基于模糊控制的清水池水位控制系統(tǒng)設計

王小娟，劉俊霞，胡　兵

(新疆工程學院，烏魯木齊　830011)

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基于模糊控制的清水池水位控制系統(tǒng)設計

王小娟，劉俊霞，胡兵

(新疆工程學院，烏魯木齊830011)

清水池水位控制具有時變、滯后、突發(fā)性強等特點，難以準確建立合適的數(shù)學模型，為了達到快速維持清水池水位在期望值，避免所有水泵同時啟停的目的，提出了一種清水池水位模糊控制的方法，該方法借助于MATLAB軟件對控制系統(tǒng)進行了仿真，驗證了模糊控制算法在清水池水位控制系統(tǒng)中應用的合理性，并計算出模糊輸出控制量表，為確定水泵啟停臺數(shù)提供指導；采用了S7-200 PLC控制器和MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)了清水池模糊控制系統(tǒng)的程序設計，給出相應的模糊控制PLC程序，并應用于清水池水位控制系統(tǒng)中；結果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，響應速度快，能夠較好地滿足控制要求;系統(tǒng)將模糊控制理論與實際控制相結合，滿足了清水池水位控制的要求，延長了水泵使用壽命，節(jié)省電能，為清水池水位自動控制提供借鑒。

清水池；模糊控制；PLC；MCGS；S7-200

0　引言

水廠工藝流程包括混合、沉淀、濾池、消毒和清水池等工藝過程，其中清水池具有儲水、保障恒壓供水和調節(jié)水量等重要作用，清水池水位受用戶用水量和水井水泵啟停臺數(shù)的變化而變化，為了維持清水池水位在一定范圍內變化，傳統(tǒng)的方法采用所有水泵同時啟?；蛘哐訒r啟停的方法，這種方法不能根據(jù)水位變化及變化趨勢來調節(jié)水泵啟停的臺數(shù)，容易造成水泵的頻繁啟停，縮短水泵的使用壽命，對短時大量的應急用水反應能力較差。受到清水池面積大和用戶用水隨機性大的影響，對控制系統(tǒng)建立精確的數(shù)學模型很難實現(xiàn)，而模糊控制在模糊集理論的基礎上發(fā)展而來，不需要數(shù)學建模，直接根據(jù)操作人員或者專家的經驗編成模糊規(guī)則進行模糊推理，完成模糊控制[1]，能夠很好地解決這一問題。

1　系統(tǒng)結構及組成

在工業(yè)控制中，PLC由于其穩(wěn)定性、可靠性和很高的性價比，應用廣泛，文章提出以PLC為為控制器，采用模糊控制算法，借助于上位機的組態(tài)軟件，實現(xiàn)清水池水位控制?？刂葡到y(tǒng)結構如圖1所示，系統(tǒng)上位機安裝組態(tài)軟件作為監(jiān)控界面，實時監(jiān)控現(xiàn)場液位、管道壓力、流量、水泵軸承溫度等模擬量的實際值、反映水井水泵的啟停狀態(tài)及系統(tǒng)運行狀態(tài)，根據(jù)需要也可以通過組態(tài)軟件完成手動/自動啟停命令現(xiàn)場設備、設置報警值、修改設定值、保存運行數(shù)據(jù)等任務，系統(tǒng)下位機采用西門子S7-200PLC作為控制器，運用模糊控制算法決定運行多少臺水泵和運行哪臺水泵。從節(jié)省成本上考慮，上位機和下位機之間采用PPI通信，下位機與現(xiàn)場液位、管道壓力等等模擬量輸入之間采用Modbus通信[2]。

圖1　控制系統(tǒng)結構圖

2　模糊控制系統(tǒng)設計

模糊控制系統(tǒng)設計的關鍵是模糊控制器的設計，模糊控制器的設計包括輸入量的模糊化處理，模糊控制規(guī)則的確定，模糊推理模糊決策的實現(xiàn)以及最終的去模糊化[1]，系統(tǒng)原理圖如圖2所示，模糊控制器的輸入量為水位的給定值和水位的測量值的偏差e以及偏差變化率ec，模糊控制器的輸出量u為運行水泵的臺數(shù)，通過繼電器控制水泵的啟停，維持清水池水位在一定范圍內變化。

圖2　控制系統(tǒng)原理圖

2.1輸入輸出及其模糊化

清水池水位高度為0～6 m，要求系統(tǒng)水位維持在1～5 m，設定系統(tǒng)期望水位為3 m，根據(jù)水位偏差e=r-y，其中r為給定水位，y為實際水位輸出，從而確定e的基本論域為[-2,2]。水位偏差的變化率為：

