模糊控制在排水泵站應(yīng)用的可行性

鄭 玏

（武漢市排水泵站管理處，湖北 武漢 430015）

模糊控制是模仿人的思維方式和人的控制經(jīng)驗來實現(xiàn)的一種控制?？刂乒こ淌悄：壿嫷囊粋€主要應(yīng)用領(lǐng)域，最適合應(yīng)用于非線性、時變和無法定義的控制系統(tǒng)。模糊邏輯理論具有描述不精確狀態(tài)的語句，根據(jù)有經(jīng)驗的操作員或者專家的經(jīng)驗和知識定出相應(yīng)的模糊控制規(guī)則。對控制規(guī)則進行形式化處理后存入計算機，然后再模仿人的模糊邏輯推理過程確定推理方法，控制器根據(jù)制定的模糊控制規(guī)則和事先確定好的推理方法進行模糊推理，得到模糊輸出量，即模糊輸出隸屬函數(shù)。根據(jù)模糊推理得到的輸出模糊隸屬函數(shù)，用不同的方法找到一個具有代表性的精確值作為控制量，加到執(zhí)行器上去實現(xiàn)控制。

模糊邏輯技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成熟，許多工業(yè)控制軟件含有這些功能，有些產(chǎn)品還具有專門的模糊控制模塊，如果在泵站工程中把已經(jīng)取得的“經(jīng)驗策略”通過軟件的設(shè)計應(yīng)用到生產(chǎn)運行、故障診斷、節(jié)能降耗中，無疑會使控制系統(tǒng)變得更“聰明”。

對于城市排水泵站，傳統(tǒng)的控制方法是這樣實現(xiàn)的：假設(shè)泵站安裝有3用1備的水泵，根據(jù)工藝?yán)碚?，管道充滿度與流量具有一定的對應(yīng)關(guān)系，因此，按進水管口徑設(shè)定4個水位標(biāo)高，如 H0、H1、H2、H3。當(dāng)水位在 H1時，認(rèn)為管道充滿度對應(yīng)的管道流量等于一臺水泵的流量，此時開起1號水泵（運行一臺水泵）；當(dāng)水位到達H2時，認(rèn)為管道充滿度對應(yīng)的管道流量等于兩臺水泵的流量，開起2號水泵（運行兩臺水泵）；當(dāng)水位到達H3時，開起3號水泵（運行三臺水泵），此時泵站達到預(yù)期的滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)。反之，水位下降到H2時，關(guān)閉3號水泵（運行兩臺水泵），水位下降到H1時，關(guān)閉2號水泵（運行一臺水泵），水位下降到H0時，關(guān)閉1號水泵（水泵全停）。

泵站的模糊控制可以采用PLC（可編程序邏輯控制器）實現(xiàn)。在實際應(yīng)用中，用PLC構(gòu)成模糊控制器有兩種方式，一是使用專用的PLC模糊控制單元，另一種方式是采用與其他數(shù)字控制器相同的硬件結(jié)構(gòu)，即用常規(guī)PLC等來組成硬件部分，而在軟件上用模糊算法取代原來的數(shù)字控制器的數(shù)字控制算法（如PID），這種模糊控制器本質(zhì)上只是一種模糊算法而已，并不需要變更泵站的數(shù)據(jù)采集、通訊網(wǎng)絡(luò)及大多數(shù)設(shè)備，顯然這種作法組成簡單、開銷少、靈活性高、應(yīng)用范圍廣，是目前工業(yè)控制中常用的方法之一。

圖1 模糊控制示意圖

模糊規(guī)則的選擇是模糊控制器的核心，一般分為三個部分，即選擇適當(dāng)?shù)哪：Z言變量，確定各語言變量的隸屬度函數(shù)，最后建立模糊控制規(guī)則。

