基于模糊控制的恒壓供水系統(tǒng)的研究

張坤平 鄭棟梁

摘 要：恒壓供水系統(tǒng)在目前的供水系統(tǒng)中屬于十分重要的一種類型，有著十分廣泛的應用，并且發(fā)揮著十分重要的作用。在目前的恒壓供水系統(tǒng)中，模糊控制理論有著十分廣泛的應用，并且在強化恒壓供水系統(tǒng)功能方面發(fā)揮著十分重要的作用，因而對于恒壓供水系統(tǒng)中模糊控制理論的應用需要加強認識。本文就基于模糊控制的恒壓供水系統(tǒng)進行分析，從而為恒壓供水系統(tǒng)的應用提供依據(jù)與理論支持。

關(guān)鍵詞：恒壓供水系統(tǒng)；模糊控制；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.142

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)不斷進步與發(fā)展，各種電氣工程也十分較好發(fā)展，在這種形勢下，恒壓供水系統(tǒng)也得以較好發(fā)展，并且各種電氣工程相關(guān)理論在恒業(yè)供水系統(tǒng)中也得以應用，模糊控制理論就是其中比較重要的一種。作為相關(guān)研究及技術(shù)人員，應當對基于模糊控制的恒壓供水系統(tǒng)進行研究，從而對其充分認識及把握，促使恒壓供水系統(tǒng)在模糊控制理論支持下更好發(fā)揮其作用，進而使其該系統(tǒng)的更好發(fā)展，使其更符合實際應用需求。

1 恒壓供水系統(tǒng)原理及特點

1.1 恒壓供水系統(tǒng)原理

目前，我國大多數(shù)城市內(nèi)的供水方式都是選擇恒壓供水系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)中由于對變頻調(diào)速技術(shù)進行應用，相比于傳統(tǒng)供水方式而言，其管網(wǎng)水壓更加恒定，自動化程度得以提升，并且能夠節(jié)約電能，還能夠提升運行可靠性與供水質(zhì)量。對于恒壓供水系統(tǒng)而言，其構(gòu)成主要包括變頻器、PLC控制器以及壓力變送器與水泵機等相關(guān)內(nèi)容。本文研究中是對某城市供水廠的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)實行改造，在原本控制系統(tǒng)中，其PLC控制器僅僅選擇PID控制算法，一臺變頻器能夠?qū)θ_水泵電機實行控制，以實現(xiàn)恒壓供水。在這一系統(tǒng)的實際應用過程中，利用在供水管網(wǎng)出口所安裝的壓力變送器，可對實際管網(wǎng)壓力值進行檢測，通過對系統(tǒng)給定壓力值與實際壓力值進行比較，可將壓力誤差獲取，并且傳達給PLC控制器，在進行PID控制算法處理之后，向變頻器輸出控制信號，而后利用變頻器輸出信號控制水泵。在系統(tǒng)實際運行中，通過變頻器的利用可使三臺水泵能夠平滑啟動，依據(jù)實際用水量將需要在工作中運行的水泵電機臺數(shù)確定，同時可使水泵電機實現(xiàn)啟動與停止以及工頻與變頻之間切換。通過對工作中所投入的水泵電機臺數(shù)進行調(diào)整，并且變頻器對水泵電機轉(zhuǎn)速實行實時調(diào)節(jié)，能夠快速跟蹤及調(diào)節(jié)供水管網(wǎng)壓力，從而實現(xiàn)恒壓供水。

1.2 恒壓供水系統(tǒng)特點

第一，供水系統(tǒng)的揚程特點。對于系統(tǒng)揚程特點，其需要以管道橫截面不變?yōu)榛A(chǔ)進行研究，通過揚程特性曲線，可使特定轉(zhuǎn)速下水泵揚程與流量存在的關(guān)系。就供水系統(tǒng)的實際運行情況而言，在流量增加的情況下，其管組損耗也會逐漸增大，此時揚程會有所減小。在閥門開度以及水泵轉(zhuǎn)速均能夠固定的基礎(chǔ)上，用戶實際用水情況對于水流量大小可起到?jīng)Q定作用。第二，管阻特點。對于管阻特性而言，其所反映的就是在保持水泵轉(zhuǎn)速固定基礎(chǔ)上，在閥門保持一定開度情況下，揚程和流量之間所存在的關(guān)系。依據(jù)實踐情況而言，其閥門開度確定情況下，隨著揚程不斷增加，其流量也會不斷增加。在這一揚程下，若對閥門開度進行調(diào)節(jié)，則會導致給水能力產(chǎn)生一定變化。第三，供水系統(tǒng)工作點。對供水系統(tǒng)工作點，其所指的就是與揚程特點及管阻特點同時符合狀況下的時間點，在這種情況下供水系統(tǒng)能夠同時滿足揚程特點與管阻特點，也就是說供水系統(tǒng)中的給水量與用戶用水量能夠保持平衡，供水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運行[1-2]。

