環境控制自動化：控制理論新的應用領域
1．引言
我國持續、快速的經濟增長和人民生活質量的改善，對環境保護提出了更高的要求。環境污染自動監測、環境污染治理作為環保產業的重要內容，在我國已大力展開，無論在理論上還是在實踐上都取得了很大進展。為系統運行服務（自動檢測、優化、控制）的控制理論，在環境監測、環境治理中應扮演怎么樣的角色呢？我們將環境監測、環境治理過程的自動控制技術稱之為環境控制自動化。環境控制自動化對從事控制理論研究的研究者來說，是一個新的應用領域，也是極有發展前景的領域，環境控制自動化的研究不僅具有重要的理論意義，也具有重大的實際應用價值。
本文從環境污染自動監測、三廢（廢水、廢氣、垃圾）處理過程自動化控制的角度描述環境控制自動化及其相關技術，討論環境控制自動化領域面臨的問題，從而進一步開展環境控制自動化技術的研究，開辟控制科學在環境控制自動化方面的研究領域，為我國環保產業作貢獻。
2．環境污染自動監測技術
環境污染具有突發性、流動性、廣域性以及迅速擴散性、滲透性，因此如何加強污染源現場監督、實時監控環境狀況、污染變化趨勢、及時發現污染事件、實現污染預測預報以及如何提高現場監督管理的手段和水平、保證企業能夠穩定達標排放、確保環境保護目標的實現是環保工作的關鍵，也是環境污染自動監測的出發點和立腳點。
環境污染自動監測主要涉及到以下三個關鍵技術：
① 環境指標的連續自動監測裝置及技術；
② 遠程數據傳輸裝置及技術；
③ 海量環境信息的數據分析及處理技術；
目前國內外研究人員針對上述關鍵技術展開了深入研究。
1）在連續自動監測裝置方面，以水質監測為例，水質參數在線分析儀（主要檢測COD、TOC、SS、BOD等）的研制近幾年得到了廣泛重視，其產品種類、型號眾多。從測量原理上，這些在線分析儀表基本上可分兩類：①基于標準方法的在線水質分析儀。采用人工化驗、化學分析進行水質參數測量，各個國家都制訂了相應的測量方法及標準，基于標準方法的在線儀表是將人工分析化驗過程加以機械化和自動化，從而實現水質參數的自動測量。國外產品有美國ISCO公司的COD在線分析儀、愛爾蘭Pollutin Control在線TOC分析儀、美國Hach公司TOC在線分析儀。國內產品有江蘇省環境科學研究所的JHC-II型COD自動檢驗儀、蘭州煉化環保儀器研究所的碧月牌5B型COD在線速測儀，但產品的技術水平、性能與國外存在一定的差距。②基于光譜分析方法的在線水質分析儀。這類儀表并不是直接分析測量水質參數，而是根據水樣吸收光譜與水質參數之間存在的相關性，通過測量水樣的吸收光譜數據間接計算水質參數。國外的產品有法國EFS公司的水質在線分析儀OptiLIS、法國AWA公司單/多參數在線水質分析儀表Uvpcx，國內沒有類似產品。
2）在遠程數據傳輸裝置方面。目前大多數的環保監測網絡是由監測終端（通訊終端，俗稱"黑匣子"）的內置調制解調器，通過電話網同管理部門的計算機相連，使管理部門的計算機可以實時接收各監測終端的數據。這種采用撥號實現遠程數據傳輸的方式盡管幾乎不需要建造成本，但對于24小時不間斷通信，電話費也是相當高（需要長途），并且在數據的安全性完整性以及傳輸速度等方面不能令人滿意。隨著寬帶技術的廣泛普及，借助于中國網通、中國電信的寬帶網絡構筑環保監測的虛擬專用網絡（VPN，Virtual Private Network）是節省投資、降低運行費用的有效途徑。虛擬專用網幾乎不需要增加任何投資，就可實現環境監測的跨地域連網，并通過加密、認證、封裝以及密鑰交換等技術保證了數據傳輸的安全性和完整性。另外，可以利用中國移動公司、中國聯通公司的移動通信網分布廣、無盲點、無線連接等特點，實現環境信息的自動傳輸，也是數據傳輸的趨勢。
3）在海量環境信息處理技術方面，結合數據融合和數據挖掘、智能化建模與預測、故障診斷等自動控制技術實現污染變化趨勢的實時監控、污染事件的及時發現、污染預測預報和污染源的定位。這方面的研究目前仍處在探索中。
