龙州南华糖业有限责任公司龙州第二糖厂
摘要：对自动控制理论的主要内容和研究领域及其在污水处理中的应用进行了阐述，分析了经典控制、现代控制和智能控制3种不同阶段的控制理论在污水处理技术中的应用。提出了污水处理微观机理模型以及对污水处理面临的新的技术市场需求将成为污水处理中自动控制技术的主要发展方向，同时通过数学建模与仿真，将各种智能控制相结合，提出新的控制策略，并加强其在解决污水处理厂新技术需求中的应用。
关键词：污水处理；经典控制；现代控制；智能控制；发展方向
目前，污水处理系统的控制策略已经成为研究的热点。关于污水处理已经提出了很多的控制策略，有些针对于一个控制指标，例如DO、NH3－N、污泥处置过程中的药剂最佳投加量等，有些着眼于全局，提供了整个污水处理厂的最优控制方案[1-2]。本文从自动控制的角度论述了其在污水处理领域的应用现状和发展方向。
1经典控制在污水处理领域的应用
1．1 经典控制的研究领域
经典控制理论于20世纪初开始形成并于50年代趋于成熟，主要研究单级系统的自动化，解决单输入单输出系统的控制问题。在污水处理领域，经典控制的应用和研究主要集中在开环控制、闭环控制中的比例积分（PI）控制、比例积分微分（PID）控制、以及稳定判据的应用等方向。
1．2经典控制的应用现状
由于开环、闭环控制出现较早，且原理简单，目前，对此的研究已鲜于报道，但在实际中的应用却十分广泛。在工业污水处理中，Alex等[3]利用开环和闭环条件下水厂的实测数据，对子空间辨识、偏最小二乘法、最小二乘法、输出偏差方法等4种辨识方法进行了测试。试验结果表明，闭环条件下的数据不能应用于上述任何方法的模型辨识。当开环数据正确时，可以基于上述方法对模型进行辨识，并且多数方法表现出较好的阶跃响应。
对于一个控制系统，其最终的稳定性至关重要。劳斯判据、赫尔维茨判据可以对线性系统的稳定性进行判断。Irina等[4]在利用区间算法对生物废水处理进行模拟的基础上，分别利用劳斯判据和赫尔维茨判据对系统的伪线性化模型进行稳定性判断，给出了在初始浓度为溶解性快速可生物降解有机物S∈[0．001，0．620]kg／m3、慢速可生物降解有机物X∈ [0．1，0．9]kg／m3，溶解氧So∈[2．65×10－4，5．30×10－3]kg／m3，二沉池中的异氧菌浓度Xset∈[0．001，2．270]kg／m3的范围内，模型的稳定、不稳定、可能稳定的区域，对实际污水处理厂的稳定运行起到一定的指导作用。
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2现代控制在污水处理领域的应用
2．1现代控制的研究领域
现代控制理论是关于多输入多输出控制系统状态分析和综合的理论，状态空间方程是多输入系统的典型数学模型形式。污水处理过程可以用状态空间方程表示，在此基础上利用现代控制理论的各种技术进行分析。现代控制理论的主要分支有线性多变量系统理论、最优控制理论、最优估计理论和系统辨识，以及在此分支基础上拓展出的自适应控制、鲁棒控制、分布参数控制、随机控制等。
2．2现代控制的应用现状
现代控制对系统的分析和控制建立在系统精确的数学模型基础之上，因此利用现代控制技术对污水处理过程进行的研究，一般基于各种污水处理模型。范石美[5]对活性污泥1号模型（ASM1）进行了处理，在结合一些假设的基础上对组分数量进行简化，从而得到降阶的ASM1状态空间方程，并对降阶后系统的可控性和可观测性进行了分析，认为系统在任意时刻是完全可控和完全可观测的，并基于MatLab平台将模型进行了仿真，分析对比了晴天、雨天、雪天情况下的仿真结果，在理论实验上可行。Irina等[3]提出的测试区间算法的伪线性模型同样是在ASM1基础上变形而来，最终得到状态空间模型的形式，但其分析方法采用劳斯判据等，是一种经典控制在现代控制中的应用。
