模糊-积分控制器在水处理过程中的应用

[D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2002.04.024 第24卷第4期 北京科技大学学报 Vol.24 No.4 2002年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2002 模糊一积分控制器在水处理过程中的应用 秦旭达) 李修仁) 1)天津大学材料科学与工程学院，天津3000722)天津工业大学机械电子工程学院，天津300160 摘要设计了一种具有积分环节的模糊控制器，并由西门子S7-200系列PLC实现.将模糊 一积分控制器应用于反渗透水处理设备中，结果证明可实现水处理过程电导率实时自动控制， 提高了反渗透水处理过程中设备的工作效率和原水的利用率. 关键词模糊一积分控制：PLC:水处理 分类号TP273 反渗透(RO)水处理技术消耗原水量大.根 控制量，并将其解模糊化，得出控制量“，送至执 据水处理工艺要求，反渗透工艺之后的一部分 行机构，然后中断等待第2次采样.重复上述过 浓水（电导率高）应可以循环使用，但必须使反 程，循环下去实现对被控制对象的模糊控制凹. 渗透工艺之后的淡水（产品水）的电导率在工艺 在连续控制系统中，模拟调节器最常用的 要求范围之内.为使反渗透进水含盐量稳定在 PID基本形式如下： 所设定的范围内，不至于因地区水质差异造成 M0=K,iao0+7e0t*+7g91 (1) 工艺配置复杂化，研制了可对电导率进行实时 式中，()为输入函数，是系统偏差；t)为输出 控制的模糊控制器.该控制器既使水处理系统 函数；K,为比例系数；T为积分时间常数；T为 配套更为合理，又提高了设备的工作效率 微分时间常数. 反渗透工艺流程影响因素很多，如原水的 PD控制器在计算机上实现.设T为采样间 地质环境、季节变化等，这些影响因素的变化规 隔时间，，k为采样序号，因为采样周期相对于信 律很难掌握，因此对其进行控制模型建模是比 号变化周期是很小的，可以用矩形面积算法计 较困难的.根据反渗透水处理技术及其生产经 算积分，用向后差分代替微分，即： 验，并通过实验验证，设计出了具有积分功能的 de()_e(k)-e(k-1)-Ae(k) 模糊控制器，对工艺过程进行控制.为了减小电 dt T (2) 导率的检测误差和有利于变量的模糊化，将反 e(t)dr=ZeT (3) 渗透进水的电导率作为在线控制的检测对象. 则 )=k,[e+tae()T+ToAe(】 (4) 反渗透浓水的总流量，在正常情况下，基本为一 而普通模糊控制器只是由误差(k)和误差变化 恒量，将其分解为排放和回用两部分.只要控制 率△()得出控制量k),相对于PID控制缺少积 排放流量的大小即可达到控制回用浓水流量的 分项，这就造成系统不利于消除静差，形成极限 目的；控制了回用浓水流量也就控制了它与原 环.为了提高控制精度，减小极限环，本文在基 水的混合比，从而控制了进水的电导率. 本二维模糊控制器的基础上，加入积分环节，构 1模糊控制器的设计 成FUZZY-PI复合控制，以减小稳态误差.它是 由一个常规积分(PD控制器和一个二维模糊 模糊控制的过程为：微处理器中断采样，获 (FUZZY)控制器相并联而构成的.常规PI控制 取被控制量的精确值，将其与给定值进行比较 器输出为U=K∑e()和二维模糊控制器的输出 得出被控制量的误差e和误差变化率△e,然后， 控制量U相叠加，作为混合型模糊PID控制器 再进行模糊化处理.根据模糊控制表，求出模糊 的总输出，即：U=U+Ur.e()是连续变化的，因 此K∑()也是一个连续量，（有时它会变得很小， 收稿日期200109-19 秦旭达男，29岁，博士生

第 2 4 卷 第 4 期 2 0 0 2 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n iv e r s ity o f S e i e n e e a n d Te c h n o l0 gy B e ij in g Vb l . 2 4 N 0 . 4 A u g . 2 0 0 2 模糊 一 积分控制器在水处理过程 中的应用 秦旭达 ” l) 天津大学材料科学与工程学院 , 天津 3 00 0 72 李修仁 ” 2) 天津工业大学机械 电子工程学 院 , 天津 3 0 0 16 0 摘 要 设计了一种 具有积 分环 节的模糊 控制器 , 并 由西 门子 s7 一 2 0 系列 PL C 实 现 . 