申請日2017.11.02

　　公開(公告)日2018.01.26

　　IPC分類號C02F7/00; G05B13/04

　　摘要

　　本發(fā)明涉及一種曝氣污水處理系統(tǒng)及其多參數(shù)模糊控制方法。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種曝氣污水處理系統(tǒng)，本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述的系統(tǒng)的多參數(shù)模糊控制方法。本發(fā)明系統(tǒng)使用光伏電池作為能量來源，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)曝氣機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其運(yùn)行方式為，通過檢測污水支管和主管的液位值，以及傳遞的時(shí)間差，估算出污水流量;根據(jù)流量和入水口的電導(dǎo)率值、濁度值，計(jì)算出電機(jī)初始轉(zhuǎn)速。運(yùn)行一定時(shí)間后，檢測出水口的電導(dǎo)率值和濁度值，根據(jù)其總量和變化率查模糊控制規(guī)則表，確定電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，避免能量浪費(fèi)。

　　摘要附圖

 

　　權(quán)利要求書

　　1.一種曝氣污水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括曝氣池、電源單元、數(shù)據(jù)采集單元、控制單元和執(zhí)行單元，曝氣池設(shè)置有由進(jìn)水主管和多根進(jìn)水支管，多根進(jìn)水支管匯集連接進(jìn)水主管，進(jìn)水主管連接曝氣池，所述的電源單元為數(shù)據(jù)采集單元、控制單元和執(zhí)行單元提供電源;其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集單元包括多級液位傳感器、電導(dǎo)率傳感器和濁度傳感器，在進(jìn)水主管和多根進(jìn)水支管分別設(shè)置所述的多級液位傳感器，進(jìn)水主管的入口、曝氣池中央和排水口分別設(shè)置第一電導(dǎo)率傳感器、第二電導(dǎo)率傳感器和第三電導(dǎo)率傳感器，進(jìn)水主管的入口和排水口分別設(shè)置第一濁度傳感器和第二濁度傳感器;所述的控制單元包括數(shù)據(jù)采集模塊控制器和中央處理器，多級液位傳感器、電導(dǎo)率傳感器和濁度傳感器通過數(shù)據(jù)采集模塊連接至中央處理器，中央處理器連接控制器;所述的執(zhí)行單元包括直流電機(jī)和曝氣機(jī)，中央處理器通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過控制器輸出控制直流電機(jī)工作。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種曝氣污水處理系統(tǒng)，其特征在于，電源單元包括太陽能光伏板、MPPT充電控制器和儲(chǔ)能電池，太陽能光伏板通過PPT充電控制器連接儲(chǔ)能電池。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種曝氣污水處理系統(tǒng)，其特征在于，多級液位傳感器通過zigbee通信模塊連接至數(shù)據(jù)采集模塊，電導(dǎo)率傳感器和濁度傳感器使用電纜連接至數(shù)據(jù)采集模塊。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種曝氣污水處理系統(tǒng)，其特征在于，控制器采用BLDC驅(qū)動(dòng)器，直流電機(jī)采用BLDC電機(jī)。

　　5.一種權(quán)利要求1所述的曝氣污水處理系統(tǒng)的多參數(shù)模糊控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

　　1)將第一電導(dǎo)率傳感器和第一濁度傳感器測得的數(shù)值的偏差值加權(quán)處理，結(jié)合進(jìn)水主管的入口污水流量，查模糊控制規(guī)則，得出對應(yīng)的電機(jī)初始轉(zhuǎn)速值;入口污水流量為多根進(jìn)水支管流量和，且各進(jìn)水支管的管徑和傳感器位置均為固定值，通過進(jìn)水主管、進(jìn)水支管的液位傳感器的液位值，以及此液位值從支管傳遞至進(jìn)水主管的時(shí)間差，估算出進(jìn)入曝氣池的入口污水流量;

　　2)在系統(tǒng)運(yùn)行特定時(shí)間后，檢測第三電導(dǎo)率傳感器和第二濁度傳感器的數(shù)值，根據(jù)傳感器數(shù)值變化的速度，定性判斷該次污水的特性，從而確定是否要進(jìn)入第二階段，當(dāng)出口處傳感器數(shù)值下降至特定值后，程序進(jìn)入第二階段;

