[发明专利]一种污水处理系统平稳运行的无扰切换PID控制方法

说明书

本发明基于正切换系统建模方法、无扰切换技术以及PID控制方法，针对污水处理过程中的污水排放排放量和出水量进行数据采集，公开了一种针对多模态系统的无扰切换PID控制方法。该方法有助于提高控制精度，同时也可以提高系统运行的稳定性。该方法在建模时充分考虑了控制变量的非负性、多模态性等特点以及控制器切换振荡问题，基于此设计了无扰切换PID控制器。无扰切换策略的提出实现了控制器平滑切换、提高了系统的稳定性。同时，线性规划方法的应用大大提高了计算效率，对于解决复杂系统的计算具有更大的优势。

技术领域

本发明属于工程技术和自动控制领域，具体涉及一种污水处理系统平稳运行的无扰切换PID控制方法。

背景技术

目前，随着经济的发展以及人口数量的增长，人们对水资源的需求逐渐增加。然而，由于水资源有限、水资源开发难度大、水污染严重等问题阻碍着水资源开发和利用，很多国家都面临缺水危机，同时，制约着经济的进一步发展。为缓解供水紧张状况，不少国家开始建立污水处理系统以实现水资源的二次利用。现阶段，大部分发达国家的污水处理效率都高于我国，而我国污水处理工业发展缓慢的主要原因有：起步晚，污水处理技术落后，存在处理效率不高、自动化程度偏低、能量消耗较大等问题；管理能力不强；资金不足或资金短缺。因此，提出高度自动化的污水处理技术对于提高污水处理效率具有关键性作用。现有城市污水处理大致分为一级处理、二级处理、三级处理。其中二级处理又称为生物处理系统，主要包括曝气池和二次沉淀池，是污水处理过程中最为重要的部分。而污水生化处理过程中的微生物浓度、溶解氧浓度等对于污水处理后的水质有重要影响，这就要求排放污水的流量要满足曝气池和沉淀池所需要的污水量。因此，通过自动控制技术控制污水的排放量对于提高出水水质有重要意义。基于以上分析，本发明提出一种新的污水处理系统自动控制技术，从而提高污水处理出水水质，同时保证系统安全、平稳运行。

考虑到实际污水处理系统的模态并不是一成不变的，以城市污水排放为例，污水排放量在早上6：30-10.30和晚上19：00-22：30会出现两个高峰值，其他时间段排水量并不高。因此，用单一的动态模型描述实际的污水处理系统并不精确，并且会导致控制器设计难度增加、控制不及时等问题。本发明拟采用具有多模态的切换系统对污水处理系统进行建模。同时，污水处理系统的状态-污水排放量具有非负性，采用现存的污水处理模型，如一般切换系统模型、一般状态空间模型等会造成建模冗余，不利于资源节约和建模精度提高。因此，本发明提出兼顾非负性和多模态性的正切换系统来建模污水处理系统，提高了建模精度，更加符合实际系统。当污水处理系统从一个模态切换到另一个模态时，相应的控制器也会产生切换以达到“一对一”控制的效果。然而，在控制器进行切换时，切换抖振现象时常发生。控制器振动较严重时，会造成出水水质不达标、系统运行不稳定。针对控制器切换振动问题，本发明通过引入一定的限制条件，设计无扰切换控制器，达到控制器在多个模态之间稳定切换的目的，实现了平滑切换，提高了系统稳定性。传统控制系统多以比例控制为主，但由于污水处理系统规模较大、整体较复杂以及传感器、执行器等器件本身性能限制等因素的影响，实际污水处理系统污水排放量的实时性和精确性不是很高，使系统误差增大。因此，仅采用比例控制无法实现对污水排放量的精确控制。为了尽可能降低系统误差，本发明提出基于PID控制器的控制策略。PID控制器(比例-积分-微分控制器)通过设定比例单元P、积分单元I，微分单元D，对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与给定值一致。PID控制器将比例(P)控制、积分(I)和微分(D)控制结合起来，综合了比例控制的及时、积分控制的消除静态误差、微分控制的减小振荡等优点，使得控制过程及时、准确、平稳。从计算方法方面来讲，本发明采用的线性规划方法与一般的二次矩阵不等式方法相比，对于处理大规模计算具有更大的优势。

基于上述分析，本发明利用现代控制理论技术建立污水处理系统的正切换系统状态空间模型，为污水处理系统设计无扰切换PID控制器，实现了控制器平滑切换，保证系统的高效、安全、平稳运行，提高了系统的精度和稳定性。同时，采用线性规划方法进行求解，减轻了计算负担、节约了计算资源，对于处理类似污水系统等大规模系统具有重要的参考价值和实际意义。

发明内容