将模糊 一 积分 控制器应 用于反渗透水处 理设备中 , 结果证明可实现水处理 过程 电导率实时 自动控制 , 提高了反 渗透水 处理过 程 中设备的工作效率和原水 的利用 率 . 关键词 模糊一积分控 制 ; PL ;C 水处 理 分类 号 PT 2 73 、少. 、 . 声 ù内,j ` 才、. e T k艺 反渗透 ( R O )水处理技术 消耗原水量大 . 根 据水处理工艺要求 , 反渗透工艺之后 的一 部分 浓水 (电 导率高) 应可 以循环使用 , 但必须 使反 渗透工艺之后 的淡水 (产品 水)的 电导率在工艺 要求范 围之内 . 为使 反渗透进水 含盐量稳 定在 所设定 的范围内 , 不 至于 因地区 水质差异造成 工艺配置 复杂化 , 研 制了 可对 电导率进行实时 控制的模糊控 制器 . 该控制器既 使水处理系统 配套更为合理 , 又提高 了设备 的工作 效率 . 反 渗 透工艺 流程影 响因素很多 , 如原水 的 地质环 境 、 季节变化等 . 这些影 响因素的变化规 律很难掌握 , 因此对其进行控制模型 建模是 比 较 困难的 . 根据反渗透水处理技术及其生产经 验 , 并通 过实验验证 , 设计 出了 具有积分功能的 模糊控制器 , 对工艺过程进行控制 . 为 了减小 电 导率 的检测误差和 有利于 变量 的模糊化 , 将反 渗透进水 的 电 导率 作为在线控制 的检测对 象 . 反 渗透浓水的 总流量 , 在正常情况下 , 基本为一 恒量 , 将其分解为排放和 回用两部分 . 只要控制 排放流量的大小 即可达到控制 回用浓水流量的 目的; 控制了 回用 浓水流量也就控制 了它与原 水 的混合 比 , 从而控制 了进水 的电导率 . 控制量 , 并将其解模糊化 , 得 出控制量 u , 送至 执 行机构 , 然后 中断等待第 2 次采样 . 重复上 述过 程 , 循环下去实现对被控制对象 的模糊控制 〔, , . 在连 续控制 系统 中 , 模拟调 节器最常用 的 IP D 基本形式如下 : 一 , r / 、 l r , , 、 , _ d e 〔)t : u ( )t = 凡 [ e ( )t + 瑞汁 . 。 e ()t d+t oT 牛岩 ` 、 p L` 、 勺 2 」 ( l ) ’ 不 0J ` 、 叮~ ’ ` ” d t 」 式 中 , e( t) 为输人 函数 , 是 系统偏差 ; u( )t 为输 出 函数 ;凡 为 比例系数 ; 不 为积分时间 常数 ; oT 为 微分时间常数 . PI D 控制器在计算 机上实现 . 设 T 为采样 间 隔时 间 , i, k为采样序号 . 因 为采样周期相对 于信 号变化周期是很小 的 , 可以用矩形 面积算法计 算积分 , 用 向后差 分代替微分tz] , 即 : d e (t) _ e k() 一 e ( k 一 l ) _ 人 _了 。 一石丁一 一 — 一 斤了 — 一 。 ` 又凡 夕 U J I 买 e ( t) d ` - 1 模糊控制器 的设计 模糊控制的过程 为 : 微处理器 中断采样 , 获 取被控制量 的 精确 值 , 将其与给定值进行 比较 得 出被控制量的误 差 e 和 误差变化率△e , 然后 , 再进行模糊化处理 . 根据模糊控制表 , 求出模糊 收稿 日期 20 01 一 ) 19 秦旭达 男 , 29 岁 , 博士生 则 · (。 一 、 : · (。滋 · ( , )+T oT △· (。 〕 ( 4 ) 而普 通模 糊控制器 只是 由误差 e( k) 和误差 变化 率△e( k) 得 出控制量 u( k) , 相对于 IP D 控制缺少积 分项 , 这就造成系统不利于 消除静差 , 形成极限 环 . 为了 提高控制 精度 , 减小极限环 , 本文在基 本二维模糊控制器 的基础 上 , 加人积分环节 , 构 成 F U Z Z Y 一 PI 复合控制 , 以减小稳态误差 . 它是 由一个常规积分 (IP ) 控制器 和一个 二维模糊 (F u Z Z Y )控 制器相并联而构成的 . 常规 IP 控制 器输 出为 以 = 凡 艺e( i) 和 二维模糊控制器 的输 出 控制量 认 相叠 加 , 作为混合型 模糊 IP D 控制器 的总 输 出 , 即 : U 二 以+ Ur . e( )t 是连 续变 化的 , 因 此凡 艺e( i) 也是一个连续量 , (有时它会变得很小 , DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 04. 024

