污水曝气系统变频调速的PID控制

A Study on PID Control of Frequency Adjuster For the Aeration System of the Activated 
Sludge Process 
天津市市政工程设计研究院 王 岩 张 泳 
Wang Yang Zhang yong 
摘 要:文章从工艺理论入手，分析了污水生物处理曝气环节的原理，进而引出以溶解氧为依据的鼓风机控制方法。以某实际工程为例，具体阐明了采用变频调速鼓风机方便、节能的优点和自控仪表设备的构成。文章具体描述了采用PID控制技术实现曝气池溶解氧串级控制的理论内容，设计了离散系统的计算机控制模型和步骤，最后对PID控制的局限性做出了说明。 
关键词:溶解氧 PID 变频调速 扰动 
Abstract:On the basis of the results of analyzing the theory of the aeration system 
of the activated sludge process, 
the author 
introduces the blower system controlled by the dissolved oxygen. Based on the result
 of investigation at a sewage
 treatment 
plant, we have verified the adequacy of the structure of the blower control system 
with frequency adjuster. 
At the same time, the system‘s convenience and more power saving will be concluded. The author introduces the instrument 
and the controller of the
 system. The theory of the PID control system for the aeration system established 
by the serial control is introduced. 
The discrete model for the computer is designed. In the end, the limited of the
 PID control system will be discussed. 
Keyword: the dissolved oxygen PID frequency adjuster disturbance 
[中图分类号] TM921 [文献标识码] A 文章编号 1561-0330(2002)04-0027-03 

1 曝气系统的工艺描述 
　　近年来，由于未达标的污水排放对生态的破坏日益严重，各地政府正在投入大量资金兴建污水处理厂。 
城市污水的处理工艺一般都包括生物处理阶段。生物处理过程是个复杂的生化反应过程，曝气是其中的一个十分重要的环节，不同的处理工艺，曝气的方法也有所差异。典型的曝气过程是这样的:污水连续进入曝气池，沿廊道向一个方向流动，直至出口，污水从入口到出口所经历的时间(停留时间)通常几个小时，在这段时间内，鼓风机通过密布在池底的曝气头向池中的污水充气。从水处理的生物过程来看，曝气作用的一种直观解释为:污水中的菌胶团(一种经驯化的细菌)在生存期内可以吸附并吃掉污水中的细菌，将有机物分解，而曝气就是为了向菌胶团提供充足的氧气，满足其生存并大量繁殖的需要。 
污水处理厂的曝气系统必须进行控制，因为:第一，必须适时提供菌胶团生存和繁殖所需的氧气量。氧气量在生物处理中有一定的适用范围，少了会降低细菌分解的效果，延长处理时间，甚至导致生物处理失效；多了会发生细菌的过氧化，同样降低活性，不利于处理。第二，鼓风机是污水厂的主要供气供氧设备，一年四季长期运行，耗电量所占的比重很大，在满足充氧要求的前提下尽量降低电耗，对减少运行成本起到重要作用。 
曝气控制的首要问题是如何确定鼓风量。对于城市生活污水，在其停留时间内，亦即曝气时间内需要多少氧气(或空气)与下列污水的水质指标有关: BOD(生物需氧量)、COD(化学需氧量)、SS(悬浮物)、水量及其温度等。根据工艺理论，鼓风量的理论值可以由经验公式计算得到，而在运行当中，鼓风量应根据进水水质、水量的变化相应地调整。但是存在这样的问题，污水水质指标大多依靠实验测定，而测定时间需要数小时，甚至数天，这对实时控制的作用不大，在线的水质检测设备价格昂贵，目前国内还没有运行的例子，所以，污水在曝气池进行生物反应的过程当中，各种指标的变化，包括氧的需求量的变化很难实现定量的描述，微生物耗氧的速率怎样变化还不能在线确定。 
为了从宏观上控制曝气效果，减小盲目性，引入了"溶解氧"这一中间参数，溶解氧参数可以通过仪表在线监测。工程上认为，对于连续流的曝气池，无论水质、水量、水温等扰动如何变化，只要污水在曝气池出口的溶解氧浓度保持在某一设定值(如2mg/l)，就能从宏观上恰当地满足菌胶团繁殖、有机物分解的需要，保持污泥活性，实现污水的连续处理。这样一来，自控系统就变得容易实现了。参数间最基本的控制关系是这样的:在鼓风量理论计算值的基础上，污水中溶解氧含量的偏差与鼓风机风量的增量(或减量)成反比，即溶解氧值偏小，风量向大调，溶解氧值偏大，风量向小调。 
在实际控制中，鼓风机的风量设定值为工艺理论值，这一值经溶解氧反馈信号比较后，根据偏差实时调节风量的增减，最终使污水的溶解氧值稳定在设定值。还应指出，从风量的调节到溶解氧反馈信号的变化对自控系统来说是典型的纯滞后过程，滞后时间τ大约数分钟以上。 