3智能控制在污水处理领域的应用
3．1智能控制的研究领域
智能控制是自动控制发展的高级阶段，是人工智能、控制论、系统论和信息论等多学科的高度综合与集成，主要包括模糊控制、神经网络控制、专家控制等。智能控制在各种非稳定、难以建立精确数学模型的动态系统中的应用日益广泛与深入，特别是近年来取得的研究与应用成果备受瞩目。
3．2智能控制在污水领域的应用现状
3．2．1模糊控制
模糊控制理论是由美国著名的学者加利福尼亚大学教授 ZadehLA于1965年首先提出，以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，由模糊推理进行决策的一种高级控制策略。1982年Tong等[6]首次将模糊控制应用到污水处理中，将出水BOD、SS浓度，曝气池MLSS、DO浓度及出水NH3－N浓度、回流污泥量等检测数据作为输入变量输入该系统，“模糊化”以后再与“规则集”进行匹配，最后通过反模糊化得到量化的具体信号来实施控制。
3．2．2神经网络控制
模糊系统中知识的抽取和表达比较方便，比较适合表达模糊或定性的知识，但缺乏自学习和自适应能力，而神经网络可以直接在样本中进行有效地学习。
SBR污水处理指标在线测量仪表价格昂贵，管秋等[7]从工程应用角度借助人工神经网络软测量办法实现了污水水质指标的实时检测，分别建立BP神经网络和RBF神经网络污水指标软测量模型，经验证2种模型均能实现对污水的COD、BOD、N等参数的实时监测和估计，为进一步实现各种活性污泥法的实时控制提供了重要的理论依据，对提高污水处理系统的可靠性和节约能耗具有重要的理论意义和应用价值。
4污水处理自动控制的发展方向
目前，控制理论与技术向着2方向发展，一是对理论或方法本身进行深入研究；二是将不同的方法适当地结合在一起，相互取长补短，发挥各自优势，形成新的控制系统，获得单一方法所难以达到的效果，控制理论在污水处理领域的发展主要以第二个方向为主。由于经典控制与现代控制的理论研究已经成熟，最近出现的多是各种智能控制混合算法在污水处理中的应用研究。
污水处理控制水平的提高，主要表现在：①依赖于控制技术的发展，加强自动控制在实际污水处理过程中的应用，针对污水处理面临的新的技术需求，例如污水排放标准的日益提高，低能耗污水处理，污水处理回用，污水中雌激素等痕量元素的去除，污水处理厂剩余污泥的减量化、资源化和无害化，污水处理过程中温室气体的减排等新问题的出现，需要新的解决方案，对污水处理自动控制也相应地提出了新的要求；②依赖于对污水生物处理模型的深入研究，尤其是对污水处理微观机理模型的深入研究、开发或应用新的数学模型，解决污水处理中的复杂问题；
5结论
自动控制技术在传统污水处理领域的研究中已经取得了诸多成果，未来的重点将会转向当前污水处理面临的新技术需求及其解决方案。对污水处理微观机理模型的深入研究有助于控制效果的提高，自动控制的应用可以极大地提高处理效率，节省运行费用，提高出水质量。
参考文献：
[1]范程华，朱武 ．污水生化处理中溶解氧的非线性控制研究[J]．自动化技术与应用，2008，27（2）：22－23．
[2]王丽娟，张建锋．活性污泥水处理模糊控制系统设计[J]．计算机工程与设计，2009，30（18）：4263－4266．
论文作者:王旦
论文发表刊物:《基层建设》2015年17期供稿
论文发表时间:2015/12/3
标签：污水处理论文; 模型论文; 理论论文; 自动控制论文; 判据论文; 系统论文; 模糊论文; 《基层建设》2015年17期供稿论文;