Vol.24 No.4 秦旭达等：模糊一积分控制器在水处理过程中的应用 477· 积分作用不明显，所以用其绝对值做积分量) 2模糊控制器的实现 这种混合型模糊PD控制可以减小系统稳态误 差.e~△e特征信息描述了系统动态过程的误差 本文所设计的具有积分环节的模糊控制器 变化趋势，所以可以利用对特征信息e△e的在 是由西门子S7-200系列可编程控制器实现的. 线识别，决定积分作用的切换.这种积分作用模 它选用CPU-216作为基本单元和一个EM-235 拟了有经验操作人员的控制策略，克服了常规 模拟输入/输出模块的配置.传感器采用的是台 积分作用的缺点，具有非线性积分的特点. 湾某公司生产的CMy230型电导仪，其电导率 为了保持控制策略的完整性，在误差极度 ()量程为0-2000μS/cm,误差为满量程的±2%， 增大的情况下，采用砰砰控制.模糊-积分控制 有420mA电流输出，并可实时显示电导率值 器原理见图1所示.Fuzy-PI控制器与Fuz2y 采用电磁阀作为执行元件，根据模糊控制器的 控制器仿真如图2. 调节，利用PLC强大的定时器功能，输出一组 周期不变和占空比可调的脉冲，来实现浓水排 砰砰控制 放流量的调整、控制 给定 判 通过定时器定时，调用采样子程序，读A1 E 模K 寄存器的电导率值，然后进行模糊化，再查初始 -dldt 叫Ku 制 化时装人的模糊控制表，得出控制量，经过计算 制 对象 相应的脉冲占空比，最后输出脉冲，控制电磁 电导率实时监测 阀，调节浓水排放流量 图1模糊-积分控制器原理图 3 实验验证 Fig.1 Principle of Fuzzy-PI controller 这套控制系统安装在某公司一套出水量为 1.2 1th的反渗透水处理设备上进行实验.原水的 1.0 电导率为400uS/cm左右，进行反渗透后浓水的 电导率为1000uS/cm,将反渗透进水（原水与回 0.8 ) 用浓水的混合水)的电导率设定为765μS/cm, 0.6 每5min采样1次. 0.4 Fuzy-PI控制器与Fzy控制器实验结果 如图3.Fuzy-PI控制器控制效果满意，电导率 0.2 (a)Fuzy-PI控制器 0 10 20 30 40 50 780 tis 760 1.2 740 2131 41 6 1.0 采样次数 0.8 (a)Fuzzy-PI控制器 0.6 780 760 0.2 (b)Fuzy控制器 740 40 213141 5161 10 20 30 50 采样次数 tis (b)Fuzy控制器 图3Fuz四y-PI控制器和Fuzy控制器仿真图 图4 Fuzzy-PI控制器和Fuzy控制器实验结果 Fig.3 Fuzzy-PI and Fuzzy simulation Fig.4 Fuzzy-PI and Fuzzy expriments result

V b l 一 2 4 N o . 4 秦旭 达等 : 模 糊一积 分控 制器在 水处 理过程 中 的应 用 . 4 7 7 . 积分作用不 明显 , 所 以 用其 绝对值做积分量 ) . 这种 混合型模 糊 PI D 控制可 以减小系统稳态误 差 . .e △e 特 征信息 描述 了 系统动态过程 的 误差 变化趋 势 , 所 以可 以利用 对特 征信息.e △e 的在 线识别 , 决定积分作用的切换 . 这种积分作用模 拟 了有 经验操作人员 的控制策 略 , 克服 了常规 积分作 用的缺点 , 具有非线性积分 的特 点 . 为了保持控 制策略的 完整性 , 在误差极度 增大 的情况下 , 采用砰砰控制 . 模糊 一 积分控制 器原理 见图 1 所示 ` Fuz yz 一 IP 控制器与 F u Z Z y 控制器仿 真如图 .2 摸 凡 执 糊 行 控 元 制 件 器 电导率实时监测 2 模糊控制器的实现 本文所设计 的具有积分环 节的模糊控制器 是 由西门子 7S 一 2 0 系列 可 编程控制器实现 的 . 它 选用 C P U 一 2 16 作 为基本单元和一个 E M 一 2 35 模拟输人 /输 出模块 的配置 . 