2 模糊控制思想及模糊控制器設(shè)計

2.1 模糊控制思想

在恒壓供水系統(tǒng)中，通過對模糊控制技術(shù)進行利用，可使系統(tǒng)動態(tài)性能實現(xiàn)有效提升，但是在模糊控制中，其所依據(jù)的相關(guān)控制規(guī)則，不具備自我調(diào)整能力及自我學習能力，同時系統(tǒng)穩(wěn)定性能不夠理想，會導致控制效果很難達到比較滿意的程度，因此在實際應用中往往將模糊控制與PID控制進行有效結(jié)合，使得模糊-PID控制理念得以實現(xiàn)。對于這一設(shè)計理論而言，其具體思路如下：在壓力誤差值比較大的情況下，選擇并應用模糊控制，能夠得到比較理想的動態(tài)響應；而在壓力誤差比較小的情況下，利用PID控制能夠得到比較理想的穩(wěn)態(tài)響應。在模糊-PID控制系統(tǒng)中，對于其所應用的模糊控制算法及PID控制算法而言，均通過PLC程序得以實現(xiàn)。在模糊-PID控制器中，其所包括的內(nèi)容主要就是模糊控制器與PID控制器，其相比于常規(guī)PID控制器而言，其能夠系統(tǒng)魯棒性得以提升，可使系統(tǒng)抗外部干擾能力增強，并且能夠更好適應內(nèi)部參數(shù)變化，使超調(diào)能夠得以減少，還能夠使系統(tǒng)動態(tài)特性得以改善。這種類型的控制器相比于簡單模糊控制器而言，可使穩(wěn)態(tài)誤差得以減小，使平衡點穩(wěn)定度得以有效提升。

2.2 模糊控制器設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，對于模糊控制器部分而言，在實際設(shè)計中選擇二維模糊控制器，選擇壓力誤差е以及誤差變化率?е，將其作為輸入變量，選擇控制量變化?ц，將其作為輸出變量。對于系統(tǒng)定義誤差，其偏差語言變量表示為E，而對于誤差變化率的偏差語言變量，將其表示為?E，對于輸出量?ц，其語言變量表示為?U，選擇E、?E以及?U，將其作為模糊子集，并且對其論域進行量化，形成七個等級，對模糊子集有關(guān)隸屬函數(shù)，選擇三角形。依據(jù)現(xiàn)場工作人員通過手動控制方式對供水壓力進行調(diào)節(jié)所得到的經(jīng)營，可對與系統(tǒng)相適合的模糊控制規(guī)則進行總結(jié)，便模糊控制系統(tǒng)中，其模糊關(guān)系就是IF E and ?E then ?U，其能夠使模糊控制規(guī)則生成。依據(jù)所得到的模糊控制規(guī)則，通過計算能夠得到整體模糊關(guān)系R，在此基礎(chǔ)上與極大極小合成規(guī)則相結(jié)合，從而可得到輸出語言變量域中有關(guān)模糊集合，即?U=（E×?E）×R。之后，對于?U可利用加權(quán)平均法實行解模糊，使模糊變量?U能夠轉(zhuǎn)變成為精確變量U，從而可得到模糊控制表，對于模糊控制表，可當作文件在PLC中進行存儲。在實際進行控制過程中，可依據(jù)誤差變化以及誤差變化率所產(chǎn)生的相關(guān)變化，在模糊控制表中對需要選擇的控制策略進行查詢[2]。

3 基于模糊-PID控制器的自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)

