唐　莎

（清遠市技師學院，廣東清遠511517）

基于模糊PID控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)

唐莎

（清遠市技師學院，廣東清遠511517）

介紹一種模糊控制和PID相結合的方法控制恒壓供水，在壓力波動較大時使用模糊控制，以加快響應速度，在壓力范圍較小時采用PID來保持靜態(tài)精度。

流量；壓力；Fuzzy控制；PID控制

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.027

近年來，基于PID和PLC的變頻調(diào)速恒壓供水技術得到廣泛應用，被認為是一種理想的供水方式，但恒壓供水系統(tǒng)的特點是非線性、大慣性，僅使用基于PID控制的變頻調(diào)速供水時，存在不同程度的超調(diào)或震蕩現(xiàn)象，基于此本文提出了一種基于模糊控制和PID相結合的方法。

1　恒壓供水系統(tǒng)控制對象

恒壓供水系統(tǒng)最根本的控制對象是流量，在實際生活中，不同季節(jié)、不同時間用水流量是變化的，難以具體測量，考慮到在動態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力（由供水流量Qc表示）和用水需求（由用水流量Qu表示）之間的平衡情況有關。若供水能力Qc>用水需求Qu，則壓力上升；若供水能力Qc<用水需求Qu，則壓力下降；若供水能力Qc=用水需求Qu，則壓力不變。由此可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體反映在壓力的變化上，從而壓力就成為用來控制流量大小的參變量。

2　恒壓供水系統(tǒng)組成和工作原理

恒壓供水系統(tǒng)由PLC、變頻器、壓力變送器、接觸器組和水泵機組等組成，如圖1所示，本系統(tǒng)具備同時控制兩臺水泵的功能，根據(jù)不同場合需求，可以采取兩臺水泵同時運行，一臺水泵運行一臺備用，定時換泵等多種工作方式。

圖1　恒壓供水系統(tǒng)組成

恒壓供水系統(tǒng)工作原理為：壓力傳感器周期性的采集管網(wǎng)壓力，并將管網(wǎng)壓力傳送給PLC進行信號處理、模糊算法運算控制等，其結果作為變頻器的總給定，用以改變供水流量和壓力控制。具體來說，當供水壓力小于給定壓力時，變頻器輸出頻率升高，電機轉(zhuǎn)速加快，供水壓力升高；反之變頻器頻率降低，電機轉(zhuǎn)速減小，供水壓力降低，如此多次調(diào)整，直到偏差為零，保持供水壓力恒定［1-5］。

3　控制器的設計

在恒壓供水系統(tǒng)中，供水壓力是通過變頻器的輸出頻率控制來實現(xiàn)的，確定供水壓力和輸出頻率的關系式設計控制策略的基礎，供水系統(tǒng)一般用戶較多且用水時間不確定，管網(wǎng)水壓波動較大，難以建立精確的數(shù)學模型，而模糊控制直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關專家的知識，不需要建立被控對象的精確數(shù)學模型。本系統(tǒng)采用模糊—PID控制，其控制模型如圖2所示。

控制策略選擇的基本原則是：PLC通過采樣獲取用戶管網(wǎng)水壓的精確值，然后將次量與給定值比較得到誤差信號e，根據(jù)誤差信號e，在大誤差范圍內(nèi)，采用Fuzzy控制，以提高動態(tài)響應速度，增強自適應能力，在小誤差范圍內(nèi)，采用PID控制，以提高動態(tài)響應速度，增強自適應能力消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。

3.1 Fuzzy控制

一般的模糊控制系統(tǒng)中，通常采用二維模糊控制器結構形式，選取系統(tǒng)誤差信號壓力差e和誤差變化率Δe為輸入語句變量，輸出變量為控制變頻器給定頻率值U，本系統(tǒng)采用7個模糊集合描述水壓的誤差e、誤差變化率Δe和控制量U，分別為PB（正大）、PM（正中）、PS（正?。?、ZE（零）、NS（負?。?、NM（負中）、NB（負大），其輸入變量模糊隸屬函數(shù)在相應的論域為［+6，+5，+4，+3，+2，+1， 0，-1，-2，-3，-4，-5，-6］表示如圖3，針對變頻器最多提供15段速，可設置15個頻率值，選取輸出變量U論域范圍為［+7，+6，+5，+4，+3，+2，+1，0，-1，-2，-3，-4，-5，-6，-7］共15個值與之對應，其相應的隸屬函數(shù)表示如圖4。