传感器采用 的 是 台 湾某公 司生产 的 C M 下2 30 型 电导仪 , 其电 导率 份量程为 0佗 0 0 峪c/ m , 误差为满量程 的士 2% , 有 4 ~ 2 0 m A 电流输 出 , 并 可 实时显示 电导率值 . 采用 电磁 阀作 为执行元件 , 根据模糊 控制器的 调 节 , 利用 PL C 强 大的定时器功能 , 输 出一组 周期不变 和 占空 比可 调 的脉 冲 , 来 实现浓水排 放流量 的调 整 、 控制 . 通 过定时器定 时 , 调用采样子程序 , 读 A l 寄存器的 电导率值 , 然后进行模糊化 , 再查初始 化时装人 的模糊控制表 , 得 出控制量 , 经过计算 相应 的脉 冲 占空 比 , 最后输 出脉 冲 , 控 制电磁 阀 , 调节浓水排放流 量 . 图 1 模糊 一 积 分控制 器原理 图 F i.g 1 P r in e i Pl e o f F u z z y 一 P l c o n t or ll e r 3 实验验证 这套控制系统安装 在某公 司一套 出水量为 1 比 的反渗透水处理设备 上进行 实验 . 原水 的 电导 率为 4 0 林s/ c m 左右 , 进行反渗透后浓水的 电导率为 1 0 0 林s/ c m , 将 反 渗透进水 (原水 与 回 用浓水 的混合水 ) 的 电导率设定 为 7 65 “ s/ c m , 每 5 ~ 采样 1 次 . Fu Z yZ 一 1P 控制器与 F u Z y 控制器实验结果 如 图 3 . F uz yz 一 lP 控制器控制 效果满意 , 电 导率 二八 ` 尸从 八 , , / 八、 _ 八 了 v 口 丫 W 玩别 V 一 V 、 0 ō叫,声 z 只`U4 ù日 ǎ ù l日。 · 八U 的à认二 ǐ门Jles `J ō乙 0 八0 6 峙J 12 02 曰n ù八nU0 ǎ . 1日。 · S=Là汉 少 0 . 8 卜 刃 } 日 } l } 丫 0 . 6 卜 , } _ 以二 1 1 1 二 、 二 } , } l一 之 ; 1 1 1 日 认 0 . 4 卜l } 甲 1 1 1 二 0 . 2 日 } 、 兰 . 0 L se se se we l 一一一 - - - 止- - - - - - - L se se ~ 一 - 二 - - - - - 曰 0 10 2 0 3 0 4 0 5 0 t/ s 1 1 2 1 3 1 4 1 采 样次 数 (a) F u z z y平 I 控制器 5 1 6 1 八八八 八 “ ’ 一 尸从 vV 丫 nU0 八袄 C 46 一弓/ Zt 万 图 3 F u z z y 一 P l 控制器 和 F u z z y 控 制器仿 真 图 F i g . 3 F u z yz 一 P l a n d F u z z y s i m u l a t i o n 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 采 样次 数 (b ) F uz yz 控制器 图 4 F u z z y 一 p l 控 制器 和 F u z z y 控 制器实验 结果 F ig . 4 F u z叮 一 p l a n d F u z盯 e x p r i m e n t s r e s u l t

·478· 北京科技大学学报 2002年第4期 波动范围较小.这套控制系统能通过修改初始 制，使生产过程由间断性人工调节，变为由可编 化参数，适合于不同情况下（地质条件、季节不 程控制器进行的实时控制，该控制器运行效果 同等)的水处理工艺过程.该系统提高了设备的 良好 自动化程度，加以辅助控制，可以达到无人值 守.更为重要的是提高水的利用率 参考文献 1李士勇.模糊控制和智能控制理论与应用[M).哈尔 4结论 滨：哈尔滨工业大学出版社，1990. 2白瑞林.一种带有智能积分的模糊控制器研究).