Modeling and Intelligent Control for Activated Sludge Process

활성슬러지 공정을 위한 모델링과 지능제어의 적용

  • Cheon, Seong-pyo (Department of Electrical Engineering, Pusan National University) ;
  • Kim, Bongchul (Department of Electrical Engineering, Pusan National University) ;
  • Kim, Sungshin (Department of Electrical Engineering, Pusan National University) ;
  • Kim, Chang-Won (Department of Environmental Engineering, Pusan National University) ;
  • Kim, Sanghyun (Department of Environmental Engineering, Pusan National University) ;
  • Woo, Hae-Jin (Institute for Environmental Technology and Industry, Pusan National University)
  • 천성표 (부산대학교 전기공학과) ;
  • 김봉철 (부산대학교 전기공학과) ;
  • 김성신 (부산대학교 전기공학과) ;
  • 김창원 (부산대학교 환경공학과) ;
  • 김상현 (부산대학교 환경공학과) ;
  • 우혜진 (부산대학교 환경기술산업개발연구센터)
  • Received : 2000.05.09
  • Accepted : 2000.08.25
  • Published : 2000.10.30


The main motivation of this research is to develop an intelligent control strategy for Activated Sludge Process (ASP). ASP is a complex and nonlinear dynamic system because of the characteristic of wastewater, the change in influent flow rate, weather conditions, and etc. The mathematical model of ASP also includes uncertainties which are ignored or not considered by process engineer or controller designer. The ASP is generally controlled by a PID controller that consists of fixed proportional, integral, and derivative gain values. The PID gains are adjusted by the expert who has much experience in the ASP. The ASP model based on $Matlab^{(R)}5.3/Simulink^{(R)}3.0$ is developed in this paper. The performance of the model is tested by IWA(International Water Association) and COST(European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research) data that include steady-state results during 14 days. The advantage of the developed model is that the user can easily modify or change the controller by the help of the graphical user interface. The ASP model as a typical nonlinear system can be used to simulate and test the proposed controller for an educational purpose. Various control methods are applied to the ASP model and the control results are compared to apply the proposed intelligent control strategy to a real ASP. Three control methods are designed and tested: conventional PID controller, fuzzy logic control approach to modify setpoints, and fuzzy-PID control method. The proposed setpoints changer based on the fuzzy logic shows a better performance and robustness under disturbances. The objective function can be defined and included in the proposed control strategy to improve the effluent water quality and to reduce the operating cost in a real ASP.

활성슬러지 공정에 기반을 둔 연속식반응기는 시스템이 가진 고유한 비선형성뿐만 아니라 계절, 기후 등의 환경변화에 따른 유입수의 유량 및 특성 등의 외부적인 조건의 변화를 고려하여 제어하여야 한다. 수학적 모델링 과정에서 고려하지 못했거나 무시되었던 부분을 포함한 시스템에 관련된 특징과 한정된 공간에서 기본적인 제어방법에 의한 현재의 운전방법을 고려하여 불 때 활성슬러지 공정은 개선할 수 있는 여지가 많다. 또한 숙련된 운전자의 지식을 구현할 수 있는 지능제어기법을 적용하여 전체적인 공정의 효율 향상을 도모할 수 있다. 제어방법의 적용에 앞서 제어대상공정인 활성슬러지 공정을 분석하여 이를 $Matlab^{(R)}5.3/Simulink^{(R)}3.0$을 이용하여 연속식반응기 모델을 구현하였다. IWA(International Water Association)와 COST(European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research)에서 제시한 정상상태의 유입수 특성을 이용하여 모델의 정확성을 검증하였다. 본 논문에서는 이미 현장에서 사용중인 제어기법의 구현 및 성능 평가뿐만 아니라 다양한 고급제어기법들을 적용하여 새롭게 제안한 제어기법들이 실제 폐수처리장에 적용가능한지 여부를 검증하였다. 제어방법으로는 현장에서 일반적으로 사용되고 있는 비례-적분-미분제어기(Proportional-Integral-Derivative Controller; PID controller)와 PID제어기가 가진 장점과 퍼지 논리 제어기법이 가진 장점을 결합함과 동시에 제어기의 성능 향상 및 경제성을 높일 수 있는 퍼지 PID이득 조절기(fuzzy PID gain tuner)와 퍼지 셋포인트 변환기(fuzzy setpoint changer)를 적용하여 봄으로써 외란에 대해 강인한 제어기 설계의 가능성을 검증하였다.



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