　　3)第二階段采用PID控制，其中Kp、Ki、Kd的數(shù)值需要根據(jù)傳感器的數(shù)值查模糊控制表;

　　Kp、Ki、Kd值的計(jì)算方式如下：

　　先將第二電導(dǎo)率傳感器和第二濁度傳感器測得的數(shù)值的偏差值加權(quán)處理后得出電導(dǎo)率+濁度偏差，再將第一電導(dǎo)率傳感器、第二電導(dǎo)率傳感器和第三電導(dǎo)率傳感器測得的數(shù)值的變化速度加權(quán)處理后得出電導(dǎo)率誤差變化率，把兩者者數(shù)值代入Kp、Ki、Kd值模糊控制規(guī)則表，分別得出該時(shí)刻的Kp、Ki、Kd值。

　　6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多參數(shù)模糊控制方法，其特征在于，采樣頻率根據(jù)電導(dǎo)率變化率的數(shù)值控制在數(shù)秒至數(shù)十秒之間。

　　說明書

　　一種曝氣污水處理系統(tǒng)及其多參數(shù)模糊控制方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明涉及一種曝氣污水處理系統(tǒng)及其多參數(shù)模糊控制方法。

　　背景技術(shù)

　　農(nóng)村生活污水的排放量和污染物含量是不穩(wěn)定的，受季節(jié)，人口流動(dòng)等因素影響很大。傳統(tǒng)的分布式太陽能污水曝氣處理裝置是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。若要保證最大排放時(shí)排污達(dá)標(biāo)，則大部分時(shí)段消耗的能量是白白浪費(fèi)的;反之若為了降低造價(jià)，降低光伏和儲(chǔ)能電池的容量，則可能在某些時(shí)段排放超標(biāo)。最終只能在總投資和污染排放上做出平衡妥協(xié)。若能夠根據(jù)污染物含量調(diào)節(jié)曝氣裝置的功率，則既能降低成本又可以保證排放。最終實(shí)現(xiàn)在保證污水排放達(dá)標(biāo)的前提下，盡可能節(jié)約能源。

　　對于目前的生活污水的主要水質(zhì)指標(biāo)為COD，標(biāo)準(zhǔn)測試為中和滴定法，需要采樣并返回實(shí)驗(yàn)室檢測。大型污水廠使用的光譜式在線測試儀價(jià)格非常昂貴，不可能在農(nóng)村的分散式污水處理中應(yīng)用。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種曝氣污水處理系統(tǒng)，本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述的系統(tǒng)的多參數(shù)模糊控制方法。本發(fā)明可以對系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行智能化管理，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)水質(zhì)、水量的狀況而變化，達(dá)到無人值守、最大限度節(jié)能減排的目的。

　　為了實(shí)現(xiàn)上述的第一個(gè)目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案：

　　一種曝氣污水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括曝氣池、電源單元、數(shù)據(jù)采集單元、控制單元和執(zhí)行單元，曝氣池設(shè)置有由進(jìn)水主管和多根進(jìn)水支管，多根進(jìn)水支管匯集連接進(jìn)水主管，進(jìn)水主管連接曝氣池，所述的電源單元為數(shù)據(jù)采集單元、控制單元和執(zhí)行單元提供電源;所述的數(shù)據(jù)采集單元包括多級液位傳感器、電導(dǎo)率傳感器和濁度傳感器，在進(jìn)水主管和多根進(jìn)水支管分別設(shè)置所述的多級液位傳感器，進(jìn)水主管的入口、曝氣池中央和排水口分別設(shè)置第一電導(dǎo)率傳感器、第二電導(dǎo)率傳感器和第三電導(dǎo)率傳感器，進(jìn)水主管的入口和排水口分別設(shè)置第一濁度傳感器和第二濁度傳感器;所述的控制單元包括數(shù)據(jù)采集模塊控制器和中央處理器，多級液位傳感器、電導(dǎo)率傳感器和濁度傳感器通過數(shù)據(jù)采集模塊連接至中央處理器，中央處理器連接控制器;所述的執(zhí)行單元包括直流電機(jī)和曝氣機(jī)，中央處理器通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過控制器輸出控制直流電機(jī)工作。