其中:ei為本次水位偏差，ei-1為上一次的水位偏差，確定水位偏差的變化率為[-0.02 m/min,0.02 m/min]。系統(tǒng)有4臺水井水泵，輸出為運行水泵的臺數(shù)，確定輸出u的基本論域為[0,3][3]。

控制系統(tǒng)輸入輸出變量e、ec、u經過離散化和模糊化處理后的變量為E、EC、U，選取偏差E的模糊變化等級為{-2,-1,0,1,2}，模糊語言值為{NB(負大),NS(負小),O(零),PS(正小),PB(正大)}，分別表示清水池水位很高，水位高，水位適中，水位低，水位很低；選擇偏差變化率EC的模糊變化等級為{-2,-1,0,1,2}，模糊語言值為{NB(負大),NS(負小),O(零),PS(正小),PB(正大)}，分別表示清水池水位偏差增大很快，偏差增大快，偏差適中，偏差減小快，偏差減小很快；選取輸出量U的模糊變化等級為{-2,-1,0,1,2}，模糊語言值為{NB(負大),NS(負小),O(零),PS(正小),PB(正大)}，則分別表示水井水泵運行0臺，運行1臺，運行2臺，運行3臺，運行4臺[4]。根據(jù)經驗，結合控制簡單的原則，選取Z形隸屬函數(shù)、三角形隸屬函數(shù)、S形隸屬函數(shù)三者結合的隸屬函數(shù)作為E、EC、U的隸屬函數(shù)，其中NB(負大)選用Z形隸屬函數(shù)；NS(負小),O(零),PS(正小)選用三角形隸屬函數(shù)；PB(正大)選用S形隸屬函數(shù)。偏差E的隸屬的函數(shù)圖如圖3所示，EC和U的隸屬函數(shù)與E相同。

圖3　偏差E的隸屬度函數(shù)圖

2.2模糊控制規(guī)則

模糊控制的控制規(guī)則通常根據(jù)人們的工作經驗來制定，清水池水位模糊控制系統(tǒng)的輸入為水位偏差e和水位偏差變化率ec，輸出量為水井水泵啟動的臺數(shù)u，其中輸入變量正負的意義為：

(1)若水位偏差e為負，表明清水池水位高于給定值；水位偏差e為正，表明清水池水位低于給定值。

(2)水位偏差變化率ec為負，表明清水池水位偏差增大；水位偏差變化率ec為正，表明清水池水位偏差減小。

根據(jù)操作人員的工作經驗，當水位偏差E為負大，水位偏差變化率EC為負大時，表明水位很高且水位上升很快，需要停泵，所以輸出量U選擇負大；當水位偏差E為負大，水位偏差變化率EC為正大時，表明水位很高但水位下降很快，需要適當選擇水泵運行，所以輸出量U選擇零；當水位偏差E為正大，水位偏差變化率EC為正大時，表明水位很低且水位下降很快，需要泵全部運行，所以輸出量U選擇正大[5]。根據(jù)以上經驗可制定模糊控制規(guī)則表如表1所示。

表1　模糊控制規(guī)則表

2.3模糊推理及反模糊

系統(tǒng)模糊推理采用mamdani法，系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表共有25條規(guī)則，每條規(guī)則用“IF - and -THEN”來描述，如IFEisNBandECisNBTHENUisNB，且每條規(guī)則對應的模糊關系[6]為：

Ri=Ei×ECi×Ui

由此得出水位偏差E、水位偏差變化率EC與輸出量U之間總的模糊關系為：

當已知系統(tǒng)的水位偏差E的模糊量、水位偏差變化率EC的模糊量，系統(tǒng)輸出量U的模糊量[6]為：

U=(E×EC)°R

對系統(tǒng)輸出量U的模糊量進行反模糊，根據(jù)面積重心法得到控制量，控制量乘以量化因子就可以得到實際的輸出控制量，如表2所示。

表2　輸出控制量

2.4系統(tǒng)Matlab仿真

為了驗證模糊控制算法的合理性和控制效果，選擇適當參數(shù)[7]，可利用Matlab/Simulink對清水池水位控制進行仿真，在Matlab軟件的命令窗口中輸入fuzzy，進入FIS Editor界面，在界面中設置輸入水位偏差E、水位偏差變化率EC和輸出量水井水泵啟動臺數(shù)U的模糊變化等級和隸屬函數(shù)，如圖所示。根據(jù)模糊控制規(guī)則表，在界面菜單Edit中點擊rules設置模糊關系語句，在界面菜單View中點surface可以查看輸入輸出關系曲面圖，如圖4所示，系統(tǒng)具有響應速度快，可行性好的特點。

