉淀池内淤泥能够排出，沉淀池内配有连续性搅拌机。浓缩液收集罐底部配有压缩空气管，通过连续鼓泡吹气来降低沉降速度，使悬浊液能够顺利进入压滤机；为监控液位，顶部安装有液位开关；浓缩液收集罐的污泥经浓缩液给料泵输送进全自动工业压滤机。压滤机采用三菱PLC控制系统，

4.2.2专家模糊控制器设计

专家模糊控制是一种基于人工知识和仿人工智能的控制方法，其主要优点是能够采纳工程师经验，结合人工智能，将专家系统的理论和技术同控制理论和技术相结合，在复杂多变的环境下，实现对pH的无超调精准控制。

本研究结合上章节仿真结果，将专家模糊控制运用到污水收集池的pH控制过程中。结合操作工经验、工艺特性以及工况数据，总结出相应的控制规则，然后，由推理机根据现场反馈的信号结合控制规则来执行。由于专家模糊控制过程是实时的，整个规则集的规模相对较小，本研究采用数据驱动向前推理的方法，逐条判定各个规则的执行条件，满足及执行，不满足则继续搜索，采用IF…THEN语句。其中“IF”表示源于数据库的事实，“THEN”表示控制器执行的算法。

根据现场操作工的经验总结如下pH控制规律：①如果pH正好在目标值8，则加酸控制阀开度不作调整；②如果pH与目标值8偏低，则减小加酸控制阀的开度；③如果pH与目标值8偏高，则加大加酸控制阀的开度；④如果pH正好在目标值，但pH的偏差在向pH大于8的方向变化，则逐渐增大加酸控制阀的开度；⑤如果pH正好在目标值，但pH的偏差在向pH小于8的方向变化，则逐渐减小加酸控制阀的开度。

除此之外，控制器的量化因子和比例因子需按照一定的规律进行调节，根据上文专家模糊控制时的典型二阶阶跃响应曲线的分析结果，得出以下在线自调整量化因子和比例因子的条件语句。

1、IFe>0ANDec<0ANDe>εTHEN[A=Ke，B=0,C=Ku]

2、IFe>0ANDec<0ANDe<εTHEN[A=-Ke，B=Kec,C=-Ku]

3、IFe<0ANDec<0THEN[A=-Ke，B=Kec,C=Ku]

4、IFe<0ANDec>0THEN[A=-Ke，B=-Kec,C=-Ku]

5、IFe>0ANDec>0THEN[A=Ke，B=0,C=-Ku]

6、IFe>0ANDec<0THEN[A=0，B=0,C=-Ku]

本控制器的控制决策完全依赖于当前的pH反馈数据，故采用以数据驱动的正向推理，逐次判别各个规则的执行条件。由于每个输入变量e和ec都有对应的控制规则，因此总能搜索后得到执行，以最大限度地保证控制器发挥作用。

4.2.3系统框架设计

污水处理系统的自动控制，以流程工业为对象，一般宜选用集散型计算机控制系统（DCS）。根据本企业污水处理中心的工艺流程，结合当前过程控制系统的发展以及企业经济承受能力，通过国内招标比对，最终确定采用浙江中控ECS-100系统。针对物理过程处理污水，由于涉及到固液分离和成套设备与控制室较远且运行时相对独立，故采用三菱A系列PLC系统以实现设备的独立运行。为方便操作员监控整个污水处理流程，采用PROFIBUS-DP通讯将PLC数据接入到DCS系统，实现统一监控。通过此方案设计，既节省了工程总体费用又提高

了污水处理系统的抗干扰能力，各部分协同工作，组成一套完整高效的污水处理自动化控制系统。

根据污水处理中心控制系统的总体需求以及考虑后期可能会涉及到技改或厂区扩容导致的污水处理量增加等问题，本系统设计统一配置30%冗余。本套DCS控制系统配置了两个控制站（1#控制站、通讯站），一个工程师站（ENG129）和两个操作员站（OPS130、OPS131）。其中1#控制站用于显示、控制接入DCS系统的一系列污水处理相关参数，通讯站与固液分离阶段控制工业压滤机等成套设备的PLC进行通讯。

4.3DCS系统集成

根据本企业污水处理中心带控制点的工艺流程图，见附录1所示。对污水处理过程中涉及到的电气仪表设备，进行了完整统计，污水处理过程电气仪表统计与位号配置表，见附录2所示。

4.3.1系统测控点统计

根据附录2的统计结果，对测控仪表进行了分门别类的统计。统计结果如

⑤热电阻信号输入RTD(Pt100)：12点

4.3.2系统硬件配置

结合上述I/O统计结果，系统配置空间以冗余30%设计。系统硬件配置如

4.3.3DCS系统组态与实现

组态（Configuration）是用DCS系统所提供的功能块或算法组成所需的系统结构以达到相应功能｡ECS-100系统采用AdvanTrol-Pro软件包来完成系统组态、数据服务和实时监控功能。在完成控制系统硬件架构设计后，即可对污水处理装置的电气仪表及控制方案进行系统参数配置与软件组态，包含有工程设计、系统总体组态、用户权限配置、操作小组设置、控制站及I/O卡组态、常规控制方案组态、流程图绘制、趋势画面组态等。

（1）系统总体信息组态

总体信息组态是整个组态的基础和核心，主要包括主机设置、编译、数据备份、组态下载和传送五个功能。

根据控制系统总体设计方案对控制系统主机参数配置，1#控制站IP地址设为“128.128.1.2”，扫描周期“0.5S”；2#控制站IP地址设为“128.128.1.4”，扫描周期为“0.5S”；通讯站IP地址设为“128.128.1.6”，通讯站扫描周期为“0.5S”

4.4本章小结

通过全面总结分析污水处理过程，在工艺改造提升方案的基础上给出了合适的控制方案。根据污水处理规模和要求，最终采用浙江中控ECS-100系统。根据污水处理中心情况对测控点数进行了分门别类的统计，配置位号，选择相应的控制站硬件，操作站软硬件等。针对pH控制难题，结合第三章节的控制策略仿真研究结果，将专家模糊控制运用进污水收集池的pH控制过程中。理论上处理每千吨废水能节省中和剂10吨左右，结合现在厂区污水处理负荷，预计年节省成本在80万元左右，经济效益显著，也为后续的扩大产能提供保障。

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