基于模糊控制的水庫提水系統(tǒng)研究

張廣輝，陳大國

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

水庫提水泵站控制系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化對工程建成后的運行管理和運行安全可靠性起到?jīng)Q定作用。目前，水庫提水泵站控制系統(tǒng)多采用定頻運行方式，隨著技術(shù)的進步和設(shè)備價格的降低，變頻調(diào)速技術(shù)因為具有高效節(jié)能、穩(wěn)定可靠、自動化程度高等特點逐漸在工程中得到廣泛應(yīng)用。

目前，水庫水源提水泵站設(shè)計中變頻調(diào)速控制系統(tǒng)普遍采用人工設(shè)置運行頻率控制方式和根據(jù)水泵運行曲線恒流量控制方式，但是貴州省很多水利工程提水泵站兼有灌溉供水功能，實際運行中具有非線性、不確定性的特點，難以建立精確模型，PID恒流量控制方式和定參數(shù)控制方式不適合這種類型的工程。為了保證供水的穩(wěn)定性和可靠性，有必要研究適用于以上工況的控制方式以減輕運行人員工作量并提供高供水質(zhì)量。

模糊控制技術(shù)基于專家知識和運行人員經(jīng)驗，應(yīng)用模糊集合理論和方法把操作人員的經(jīng)驗總結(jié)成模糊規(guī)則模型，只要在線檢測系統(tǒng)給出期望輸出與實際輸出之間的偏差，通過判斷調(diào)整因子的趨勢來確定調(diào)整因子的大小，然后代入模糊自調(diào)整公式來設(shè)置所有參數(shù)。其簡潔性和可實現(xiàn)性正適用于以上實際工程需要。

1 模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成

常規(guī)的PID控制系統(tǒng)數(shù)學模型為：

考慮到傳輸裝置位置式PID對過去狀態(tài)的依賴，設(shè)計中采用增量式PID控制方式，每次輸出只輸出控制增量：

其中：kp=KP，ki=KP/Ti，kd=KP·Td。

常規(guī)PID控制的首要任務(wù)是要確定精確數(shù)學模型參數(shù)，但由于該類工程的特點，很難確定精確的數(shù)學模型參數(shù)。模糊控制將人的操作經(jīng)驗歸納為若干控制規(guī)則，從而可以避開復(fù)雜的數(shù)學模型。由于模糊控制的非線性特點，對于非線性、大滯后及帶有隨機干擾的供水工程，模糊控制能做到較穩(wěn)定的控制，并且對于對象的參數(shù)變化適應(yīng)性強，即所謂的“魯棒性”較好。

模糊控制系統(tǒng)通常由五部分組成：模糊控制器、輸入/輸出接口、執(zhí)行器、被控對象和測量裝置[1]。其構(gòu)成如圖1所示。該系統(tǒng)屬于一個雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)是一個fuzzy-PID控制器，根據(jù)給定水位Fgi去控制變頻器改變水泵電動機轉(zhuǎn)速，使其水位Fi控制在理想的給定值Fgi附近。外環(huán)根據(jù)高位水池水位實際值和期望之差ΔPi來修正內(nèi)環(huán)的給定值。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 模糊PID控制算法

將操作人員長期積累的經(jīng)驗轉(zhuǎn)換為模糊控制器的規(guī)則，是根據(jù)人們的直覺推理出的一種語言形式，可以有利于控制非線性、大滯后對象，并且能夠更好地應(yīng)用于不清楚或參數(shù)時變的數(shù)學模型，以及傳統(tǒng)的PID控制算法應(yīng)用效果不理想的地方。由一系列關(guān)系詞相連而成的模糊規(guī)則，通常與誤差e和誤差變化率ec作為信號輸入，這樣我們就可以滿足不同時間的e和ec參數(shù)自我調(diào)整的要求，PID參數(shù)自調(diào)整模糊控制規(guī)則在線對三個參數(shù)自調(diào)整控制框圖如圖2所示。

圖2 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)水源提水工程自身特點，建立kp、ki、kd的fuzzy控制規(guī)則見表1-表3。

表1 kp模糊控制規(guī)則表

表2 ki模糊控制規(guī)則表

表3 kd模糊控制規(guī)則表

3 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

模糊控制方法可以通過PLC[2]實現(xiàn)，具體方法是通過水位監(jiān)測裝置對高位水池實際水位與一個給定的水位值進行對比，水位誤差e、誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入，模糊后形成使用模糊語言來描述的模糊集，之后綜合模糊控制器控制規(guī)則推理輸出量增加值。積分后，通過反模糊化給出速度控制的精確值，送變頻器控制泵的轉(zhuǎn)速，通過不斷調(diào)整直至水位穩(wěn)定在設(shè)計水位。

以箐口水庫提水泵站為例，工程主要任務(wù)為城鎮(zhèn)供水、兼顧農(nóng)村人畜及農(nóng)田灌溉用水。工程配置水泵4臺，其中1臺水泵可采用高壓變頻系統(tǒng)實現(xiàn)水泵軟啟動及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，其余水泵采用定頻運行方式，變頻泵的轉(zhuǎn)速隨水位的變化動態(tài)調(diào)節(jié)，限制最高運行頻率為工頻（不超頻運行）。當變頻水泵轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速，在設(shè)定時間延遲后，池高水位若不能滿足設(shè)定水位，系統(tǒng)自動開啟定頻水泵以補充需水量。當用水高峰期過后，將依次定頻泵退出運行。控制系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖

4 控制算法的MATLAB仿真研究

參考文獻資料，變頻器的傳遞函數(shù)假定為小慣性環(huán)節(jié)，變頻環(huán)節(jié)使用下述傳遞函數(shù)[3]：

異步電機的傳遞函數(shù)可以描述[4]為：

水泵管道環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)描述[5]為：

分別采用傳統(tǒng)PID算法和模糊PID算法對階躍信號進行跟蹤。仿真結(jié)果如圖4所示。由此可見，模糊控制對于提水控制系統(tǒng)能夠達到理想的控制目標。通過以上仿真實驗表明，模糊控制與PID控制相結(jié)合的系統(tǒng)響應(yīng)曲線幾乎沒有超調(diào)，且系統(tǒng)的響應(yīng)時間相對較短，是一種魯棒性較強的控制器?？梢娙魧⒃摽刂茟?yīng)用于提水系統(tǒng)可以使系統(tǒng)平穩(wěn)運行，減少運行人員工作量。仿真結(jié)果表明，將模糊控制應(yīng)用于PID控制器的設(shè)計，能在線調(diào)整PID的3個參數(shù)kp、ki、kd，能很好地滿足系統(tǒng)的要求。

圖4 simulink仿真對比圖