3．環境治理過程自動化技術
環境治理主要包括廢水、廢氣、垃圾的三廢處理，下面從三廢處理的典型過程出發，討論相關的自動化技術。
1）廢水生化處理過程的自動化技術
廢水生化處理過程是通過微生物作用以及硝化與反硝化作用，將有機污染物轉變成無害的氣體產物（如CO2，NO2，N2）、液體產物（如水）以及富含有機物的固態產物（如生物污泥），其中生物污泥通過沉淀池的固液分離從凈化后的廢水中除去。廢水處理過程實際上是將液態的有機污染物轉變成固體產物。典型的生化處理過程如圖1所示，該工藝又稱活性污泥法，主要包括生化反應池和沉淀池。
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在生化反應池，微生物消化有機污染物養料而生長和繁殖。在沉淀池，微生物（污泥）通過重力作用進行固液分離并沉淀到池底。處理過的廢水從沉淀池溢出并排入江河。沉淀在沉淀池中的污泥一部分回流到反應池以維持適當的污泥濃度（微生物濃度），剩余污泥經壓濾脫水處理后作為固體廢物進行進一步處理（如有機固體廢物可作有機肥，或進行厭氧處理產生沼氣，或焚燒或填埋）。生化反應池根據不同的處理工藝包括厭氧和/或缺氧/好氧等階段，如AO工藝包括厭氧和好氧兩部分，A2O工藝包括厭氧、缺氧、好氧三部分，SBR（序批式反應器）則將生化池和沉淀池合二為一，即在一個池內通過順序控制實現生化反應和固液分離。
在生化廢水處理過程中采用自動控制技術不僅保證微生物生長環境和新陳代謝最優，而且提高系統的可靠性和穩定性、降低運行成本和維護成本、保證出水質量符合排放標準。
在廢水生化處理過程中，通過溶解氧控制和污泥回流控制達到廢水處理過程的控制目標。目前，廢水生化處理過程控制系統多為遞階的2階控制，在上層采用最優化控制、模糊控制、專家控制等方法進行溶解氧濃度、污泥回流控制的優化計算，在下層采用開關控制、PID控制、自適應控制、模糊控制等方法進行設定控制。
· 溶解氧濃度控制：好氧池中的氧氣不足和過量都會導致污泥生存環境的惡化。當氧氣不足時，一方面由于好氧池中絲狀菌會大量繁殖，最終產生污泥膨脹；另一方面由于好氧菌的生長速率降低從而引起出水水質的下降。而氧氣過量（即過量曝氣）會引起懸浮固體沉降性能變差，能耗也會過高；另外，含有過高溶解氧的污泥回流到厭氧區（或缺氧區），會抑制該區厭氧菌的生長。由于溶解氧的控制涉及到微生物的生長環境以及處理過程的能耗，因此，DO控制一直是研究的重點。溶解氧濃度控制的實施，可以達到40%左右的節能。
· 污泥回流控制：污泥中生長著大量的微生物，通過污泥回流確保生化池的微生物達到一定濃度。污泥回流少，生化池的微生物濃度（用混合液懸浮固體濃度MLSS表達）偏低，細菌的生長率下降，影響污水處理效果，并且污泥回流過少，意味著污泥排放量的增加，從而增加污泥處理費用。而污泥回流過量時，沉淀池的進水量增加，從而增加了沉淀池的水力沖擊，影響沉淀池的固液分離效果，使一些本來可沉淀在池底的顆粒性有機物隨出水一道排出。另外，高泥齡的污泥處理污水能力降低，必須及時排出。常規的污泥回流控制是F/M（Food/Micro-organism, 有機養料與微生物比）的常量控制，即進水有機物增多，回流污泥也增加。這種控制方法會嚴重引起沉淀池的水力沖擊，例如當進水流量增加時，為了保持F/M，需要增加污泥回流量，這樣沉淀池的進水量就大大增加，從而增加了水力沖擊，影響固液分離效果，使出水SS濃度增加。目前，模糊控制是污泥回流控制的主要手段。
2）垃圾焚燒過程的自動化技術
