[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