圖2　模糊—PID控制

圖3　誤差e、誤差變化率Δe模糊隸屬函數(shù)

圖4　輸出變量隸屬函數(shù)

控制規(guī)則用語言描述如下：若壓力低于給定值則提高變頻器輸出頻率，低得越多，頻率提得越多；若壓力高于給定值，則變頻器輸出頻率降，高得越多降得越多，具體來說采用IF E and Ec then U，根據(jù)規(guī)則算出總的模糊關系R。為便于控制，事先對各種誤差和誤差變化，根據(jù)模糊關系R按隸屬度最大原則計算出相應的控制表如圖5所示。在實時壓力控制過程中，上述控制表存在PLC內(nèi)存中，PLC的輸入端口接收管網(wǎng)中的壓力值，并與給定值進行比較，計算誤差e及誤差變化率Δe，乘以相應的量化因子，并經(jīng)取整處理變換成模糊變量E、Ec通過查找控制表得到控制量U，如圖5所示。

圖5　控制表

3.2 PID控制

通過變頻實現(xiàn)PID控制有兩種：一是變頻器內(nèi)置PID控制功能，給定信號通過變頻器的端子輸入，反饋信號也反饋給變頻器的控制端，在變頻器內(nèi)部進行PID調(diào)節(jié)以改變輸出頻率；二是外部的PID調(diào)節(jié)器將給定量與反饋量比較后輸出給變頻器加到控制端子作為控制信號，本系統(tǒng)采用第二種控制方式。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）、微分單元（D）組成，其輸入e（t）和輸出u（t）的關系，其中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)，使用中只需設定三個常數(shù)Kp、Ti、Td。PID控制器中對這三個參數(shù)整定的方法很多，目前使用廣泛的有三種，分別為試湊法、經(jīng)驗數(shù)據(jù)法、擴充臨界比例度法，在本設計中采用試湊法，即先調(diào)節(jié)比例控制系數(shù)，直至得到反應快、超調(diào)小的響應曲線，然后整定積分控制參數(shù)，直至系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜態(tài)得到消除，最后整定微分控制參數(shù)，直至得到滿意系統(tǒng)響應，根據(jù)這一系列原則，選取Kp=0.3、Ti= 10 s、Td=3 s。

4　結論

利用學校自動化實操室提供的由三向公司制作的“恒壓供水系統(tǒng)實驗裝置”對模糊—PID控制算法進行實驗，發(fā)現(xiàn)先對于常規(guī)PID控制來說，模糊控制PID控制存在響應時間短，更快的反應速度，并且超調(diào)小，這表明對于恒壓供水系統(tǒng)，采用模糊PID控制可以取得更好的性能，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的快速、準確控制；但也存在著不足，PID控制器和模糊控制器各自分別設計完成，根據(jù)一定判斷決定哪一個控制器的輸出才是系統(tǒng)真正的控制值，難點是如何選擇切換條件保持系統(tǒng)平穩(wěn)切換。

［1］張立輝.模糊控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究設計［D］.長春：吉林大學，2007.

［2］高宏巖.基于PLC的模糊控制恒壓供水系統(tǒng)設計［J］.中國農(nóng)村水利水電，2007（4）：48-49.

［3］袁佑新，陳繼偉，黃曉新，等.基于模糊控制的恒壓供水控制系統(tǒng)設計［J］.中國水運，2007（7）：28-29.

［4］李海波.基于PLC的智能變頻恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)的設計［J］.機電工程技術，2011（3）：48-50.

［5］曹承志，王楠.智能技術［M］.北京：清華大學出版社，2004.

（編輯：向飛）

Variable Frequency Speed Constant Pressure Water Supply System Based on Fuzzy PID Control

TANG Sha
（Qingyuan Technician College，Qingyuan511517，China）

This paper introduces the control constant pressure water supply a method of combination of fuzzy control and PID,the use of fuzzy control in the pressure fluctuations,to accelerate the response speed,using PID in the pressure range is small to maintain static accuracy.

flow；pressure；fuzzy control；PID control

TP29

A

1009-9492（2015）01-0098-03

2014-07-15

唐莎，女，1983年生，湖南郴州人，大學本科，講師。研究領域：自動化。已發(fā)表論文3篇。