　　作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述的電源單元包括太陽能光伏板、MPPT充電控制器和儲(chǔ)能電池，太陽能光伏板通過PPT充電控制器連接儲(chǔ)能電池。本發(fā)明利用太陽能光伏板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，為污水處理中的曝氣提供動(dòng)力，并對設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行智能化管理，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)水質(zhì)、水量的狀況而變化，達(dá)到無人值守、最大限度節(jié)能減排的目的。

　　作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述的多級液位傳感器通過zigbee通信模塊連接至數(shù)據(jù)采集模塊，電導(dǎo)率傳感器和濁度傳感器使用電纜連接至數(shù)據(jù)采集模塊。

　　作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述的控制器采用BLDC驅(qū)動(dòng)器，直流電機(jī)采用BLDC電機(jī)。無論光伏電池還是蓄電池都只能提供低壓直流電，若使用交流電機(jī)就必須加入電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。BLDC電機(jī)可以直接使用低壓直流電，避免了升壓-逆變-變頻這一系列環(huán)節(jié)帶來的能量損耗，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性。且BLDC機(jī)電效率更高，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)精確，特別適合這類應(yīng)用。

　　本發(fā)明的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)水質(zhì)、水量的狀況而變化，達(dá)到無人值守、最大限度節(jié)能減排的目的。

　　為了實(shí)現(xiàn)上述的第二個(gè)目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案：

　　上述的曝氣污水處理系統(tǒng)的多參數(shù)模糊控制方法，該方法包括以下步驟：

　　1)將第一電導(dǎo)率傳感器和第一濁度傳感器測得的數(shù)值的偏差值加權(quán)處理，結(jié)合進(jìn)水主管的入口污水流量，查模糊控制規(guī)則，得出對應(yīng)的電機(jī)初始轉(zhuǎn)速值;入口污水流量為多根進(jìn)水支管流量和，且各進(jìn)水支管的管徑和傳感器位置均為固定值，通過進(jìn)水主管、進(jìn)水支管的液位傳感器的液位值，以及此液位值從支管傳遞至進(jìn)水主管的時(shí)間差，估算出進(jìn)入曝氣池的入口污水流量;

　　2)在系統(tǒng)運(yùn)行特定時(shí)間后，檢測第三電導(dǎo)率傳感器和第二濁度傳感器的數(shù)值，根據(jù)傳感器數(shù)值變化的速度，定性判斷該次污水的特性，從而確定是否要進(jìn)入第二階段，當(dāng)出口處傳感器數(shù)值下降至特定值后，程序進(jìn)入第二階段;

　　3)第二階段采用PID控制，其中Kp、Ki、Kd的數(shù)值需要根據(jù)傳感器的數(shù)值查模糊控制表;Kp、Ki、Kd值的計(jì)算方式如下：先將第二電導(dǎo)率傳感器和第二濁度傳感器測得的數(shù)值的偏差值加權(quán)處理后得出電導(dǎo)率+濁度偏差，再將第一電導(dǎo)率傳感器、第二電導(dǎo)率傳感器和第三電導(dǎo)率傳感器測得的數(shù)值的變化速度加權(quán)處理后得出電導(dǎo)率誤差變化率，把兩者者數(shù)值代入Kp、Ki、Kd值模糊控制規(guī)則表，分別得出該時(shí)刻的Kp、Ki、Kd值。

　　作為進(jìn)一步改進(jìn)，采樣頻率根據(jù)電導(dǎo)率變化率的數(shù)值控制在數(shù)秒至數(shù)十秒之間。

　　本發(fā)明的控制方法通過換算將污染物的實(shí)時(shí)濃度定性反饋給曝氣控制裝置，并通過控制算法，最終給出電機(jī)最佳工作功率，以達(dá)到最佳清污效果。

　　綜上所述，本發(fā)明通過實(shí)時(shí)監(jiān)測被測對象污染物含量，使用模糊PID控制算法，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率，最大程度節(jié)能。曝氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用BLDC調(diào)速裝置,當(dāng)水中污染物發(fā)生變化時(shí)，控制器根據(jù)測得數(shù)值計(jì)算出當(dāng)時(shí)所需的空氣量,利用BLDC電機(jī)控制器改變空氣壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，可以極大地降低電機(jī)的軸功率，從而達(dá)到節(jié)能的效果。