圖4　輸入輸出關系曲面圖

3　系統(tǒng)PLC程序設計

從節(jié)省成本和滿足控制要求的角度出發(fā)，系統(tǒng)選用S7-200PLC為控制器，PLC控制器以主程序調用子程序的方式完成輸入數(shù)據(jù)采集，輸入模糊化處理，輸出控制量表的查詢，輸出水泵選擇等控制任務[8]；系統(tǒng)現(xiàn)場變送器選用具有Modbus通信的投入式液位傳感器、擴散硅式的壓力傳感器、轉子式的流量傳感器，將現(xiàn)場采集的液位、壓力、流量、電壓和電流信號經過Modbus總線輸入到PLC的變量存儲區(qū)，在輸入模糊化處理子程序完成現(xiàn)場液位與給定液位的運算，得到偏差e和偏差變化率ec，經模糊化處理后變成偏差E和偏差變化率EC，在輸出控制量表查詢子程序中，系統(tǒng)根據(jù)偏差E和偏差變化率EC查詢輸出控制量表得到輸出水泵的臺數(shù)，在輸出水泵選擇子程序中，系統(tǒng)根據(jù)各臺水泵運行時間的長短，采用輪循的方式運行水泵，以防止某些水泵長期不用而生銹損壞，部分模糊控制PLC程序[9-10]如表3所示。

表3　模糊控制PLC程序(部分)

系統(tǒng)PLC與上位機采用S7-200PPI通信，上位機安裝MCGS組態(tài)軟件，通過完成組態(tài)軟件實時監(jiān)控現(xiàn)場液位、壓力、流量信號的變化，監(jiān)控水井水泵的運行狀況及電流電壓的變化，記錄系統(tǒng)輸入輸出的實時及歷史數(shù)據(jù)，設置報警，修改給定值等等任務，做到省時、省力和節(jié)省人力成本。

4　控制系統(tǒng)運行結果

系統(tǒng)在新疆某水廠清水池控制系統(tǒng)中進行了實驗調試，根據(jù)現(xiàn)場調試現(xiàn)象，對仿真輸出參數(shù)做了一定程度的修改，調試后，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶用水量的變化和水井水泵臺數(shù)的變化而自動啟停水泵的，維持清水池水位在一定范圍內變化，如圖5所示，當前清水池水位為2.63 m，1#水井水泵處于運行狀態(tài)，其余三臺泵處于停止狀態(tài)，具有穩(wěn)定性好，應對水位突變能力強的特點。

圖5　組態(tài)界面圖

5　結束語

系統(tǒng)將模糊控制應用于清水池控制系統(tǒng)，通過Matlab中的Fuzzy實現(xiàn)清水池控制系統(tǒng)的仿真，驗證系統(tǒng)的可行性，結合PLC和MCGS實現(xiàn)清水池控制系統(tǒng)的設計，在應用過程中，系統(tǒng)出現(xiàn)了當偏差變化較小對系統(tǒng)產生干擾的現(xiàn)象，針對此類問題，對系統(tǒng)做了一定程度的改進并應用到新疆地區(qū)某水廠自動控制中，控制效果良好，為清水池控制系統(tǒng)的設計提供了借鑒。

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Designing of Level Control System in Clean Water Tank Based on Fuzzy Control

Wang Xiaojuan , Liu Junxia, Hu Bing

(Xinjiang Institute of Engineering, Urumqi830011, China)

According to the features of the time-variant,time-lag, strong burst and the mathematics model that is hard to build in clean water tank. In order to achieve the goal of rapid maintenance the water level at the expected value in the water tank ,and the start and stop of all the water pump at the same time are avoided. A kind of method has been put forward with fuzzy control.By means of MATLAB software,we simulate the control system and verify the rationality of fuzzy control algorithm using in clear water tank water level control,then calculate the output of fuzzy controller and to provide guidance for determining the pump units of the start and stop. S7-200 PLC controller and MCGS configuration software used,we realized the program design of fuzzy control system for the water tank,and given the corresponding fuzzy control PLC program which was applied to the water level control system of the water tank.The result shows that the system has better stability ,fast response which satisfies the control requirements.The fuzzy control theory is combined with the actual control to meet the requirements of the water level control of the water tank, which can extend the service life of the pump, save the electric energy, and provide reference for the automatic control of the water level in the tank.

clean water tank; fuzzy control; PLC; MCGS;S7-200

1671-4598(2016)04-0105-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.031

TP273

A

2016-01-14；

2016-02-03。

王小娟(1984-)，女，湖北孝感人，碩士，講師，主要從事運籌學和控制論的研究。