2 曝气控制系统实例 
　　某市污水处理厂一个系列的曝气系统采用一台鼓风机，经空气管路向一个曝气池供气，如果采用调节阀来调节空气流量，调节阀会消耗一部分能量，长期运行，不利于节能，另一方面，曝气池所需风量的变化与水质、水量相关，而水质、水量通常有一定的规律，不会发生剧烈的突变，转速比不会太大，而且该工艺的曝气池水位基本保持不变，所以鼓风机选用了灵活、节能的带变频调速的罗茨风机。因为送风管压力变化较小，风机具有恒转矩输出的特性，流量和转速成正比例关系，轴功率和转速也成正比例关系，与离心风机相比较，在控制上更容易把握。 
控制系统由下列设备构成:主送风管路装设空气流量计，压力计、温度计，并以标准信号上传至曝气系统的控制装置。曝气池上根据氧的理论分布装设数台溶解氧检测仪，信号上传至曝气系统的控制装置。为鼓风机配备一套无速度反馈的U/f可调的变频器，变频器具备PI调节功能的模块，曝气控制装置的反馈和控制信号可下传到变频器。曝气系统的控制装置采用PLC(可编程逻辑控制器)和相应的HMI(人机界面)，PLC具有包括PID等丰富的操作指令，并配有全面和安全的输入输出接口，HMI可以通过文字和图形动态地反映在线数据，如流量、压力、温度、溶解氧值、频率及设备状态等，操作人员可以进行即时的参数修改、分布操作或模式选择。曝气系统的PLC是污水处理厂自控系统的组成部分，和中央控制室的上位计算机实现通信。 
工程上为了便于运行管理，曝气系统通常采用3种控制模式，如 
(1) 风量恒定控制 
(2) 曝气倍率控制 
(3) DO(溶解氧)控制 
其中模式(1)是人为地设定鼓风机流量并保持恒定送风，这种方式在水量和水质稳定的情况下，能够满足处理要求，但是曝气效果不稳定，不便于节能控制。 
模式(2)是人为地设定鼓风机流量与进水流量的倍率，按倍率调节鼓风机流量，是一种开环控制方法。在水质稳定的情况下能够满足处理要求。上述两种模式控制简单，运行中对设备的磨损较小， 
模式(3)是一种闭环调节的自动控制模式，根据溶解氧的偏差来调整鼓风机流量。这种模式可以在现有条件下实现关于水量、水质的最优控制，曝气效果最佳，节能效果最显著。下面对该模式作具体介绍。 

3 DO(溶解氧)控制策略 
　　曝气所需的风量与溶解氧的关系是非线形的，按工艺理论，它们之间可以在经验的基础上建立数学模型，为便于控制，它们的关系可以定性的认为是纯滞后的惯性环节，并可以分段线性化。因此控制方法采用应用广泛的PID控制技术。具体采用的是串级加纯滞后补偿的PID控制。如图所示。 
3.1 副控系统 
在曝气过程进行当中，不可避免地会出现随机扰动，扰动会引起风管流量的随机偏差，副控系统的调节目标就是通过闭环转速调节保持送风管的空气流量恒定于给定值。副控系统把空气流量作为反馈，通过变频器内装的PI调节器适量调节转速，使空气流量稳定于给定值。如图示的内环。 
r2(kT):鼓风机流量的给定值 
ΔU2(kT):鼓风机转速的增量 
Y2(kT):风管流量计检测的空气流量 
e2(kT):给定流量与检测流量的差值 
G2(s):鼓风机流量与转速的传递函数 
D2(z):增量式PI调节器(变频器内装) 
H0(s):零阶保持器(变频器) 
N2(s):空气管路压力等扰动 
T2:采样周期 
闭环z传函 

增量式PI调节器输出 描述如下: 