科技的進步促進了經濟的發展和生活水平的提高，同時也大大增加了各類垃圾的產量，目前我國人均生活垃圾年產量為440公斤，全國城市垃圾的年產量達1.5億噸，且每年以8%至10%的速度增長，全國歷年垃圾存量已超過60億噸。我國大約有2/3的城市陷入了垃圾圍城的困境，而且垃圾處理率很低。垃圾對環境造成日益嚴重的污染，控制垃圾污染已成為全球性的環保熱點問題。目前主要有填埋、堆肥、焚燒等垃圾處理方法。焚燒技術由于具有顯著的減容、穩定和無害化效果而得到迅速發展。焚燒的目的在于可燃性垃圾和空氣中的氧起反應引起燃燒，把垃圾轉換成燃燒氣體、減容且穩定化的固體殘渣。如果焚燒不良，會產生黑煙引起二次污染，且在殘渣中殘留著未燃部分。垃圾焚燒過程的控制就是要實現垃圾的充分燃燒、減少二次污染、充分利用焚燒產生熱量。在歐美及日本都在積極展開垃圾焚燒過程自動化方面的研究。在我國，這方面的理論研究還處在空白階段，這是由于一方面國內垃圾焚燒技術的研究也剛剛興起，另一方面焚燒過程復雜，自動化面臨的難度大。
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圖2給出了常見的垃圾焚燒爐，主要包括爐膛（干燥室和燃燒室）、后燃燒室和鍋爐。垃圾從滑槽落到焚燒爐的送料器上，控制系統根據焚燒爐燃燒情況控制送料器進料，將垃圾送到焚燒爐的第1部分即爐膛。爐膛用回轉式爐柵。垃圾在爐膛的前段干燥后，隨著爐柵的運動由干燥區移到燃燒區進行分解燃燒。在爐柵下輸入燃燒所需的空氣。未充分燃燒的煙氣進入后燃燒室與輸入的空氣完全燃燒。高溫氣體進入鍋爐進行熱交換產生蒸汽帶動蒸汽機發電。
在垃圾焚燒爐中，操作變量主要有1）垃圾送料速度；2）爐膛的空氣輸入流速；3）后燃燒室的空氣輸入流速；4）助燃劑流速。被控變量主要有：1）蒸汽產生量；2）后燃燒室出口煙氣中的氧氣含量或CO含量；3）后燃燒室的溫度分布。控制目標就是根據被控變量和操作變量，設計控制系統使得蒸汽產生量最大且恒定、垃圾充分燃燒、助燃劑最小，并且出口氣體CO含量滿足環保部門制定的標準。
由于垃圾組分相當復雜，熱值、濕度等變化很大，質量、形狀千差萬別，燃燒過程有很大的滯后，所產生熱量也有很大的波動。垃圾焚燒過程是多輸入多輸出、多目標、不確定、大滯后的非線性系統。目前垃圾焚燒過程多以常規的PID控制和智能控制為主。
為了保證垃圾的徹底分解、惡臭充分氧化、碳的充分燃燒以防止煙氣的產生，需要實現焚燒過程的溫度控制（700℃-850℃左右）。從控制回路角度，垃圾焚燒過程主要包括相互耦合的空氣流量控制、垃圾送料控制、助燃劑流量控制等。
· 空氣流量控制：燃燒室空氣即氧氣缺乏時，會導致不完全燃燒。而空氣過量時，燃燒室溫度下降，就會產生一些高溫才能分解的污染物如二惡英。常規控制是根據鍋爐的出
汽量控制空氣流量，出汽量低則增加空氣流量，出汽量高則降低空氣流量。這種控制方法的缺點是由于出汽量滯后很大，不能反映當時燃燒室爐溫。
· 垃圾送料控制：常規控制方法是根據燃燒室出口氣體氧含量控制，氧含量過高，認為燃燒室缺乏燃料，需加入垃圾。氧含量低于設定值，則認為氧氣消耗大，應停止垃圾送料。由于出口氣體氧含量不僅與燃燒狀態有關，而且與空氣流量有關，因此這種方法只適用于空氣流量恒定的焚燒爐。如果以鍋爐出汽量為被控變量，垃圾送料作為操作變量，由于垃圾焚燒過程存在逆響應過程（Inverse Response Process）, 因此采用常規的PID控制，其效果很差，即使采用自整定PID控制方法其效果也不理想。
· 助燃劑流量控制：助燃劑的加入是為了更充分的燃燒和溫度保持在設定值。因此，常規的控制方案是基于鍋爐出汽量與其設定值之差的PI控制。由于空氣不僅參與垃圾焚燒，也參與了助燃劑燃燒，因此空氣流量的控制除常規基于出口氧氣含量與設定值之差的PI控制外還應增加助燃劑的比值控制。從系統運行結果看，這種常規的控制方法在性能上滿足要求，鍋爐出汽量穩定，但是這是以犧牲助燃劑為代價，因此系統運行成本較高。
3）廢氣電除塵處理過程的自動化技術