在本文研究的系統(tǒng)中所選擇的主控制器為西門子PLC，系統(tǒng)程序利用梯形圖語言實行編寫。在系統(tǒng)程度設(shè)計過程中，其構(gòu)成主要包括主程序、模糊控制程序及PID控制程序，還有切換子程序，同時還包括通信程序與報警程序。在系統(tǒng)實際運行過程中，壓力變送器能夠采集供水管網(wǎng)中特定時刻的實際壓力值，并且與系統(tǒng)給定壓力值進行比較，從而可獲得誤差，將其傳遞至PLC實行后續(xù)處理。對所得到的誤差，將其與PID控制及模糊控制之間切換閾值進行比較，若誤差值在切換閾值之上，則運行模糊控制系統(tǒng)，若誤差值不高于切換閾值，則運行PID控制系統(tǒng)。對于PID控制與模糊控制兩者切換程序，其實際運行中依據(jù)誤差大小適當選擇調(diào)用相應的程序，從而使模糊控制與PID控制能夠得以真正實現(xiàn)。對于系統(tǒng)中的PID控制器設(shè)計而言，其主要就是以原本控制系統(tǒng)中的PID控制器為基礎(chǔ)，通過對新系統(tǒng)進行現(xiàn)場調(diào)試運行，適當修改系統(tǒng)中的比例系數(shù)、微分時間常數(shù)、積分時間常數(shù)以及調(diào)節(jié)周期等有關(guān)參數(shù)，從而使新系統(tǒng)的實際運行需求得到滿足，在PID控制系統(tǒng)調(diào)用時，也就能夠促使PID控制得以更好實現(xiàn)，促

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使系統(tǒng)能實現(xiàn)穩(wěn)定可靠運行，保證實際控制能夠得到更加理想效果。

在模糊控制量表中，所涉及到的數(shù)據(jù)有些帶有符號，由于這些數(shù)據(jù)在PLC中進行處理十分不便，并且很容易有錯誤產(chǎn)生，因而模糊控制表中涉及到的E、U以及?E均要增加偏移量3，從而可將量化后的誤差E1、控制量U1以及誤差變化率?E1得到。對系統(tǒng)模糊控制，為能夠通過利用PLC編程得以實現(xiàn)，首要任務(wù)就是應當在變量存儲單元中存入量化之后得到的誤差及誤差變化率相關(guān)數(shù)據(jù)，而后對于量化后得到的控制量，應當依據(jù)由左到右與由上及下順序，在首地址為VW100的變量存儲器子單元中依次存入。對于模糊控制PLC程序而言，在實際設(shè)計過程中選擇指針尋址的查找方法，將量化后的控制量作為基礎(chǔ)地址，其偏移地址就是2×（7×E1+?E1），以此為基礎(chǔ)可得到控制量絕對地址，也就是基址與偏移地址之和。所以，依據(jù)誤差值以及誤差變化率相關(guān)數(shù)值，利用指針變量，可得到相關(guān)地址中所存儲的有關(guān)控制量數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)更理想的控制。

4 結(jié)語

目前，恒壓供水系統(tǒng)屬于應用十分廣泛的一種系統(tǒng)，并且具有重要的作用，因而需要實現(xiàn)該系統(tǒng)的更理想應用。在恒壓供水系統(tǒng)實際應用中，相關(guān)研究人員應當以模糊控制為基礎(chǔ)，對恒壓供水系統(tǒng)合理實際，并且使系統(tǒng)設(shè)計得以更好實現(xiàn)，從而對恒壓供水系統(tǒng)實行較好控制，也就能夠更好實現(xiàn)供水，使恒業(yè)供水系統(tǒng)的應用能夠更好滿足實際需求。

參考文獻：

[1]岳麗芳，韓一杰.基于模糊PID控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)[J].冶金自動化，2017，41（06）：17-21.

[2]陳蕾，張少華，楊奕.恒壓供水系統(tǒng)模糊PID控制策略研究[J].南通大學學報（自然科學版），2017，16（01）：24-28.

課題來源2018許昌市科技局課題，項目編號：20170211048，課題名稱：基于模糊控制的恒壓供水系統(tǒng)的研究

作者簡介：張坤平（1982-），女，河南鞏義人，碩士研究生，高校講師，研究方向：控制理論與控制工程。