其中K2P为比例因子，K2i为积分因子，采样周期T取T2 
因为扰动(如压力)不会很快，系统滞后时间与惯性时间比例不大，因此T2取1~5秒。K2p和K2i的选择按照满足控制度1.05取值。 
实际运行中K2p和K2I还需根据鼓风机和管路的流量--压力曲线整定并调试。罗茨风机出风压力对流量的影响较小，参数的整定相对容易。 
3.2 主控系统 
　　主控系统的作用是通过溶解氧反馈，克服水质、水量、水温等扰动，使曝气池污水的溶解氧含量维持在设定值。如图示的外环。 
r1(kT):溶解氧的给定值 
ΔU1(kT):鼓风机风量的增量 
U0(kT):鼓风机风量的计算给定量 
Y1(kT): 曝气池溶解氧的测量值 
e1(kT): 溶解氧的给定值与检测值的差值 
G2C(s):副控系统(鼓风机)的传递函数 
D1(z):增量式PID调节器(PLC功能指令) 
G1(s):溶解氧与风量的传递函数 
N1(s):水质、水量、水温等扰动 
T1:采样周期 
由于曝气所需空气流量，即副控系统的输入r2(kT)无法在线确定，为了在运行中简单可行地满足生物好氧的需要，工艺上要求曝气池出口附近的污水始终保持一个稳定的溶解氧设定值，而不直接考虑水质、水量、水温等的影响，因此，溶解氧信号可以作为反馈与其设定值进行比较，由PID调节器D1(z)根据其偏差输出相应的鼓风机流量的增量。副控系统的输入r2(kT) 就是流量的增量再加上由工艺计算得到的鼓风机风量的理论值，即 

　　另外，菌胶团与氧的作用过程具有纯滞后特性，有必要引入滞后补偿，如Smith预估器。 
闭环z传函 
增量式PID调节器输出 描述如下: 
其中K1P为比例因子，K1i为积分因子，K1d为微分因子，采样周期T取T1 
当考虑纯滞后补偿时 
τ为纯滞后时间 
　　关于主控系统PID参数的设定问题，对于采样周期T1，因为污水水质、水量等变化不会很快，溶解氧的变化通常也不会太快，同时T1应该大于T2，所以，T1的选择可以长些，如30秒。 
由于对溶解氧的调节并不要求十分迅速，其动态特性可以适度放宽，K1p、K1i、K1d的可取范围较大，但取得最合适的组合数值并非易事。溶解氧与风量的关系存在非线性，PID参数的取值是有适用范围的，因此可以采用变参数PID，根据不同季节、不同水质、水量寻求不同的规律，这种规律由工艺设计给定。实际在稳定运行中，PID参数常常采用试凑的方法进行调整，这时应注意，首先K1p由小到大，然后K1i由大到小，最后K1d由小到大。 
　　另外，每次启动串级控制系统时，应该首先运行副控系统，待副控系统稳定后，手动设定风量给定值U0(kT)，实行开环调节风量，同时与溶解氧反馈值比较，待误差较小且稳定后，再投入主控闭环系统，这样可减小偏差对系统的冲击，提高系统稳定性。 
　　还应注意，污水处理的环境比较恶劣，特别是水质仪表的使用和维护对自控的影响很大，据国外的运行经验，仪表的采样周期不宜太短，设备的调节频率不宜太高。 

3 总结 
　　曝气池溶解氧的PID控制还可以采用一些改进方法，如为了保护设备采用带死区的PID、为了解决非线性采用模糊PID、为了抗拒扰动采用自适应PID以及PID参数自寻优等等。 
PID控制虽然在工程上广泛采用，但只能解决线性系统的调节问题，曝气系统中，虽然能够实现对鼓风机的控制，但对水质处理效果的控制能力有限，DO控制时，参数的整定需要根据实际情况不断调整。从控制理论的角度来看，污水的生物处理过程具有大滞后、非线性、随机性和多变量的特点，工艺理论建立的模型也是经验的、定性的、有条件的，因此，单纯依靠理论模型建立的经典控制方法已经不能很好地满足人们的需要。 
要把握曝气系统的生物过程或水质处理过程必须结合工艺理论，运用现代控制理论和智能控制理论的相关内容，对系统的某些结构和参数进行辩识和估计，在大量数据和运行经验的基础上运用诸如模糊技术、神经网络技术以及专家系统等智能化手段，才能由细节到宏观实现对水质处理过程的全面控制，另外，引入先进、智能的在线水质检测装置也会更直接地提供控制依据。随着环境治理力度的加大和相关指标的制定，污水处理过程的控制要求将会越来越高。 
4 参考文献 
(1) 张自杰、林容忱、金儒霖编著《排水工程》下册 第四版 2000年6月 中国建筑工业出版社 
(2) 韩安荣编著《通用变频器及其应用》第二版 2000年1月 机械工业出版社 
(3) 何克忠、李伟编著《计算机控制系统》1998年4月 清华大学出版社