泵站水位控制系統(tǒng)的改造

張勝

（佛山市禪城區(qū)張槎街道水利所，廣東佛山528000）

泵站水位控制系統(tǒng)的改造

張勝

（佛山市禪城區(qū)張槎街道水利所，廣東佛山528000）

基于佛山市個別泵站水位控制系統(tǒng)存在水位自我調(diào)節(jié)能力差的缺點，提出了一種泵站水位控制系統(tǒng)的改造方案。該方案首先將常規(guī)PID控制器模糊化，建立模糊PID控制器，然后通過Scilab仿真軟件對其進(jìn)行仿真，最后證明模糊PID控制器的優(yōu)越性。

泵站；水位調(diào)節(jié)；模糊控制

佛山是廣東農(nóng)業(yè)重地，也是水利大市，水利在佛山經(jīng)濟發(fā)展中占有不可或缺的重要地位。泵站作為供水的動力工具及重要的工程措施，在防洪、防澇、灌溉、調(diào)水、抗旱減災(zāi)以及工農(nóng)業(yè)用水和城鄉(xiāng)居民生活供水等方面發(fā)揮著重要作用［1］。

雖然水利占佛山經(jīng)濟重要一席，但是佛山個別泵站的設(shè)施依然落后，更不用說泵站的核心系統(tǒng)。通過調(diào)查，筆者發(fā)現(xiàn)這些泵站系統(tǒng)所使用的技術(shù)是傳統(tǒng)PID控制技術(shù)，該技術(shù)控制適應(yīng)性好，有較強魯棒性，在動態(tài)過程中可得到快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的優(yōu)點。然而傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)不能應(yīng)用在變量多、耦合強的系統(tǒng)中，更不能應(yīng)用在控制性能要求高的場合［2-4］。

隨著社會的快速發(fā)展，泵站應(yīng)對的環(huán)境更加復(fù)雜。鑒于此，本文提出了泵站系統(tǒng)的改造方案，該方案將傳統(tǒng)PID控制器模糊化，使得系統(tǒng)具有自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)能力，從而能自我調(diào)節(jié)泵站水位。

1　PID控制的原理

傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)是由PID控制器、比較器和被控對象組成，如圖1所示。

圖1PID系統(tǒng)示意

圖1中，比較器產(chǎn)生的偏差值輸入到PID控制器中，之后經(jīng)過比例、積分和微分整合的輸出來控制被控對象［5］。從圖1中可得系統(tǒng)的偏插值為

作為PID系統(tǒng)的中間值，從PID控制器輸出，之后輸入到被控對象中。因此傳統(tǒng)PID控制器的控制表達(dá)式為［6］

其中，為Kp比例系數(shù)，是用來加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。如果Kp過大，會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。Ki為積分系數(shù)，是用來消除系統(tǒng)運行過程中穩(wěn)態(tài)下的誤差。如果Ki過大，會引起超調(diào)現(xiàn)象。Kd為微分系數(shù)，是用來影響系統(tǒng)的動態(tài)特性。如果Kd過大，會延長系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間，降低抗干擾能力。

2　模糊PID控制器的設(shè)計

模糊PID控制器是運用模糊控制算法對常規(guī)PID控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到自適應(yīng)調(diào)節(jié)的控制效果，其由常規(guī)PID控制器和模糊控制模塊兩大重要部分組成。根據(jù)已設(shè)的輸入信號和反饋信號，計算機首先計算系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，然后利用模糊規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的模糊推理，最后將輸出的比例、積分和微分輸入到常規(guī)PID控制器中，使得控制器更好地控制被控對象［7］，如圖2所示。

圖2　模糊PID控制結(jié)構(gòu)

2.1模糊PID控制器的工作流程

考慮到模糊PID控制器的硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)，其設(shè)計思想和工作流程都是一樣的。因此，本文采用軟件設(shè)計的方式來設(shè)計模糊PID控制器硬件，其工作流程如圖3所示。首先將上一次計算的Kp、Ki、Kd作為當(dāng)前的采樣值，然后根據(jù)相關(guān)公式分別計算系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，最后使用模糊規(guī)則推理計算出Kp、Ki、Kd的增量ΔKp、ΔKi、ΔKd。該增量與采樣值經(jīng)過PID控制器處理后產(chǎn)生的值再作用于被控對象。