自 本文所设计的由PLC具有积分环节的模糊 动化与仪表，1995,10(4)：28 控制器，应用于反渗透水处理设备的电导率控 Application of Integral-Fuzzy Controller for Water Treatment OIN Xuda,LI Xiuren" 1)Material Sience and Engineering School,Tianjin University,Tianjin 300072,China 2)Institute of Mechanical Engineering,Tianjin Industry University,Tianjin 300160,China ABSTRACT Fuzzy controller with integral is developed,and is realized by Siemens S7-200 PLC.This con- troller is applied in the reverse osmosis water-treatment equipment to control the conductivity real-time.This method raises the working efficiency of the equipment and the utilization ratio of water in reverse osmosis pro- cess. KEY WORDS Fuzzy-Integral control;PLC;water treatment

一 4 7 8 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 2 年 第 4 期 波动范围较小 . 这套控制系统能通过修改初始 化参数 , 适合 于不 同情况下 (地质条件 、 季节不 同等)的水处理工艺过程 . 该系统提高了设备 的 自动化程度 , 加 以辅助控制 , 可 以达到无人值 守 . 更为重要 的 是提高水 的利用率 . 制 , 使生产过程 由间断性人工调 节 , 变为 由可编 程控制器进行 的实时控制 . 该控制器运行效果 良好 . 4 结论 本文所设计的 由P L C 具有积分环节 的模糊 控制器 , 应用于 反渗透水处理设备 的 电导率控 参 考 文 献 l 李 士勇 . 模糊控 制和智能控制 理论 与应用 [M ] . 哈尔 滨 : 哈尔滨工 业大 学 出版 社 , 19 90 . 2 白瑞林一种带 有智能积分的模糊控 制器研 究 [J] . 自 动化 与仪表 , 19 9 5 , 10 ( 4 ) : 2 5 AP P li e at i o n o f nI t e g r a l 一 F uz z y C o n tr o ll e r fo r 认a/ t e r rT e a t m e n t 口脚 xu da l) , LI iX u re nz) 1 ) M at e r i a l S i e n e e an d E gn i n e e r in g S e h o o l , T i anj i n U n i v e r s iyt, T i anj in 3 0 0 0 72 , C h i n a Z ) I n s t i t u t e o f M e c h an i e a l E n g i n e e r i n g , iT anj i n l n d u s卿 nU i v e rs ity, iT anj in 3 0 0 16 0 , C h in a A B S T R A C T F u z z y e o ntr o ll e r w iht I n t e gr a l 1 5 de v e lop e d , an d 1 5 r e a liez d 勿 S i e m e n s 5 7 一 2 0 0 P L C . T h i s e o n - tr o ll e r 1 5 ap Pli e d in ht e r e v e r s e o s m o s i s w aet r 一 tr e a t m e nt e qu iPm e nt t o e o ntr o l th e e o n du e it v iyt r e a l 一 t im e . 跳 1 5 m e ht o d r a i s e s ht e w o ikr gn e if e i e n e y o f ht e e qu iPm e nt an d ht e ut iliZ at i o n art i o o f w at e r i n r e v e r s e o s m o s i s P r o - C C S S - K E Y W O R D S Fl lz z y 一 ntI e gr a l e o ntr o l: P L C : w at e r etr a t m e nt