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廢氣治理主要包括煙氣脫硫技術、除塵技術和有毒氣體處理技術等。在此主要敘述除塵過程中的電除塵技術。僅由一根導線和一個導管組成的簡單化電除塵裝置如圖3所示。安裝在導管軸線上的導線是放電電極（一般為負極），而導管為收集電極（一般為正極）。在電除塵的導管內由于高壓電場產生電子電荷，這樣當顆粒性煙氣從電除塵入口進入時，電子電荷傳遞給粉塵微粒，電場中帶電粉塵微粒移向收集電極，從而帶電粉塵微粒粘貼于收集電極表面。振打控制系統將粉塵振落，收集在底部灰斗中。卸灰系統從灰斗中清除粉塵。
從控制角度，電除塵控制系統分為高壓供電控制和低壓控制。高壓供電控制系統是根據電除塵器電場煙塵條件的變化，向電場施加所需的高電壓，提供所需的電暈電流，以利于粉塵的荷電和捕集。電除塵器的低壓控制系統主要包括陰陽極振打控制、料位檢測與卸灰自動控制、絕緣子加熱恒溫控制。
① 高壓供電系統的控制
·最大收塵效率法。由于除塵效率取決于操作電壓的輸出，因此，只要這種直流高壓輸出的控制特性滿足電除塵器的各種狀態，提供與這一狀態相適應的最佳（最大）電壓，就可保證收塵率最大。這個最大電壓通過火花率檢測或電壓增量的檢測或臨界火花點的檢測而得到，也就是電除塵控制中的火花率控制、最高平均電壓控制、臨界火花控制。這種以收塵率為最大的控制策略盡管對不同的粉塵、不同的電場具有好的魯棒性，但從能耗角度，是不經濟的。
·最優控制法。即采用最優化計算方法計算最優操作電壓，并確保操作電壓維持在最優電壓上。在實際運行中操作電壓的最優化計算不僅要考慮收塵效率，而且還應考慮電能的消耗。也就是說，在滿足出口粉塵濁度要求的前提下，應盡可能減少能耗。
·出口濁度控制方法。將出口的濁度信號反饋到控制系統構成閉環控制。目前大多數出口濁度控制以經驗為主。
②低壓控制系統
·振打清灰控制：振打清灰是電除塵的主要過程，其清灰效果不僅與施加在陰、陽極上的振打加速度有關，而且振打周期對其影響也很大。振打周期太長，粉塵堆積過厚，會使陰、陽極之間電壓降低，振打過于頻繁，容易產生二次揚塵，二者都會影響除塵效果。因此，選擇合理的振打周期，將有助于更好地清灰和提高除塵效率。目前，振打周期的確定，都建立在試驗和經驗的基礎上。
·卸灰自動控制：進入電除塵器的粉塵被陰陽極捕獲后，由振打系統振落在灰斗中，這些灰料應適時排送出去，灰料堆積太多，除了增加灰斗的荷重外，嚴重時還會造成陰陽極之間短路，使電除塵器無法正常運行，相反，灰斗中沒有儲灰，在灰斗出口會出現漏風，引起二次揚塵，使除塵效率降低。
·絕緣子加熱恒溫控制：對電除塵器的陰極支撐絕緣子采取密封和加熱保溫措施，使該處溫度保持在粉塵露點溫度之上，是使電場操作電壓能維持較高水平的重要手段。
4．浙江大學智能系統與決策研究所在環境控制自動化的研究成果
作為控制理論在環境監測、環境治理領域的應用，環境控制自動化隨著環保產業的蓬勃發展，有著廣闊的發展前景。浙江大學智能系統與決策研究所將環境控制自動化作為學科建設和發展的重要方向，在以下幾方面進行了深入的研究：
1）大范圍環境污染監控系統的數據挖掘，用于污染預報、污染源定位、污染防止決策支持等；
2）城市綜合污水處理過程的建模、控制與優化，完成了多家城市污水處理廠計算機自動控制系統的設計、開發、安裝、調試；
3）在線環境監測儀表研制，包括基于光譜分析方法的多參數在線水師分析儀，可以測量COD、TOC、SS、硝酸鹽濃度等多種水質參數，目前已研制成功樣機。
環境控制自動化是一門新興綜合性技術，如何在我國全面開展環境控制自動化領域的研究，以及如何提升我國環保產業的自動化程度、提高環保產業的科技含量是從事控制科學與工程、環境科學與工程研究必須要關注的問題。
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