圖3　模糊PID控制器工作流程

2.2模糊化處理

模糊化處理是常規(guī)PID控制器成為模糊PID控制器的重要一步，該處理可降低系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。模糊控制算法在已有常規(guī)PID控制算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的調(diào)整與修改。首先計算PID控制器的系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，然后使用通用的模糊規(guī)則對系統(tǒng)誤差和誤差變化率進(jìn)行一定的模糊推理，最后通過得出的模糊矩形對Kp、Ki、Kd這3個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，這樣就可以得出參數(shù)修正式，即

其中，Kp′、Ki′、Kd′分別為Kp、Ki、Kd前一次的計算值，ΔKp、ΔKi、ΔKd為模糊推理計算出來的參數(shù)值。

若模糊控制器的輸入變量為系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，則輸出變量為ΔKp、ΔKi、ΔKd。將輸入和輸出變量組成模糊子集，則該模糊子集為｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝，子集中元素分別代表隸屬函數(shù)的負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。模糊子集數(shù)量的多少決定了模糊的精細(xì)度。如果模糊子集過少，則模糊精度大大降低；如果模糊子集過大，精細(xì)度提高，但控制會變得復(fù)雜。鑒于此原則，本文設(shè)模糊子集的論域為［-3，3］，量化等級為｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝。模糊子集的隸屬函數(shù)NB，PB選用高斯函數(shù)，其他選用高靈敏度、等距離的三角形函數(shù)，如圖4所示。

圖4　e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd隸屬函數(shù)曲線

3　軟件仿真

為了驗證上述設(shè)計模糊PID控制器的優(yōu)越性，本文采用Scilab開源軟件對其建立了水泵控制水位系統(tǒng)的仿真模型，該仿真模型將模糊PID控制器和傳統(tǒng)PID控制器設(shè)計成同一系統(tǒng)中。圖5為水泵水位控制系統(tǒng)。圖5中，本文將模糊參數(shù)自調(diào)整控制器封裝成模糊PID子系統(tǒng)；將異步電動機模型封裝成電動機子系統(tǒng)；基于水泵負(fù)載f與n其轉(zhuǎn)速的平方成正比和流量L與轉(zhuǎn)速n成正比，因此添加負(fù)載系數(shù)和增益系數(shù)；再加上水池模型就形成了整個仿真系統(tǒng)了。

圖5　水泵水位控制系統(tǒng)示意

仿真的初始化是將水位設(shè)置為4.8 m，最大注入量為5 m。當(dāng)系統(tǒng)運行到t=2 500 s時增加一個流量干擾信號。經(jīng)過測試與仿真，得出如圖6所示的水位控制仿真曲線。根據(jù)圖6中曲線波動走勢可知，無論在上升時間、調(diào)整時間和穩(wěn)定時間，還是在超調(diào)量上，模糊PID控制器的曲線都比常規(guī)PID控制器的曲線要短，而且抗干擾的能力也大大地提高。

由此可知，模糊PID控制器比常規(guī)PID的控制效果更好。

圖6　水位控制仿真曲線示意

4　小結(jié)

本文給出泵站水位控制系統(tǒng)的改造方案，該方案利用模糊邏輯理論對常規(guī)PID控制器進(jìn)行優(yōu)化，并使用Scilab開源軟件對模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行了運動仿真。由仿真結(jié)果可知，模糊PID控制器比常規(guī)PID的控制效果更好，更容易控制被控對象。

［1］王學(xué)明.泵站自動化的發(fā)展趨勢［J］.科技信息，2011（23）：475-476.

［2］李自淼.輸油泵站的PID控制技術(shù)研究［D］.長春：長春工業(yè)大學(xué)，2014.

［3］丁周偉.泵站恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

［4］彭金濤.基于模糊PID的分布式泵站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010，29（12）：13-14.

［5］劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［6］李健，王冬青，王麗美.模糊PID控制器設(shè)計及MATLAB仿真［J］.工業(yè)控制計算機，2011，24（5）：56-57.

［7］沈峰.基于FPGA的模糊PID控制器設(shè)計［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2012.

【責(zé)任編輯：任小平renxp90@163.com】

Improvement of a level control system in pump station

ZHANGSheng

（Zhangcha Water Conservancy，F(xiàn)oshan 528000，China）

This paper introduces an improvement scheme of level control system based on shortcoming that is bad self-control level tocontrol systemin pump station in Foshan.The paper designs fuzzyPID controller that makes traditional PIDcontroller fuzzyand proves its superiorityvia Scilab simulation.

pump station；level control；fuzzycontrol

TV675

A

1008-0171（2016）04-0044-04

2015-01-13

張 勝（1968-），男，廣東高州人，佛山市禪城區(qū)張槎街道水利所工程師。