1 選定模糊控制器輸入輸出變量

在泵站中，模糊控制器考慮為兩輸入單輸出的結(jié)構(gòu)，通過傳感器把要監(jiān)測的物理量變成電量，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把它轉(zhuǎn)換成精確的數(shù)字量。這些物理量包括水位、水位變化率、出水流量等。模糊控制過程中，同時要把系統(tǒng)與設(shè)定值的偏差和偏差變化率作為模糊控制量，這不僅能保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，而且還可以減少超調(diào)量和振蕩現(xiàn)象。為了反映人的思維方式，轉(zhuǎn)換后的物理量劃分為有用的模糊集合，其中輸入變量的模糊集合為：

水位 H＝｛NB：很低，NS：偏低，ZE：中，PS：偏高，PB：很高｝

水位變化率dH＝｛NM：下降，ZE：穩(wěn)定，PM：上漲｝

輸出變量的模糊集合為：

出水流量（水泵開起數(shù)量）Q＝｛ZE：全停，PS：開一臺，PM：開兩臺，PB：開三臺｝

2 確定輸入輸出變量的語言值域（模糊取值及其相應(yīng)的隸屬度函數(shù)）

通?？刂瓶偸怯孟到y(tǒng)的實際輸出值與設(shè)定的期望值相比較，得到一個偏差值，控制器根據(jù)這個偏差值來決定如何對系統(tǒng)加以調(diào)整控制。要采用模糊控制技術(shù)就必須首先把它們轉(zhuǎn)化為模糊集合的隸屬函數(shù)，即模糊化。為了便于工程實現(xiàn)，通常把輸入范圍人為地定義成離散的若干級，所定義級數(shù)的多少取決于所需輸入量的分辨率，為了簡化計算，現(xiàn)在最常用的是三角形。

3 建立控制率（模糊規(guī)則）

規(guī)則是模糊控制的真正靈魂，規(guī)則不僅用簡單的術(shù)語描述水泵的工作，而且還能抓住富于技巧并且可以表現(xiàn)其專長的操作者的經(jīng)驗，這些規(guī)則可以使水泵對語言指令而不是數(shù)字指令作出響應(yīng)。

排水泵站在運行中，操作人員根據(jù)泵站的特性和個人經(jīng)驗?zāi)軌蚴炀毜乜刂扑?，并且還能兼顧其他條件的影響，從整體上合理的運行泵站，這些技能、經(jīng)驗或約束都能以規(guī)則的語言形式表示出來，任何人都可以明白這些規(guī)則，而且增刪容易。

模糊控制規(guī)則的基本形式為：

R：if（條件1 and/or條件2…）then（結(jié)論1 and/or結(jié)論2…）

假設(shè)泵站的控制規(guī)則如下，按照上述形式描述水泵控制的規(guī)則：

規(guī)則一：如果水位很低且不上漲，那么水泵全停。

規(guī)則二：如果水位偏低且不上漲，那么水泵開一臺。

規(guī)則三：如果水位偏低且上漲，那么水泵開兩臺。

規(guī)則四：如果水位中且下降，那么水泵開一臺。

規(guī)則五：如果水位中且穩(wěn)定，那么水泵開兩臺。

規(guī)則六：如果水位中且上漲，那么水泵開三臺。

規(guī)則七：如果水位偏高且下降，那么水泵開兩臺。

規(guī)則八：如果水位偏高且不下降，那么水泵開三臺。

規(guī)則九：如果水位很高且不下降，那么水泵開三臺。

規(guī)則十：如果水位中且水位上漲，那么水泵開兩臺。

4 結(jié)束語

綜上所述，模糊邏輯理論正在越來越深入地走入各個領(lǐng)域，甚至人們?nèi)粘５募彝ド?，模糊控制技術(shù)也正在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其以人為本的優(yōu)勢已經(jīng)為更多的人們所接受。排水泵站采用模糊控制技術(shù)將會更加適合自身特點，提高適應(yīng)能力，并向無人職守化的管理模式靠近。

[1]竇振中編著.模糊邏輯控制技術(shù)及其應(yīng)用（第一版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995.

[2]何克忠，李偉編著.計算機控制系統(tǒng)（第一版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.