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基于模糊控制的污水曝气系统的研究
一、前言
随着城市化的加快和人口的增长，国内水环境亟待治理。污水处理是水环境治理的重要手段之一。污水处理的核心设备为曝气系统，而曝气系统的控制技术对其运行效率和能耗方面都有直接的影响。因此，如何提高曝气系统的控制精度和效果，成为研究和实践中的重要问题。而模糊控制技术由于其对非线性和不确定性具有鲁棒性的优点，近年来被广泛应用于曝气系统的控制研究中。
本文将主要从模糊控制技术的基本原理、污水曝气系统的结构和控制模型和污水曝气系统模糊控制实例等方面进行论述，旨在为污水曝气系统的实际应用和模糊控制技术的研发提供参考。
二、模糊控制技术的基本原理
模糊控制技术是对传统控制理论的补充。它是一种基于模糊数学的控制技术，可以用于处理不确定和模糊的控制问题。其基本流程包含以下三个部分：
(1)建立模糊推理规则和模糊控制器
模糊控制器由模糊推理规则和基于输入变量的隶属度函数构成。其模糊推理规则可以通过经验或专家知识获得。隶属度函数是对输入变量的模糊化，既可以是三角函数、梯形函数等形式的定值函数，也可以是高斯函数、S型函数等形式的连续函数。
(2)模糊综合
将输入变量通过与隶属函数相组合得到隶属程度，再利用前提和结论之间的模糊关系进行推理，得到输出变量的模糊集合。这一过程也被称为模糊推理。
(3)解模糊
将模糊输出变量转化为实际控制量，可以通过常用的去模糊方法进行，如最大隶属度法、重心法等。根据解模糊后的结果，可以进行实际的控制决策。
三、污水曝气系统的结构和控制模型
(1)污水曝气系统结构
污水曝气系统一般由曝气设备、池体、进出水管道、空气机房和控制设备等组成。其中曝气设备是控制污水曝气系统中最为关键的设备之一，其控制效果直接影响污水处理的效果。常用的曝气设备包括机械曝气和增氧曝气等。机械曝气主要通过机械设备产生大量气泡并将其送入池体中达到曝气目的，而增氧曝气则通过增加曝气槽中氧气浓度和气泡分布均匀性来达到最优的处理效果。
(2)污水曝气系统控制模型
污水曝气系统的控制模型包括曝气量控制模型和氧气控制模型。其中曝气量控制模型是控制曝气设备翻转速度或预设空气流量，以控制进入池体的气体流量和氧气传输量。氧气控制模型是基于进水和回流氧气浓度数据，通过控制曝气设备实现调节进流氧气浓度的目的。
因为这些模型都是非线性的、时变的，且存在测量误差、外部干扰等问题，所以传统的PID等传统控制技术在应对这些问题时显得力不从心。因此，利用模糊控制进行污水曝气系统的控制具有优势。模糊控制可以通过模糊推理对关键参数进行控制，有效降低误差，并适应不确定性和非线性问题。
四、污水曝气系统模糊控制实例
例如对于增氧曝气系统，需要进行翻转速度的控制，可以使用模糊控制器通过对进水量、曝气量、池体压力、氧气含量等多个输入变量进行模糊建模，得到翻转速度的输出控制量。模糊控制器中输入变量的具体描述如下：
进水量：输入变量设计为“小”、“中”、“大”三个隶属度，代表进水量的大小程度；
曝气量：输入变量设计为“小”、“中”、“大”三个隶属度，代表曝气量的大小程度；
池体压力：输入变量设计为“低”、“适中”、“高”三个隶属度，代表池体压力的大小程度；
氧气含量：输入变量设计为“少量”、“中等量”、“大量”三个隶属度，代表氧气含量的大小程度。
进一步，建立模糊推理库，使用这些变量对翻转速度进行控制，例如规则可以为：
IF(进水量为小)AND(曝气量为小)AND(池体压力为低)AND(氧气含量为少量)THEN(翻转速度降低)
IF(进水量为中)AND(曝气量为中)AND(池体压力为适中)AND(氧气含量为中等量)THEN(翻转速度不变)
IF(进水量为大)AND(曝气量为大)AND(池体压力为高)AND(氧气含量为大量)THEN(翻转速度升高)
根据上述设计，就可以通过模糊控制器来实现对污水曝气系统的翻转速度控制。
五、总结
本文主要介绍了模糊控制在污水曝气系统中的应用。模糊控制技术通过建立模糊推理规则和模糊控制器，模糊综合和解模糊，可以有效地应对曝气系统中存在的非线性和不确定性问题。通过采用模糊控制技术，可以实现对曝气系统的精确、快速和稳定的控制，达到高效、低能耗、精准控制的目的。