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(lèi)型，有著十分廣泛的應(yīng)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(yīng)用，并且在強(qiáng)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(duì)于恒壓供水系統(tǒng)中模糊控制理論的應(yīng)用需要加強(qiáng)認(rèn)識(shí)。本文就基于模糊控制的恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而為恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)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(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步與發(fā)展，各種電氣工程也十分較好發(fā)展，在這種形勢(shì)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(yīng)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(yīng)當(dāng)對(duì)基于模糊控制的恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行研究，從而對(duì)其充分認(rèn)識(shí)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(jìn)而使其該系統(tǒng)的更好發(fā)展，使其更符合實(shí)際應(yīng)用需求。

1 恒壓供水系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

1.1 恒壓供水系統(tǒng)原理

目前，我國(guó)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(duì)變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行應(yīng)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(dòng)化程度得以提升，并且能夠節(jié)約電能，還能夠提升運(yùn)行可靠性與供水質(zhì)量。對(duì)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(jī)等相關(guān)內(nèi)容。本文研究中是對(duì)某城市供水廠的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)實(shí)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(tái)變頻器能夠?qū)θ_(tái)水泵電機(jī)實(shí)行控制，以實(shí)現(xiàn)恒壓供水。在這一系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，利用在供水管網(wǎng)出口所安裝的壓力變送器，可對(duì)實(shí)際管網(wǎng)壓力值進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)給定壓力值與實(shí)際壓力值進(jìn)行比較，可將壓力誤差獲取，并且傳達(dá)給PLC控制器，在進(jìn)行PID控制算法處理之后，向變頻器輸出控制信號(hào)，而后利用變頻器輸出信號(hào)控制水泵。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，通過(guò)變頻器的利用可使三臺(tái)水泵能夠平滑啟動(dòng)，依據(jù)實(shí)際用水量將需要在工作中運(yùn)行的水泵電機(jī)臺(tái)數(shù)確定，同時(shí)可使水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)與停止以及工頻與變頻之間切換。通過(guò)對(duì)工作中所投入的水泵電機(jī)臺(tái)數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并且變頻器對(duì)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)行實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)恒壓供水。

1.2 恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)

第一，供水系統(tǒng)的揚(yáng)程特點(diǎn)。對(duì)于系統(tǒng)揚(yáng)程特點(diǎn)，其需要以管道橫截面不變?yōu)榛A(chǔ)進(jìn)行研究，通過(guò)揚(yáng)程特性曲線，可使特定轉(zhuǎn)速下水泵揚(yáng)程與流量存在的關(guān)系。就供水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況而言，在流量增加的情況下，其管組損耗也會(huì)逐漸增大，此時(shí)揚(yáng)程會(huì)有所減小。在閥門(mén)開(kāi)度以及水泵轉(zhuǎn)速均能夠固定的基礎(chǔ)上，用戶實(shí)際用水情況對(duì)于水流量大小可起到?jīng)Q定作用。第二，管阻特點(diǎn)。對(duì)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(mén)保持一定開(kāi)度情況下，揚(yáng)程和流量之間所存在的關(guān)系。依據(jù)實(shí)踐情況而言，其閥門(mén)開(kāi)度確定情況下，隨著揚(yáng)程不斷增加，其流量也會(huì)不斷增加。在這一揚(yáng)程下，若對(duì)閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，則會(huì)導(dǎo)致給水能力產(chǎn)生一定變化。第三，供水系統(tǒng)工作點(diǎn)。對(duì)供水系統(tǒng)工作點(diǎn)，其所指的就是與揚(yáng)程特點(diǎn)及管阻特點(diǎn)同時(shí)符合狀況下的時(shí)間點(diǎn)，在這種情況下供水系統(tǒng)能夠同時(shí)滿足揚(yáng)程特點(diǎn)與管阻特點(diǎn)，也就是說(shuō)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(yùn)行[1-2]。

2 模糊控制思想及模糊控制器設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制思想

在恒壓供水系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)模糊控制技術(shù)進(jìn)行利用，可使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能實(shí)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(xué)習(xí)能力，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性能不夠理想，會(huì)導(dǎo)致控制效果很難達(dá)到比較滿意的程度，因此在實(shí)際應(yīng)用中往往將模糊控制與PID控制進(jìn)行有效結(jié)合，使得模糊-PID控制理念得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于這一設(shè)計(jì)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(yīng)用模糊控制，能夠得到比較理想的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；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(yīng)。在模糊-PID控制系統(tǒng)中，對(duì)于其所應(yīng)用的模糊控制算法及PID控制算法而言，均通過(guò)PLC程序得以實(shí)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(qiáng)，并且能夠更好適應(yīng)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(dòng)態(tài)特性得以改善。這種類(lèi)型的控制器相比于簡(jiǎn)單模糊控制器而言，可使穩(wěn)態(tài)誤差得以減小，使平衡點(diǎn)穩(wěn)定度得以有效提升。

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于模糊控制器部分而言，在實(shí)際設(shè)計(jì)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(duì)于系統(tǒng)定義誤差，其偏差語(yǔ)言變量表示為E，而對(duì)于誤差變化率的偏差語(yǔ)言變量，將其表示為?E，對(duì)于輸出量?ц，其語(yǔ)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(duì)其論域進(jìn)行量化，形成七個(gè)等級(jí)，對(duì)模糊子集有關(guān)隸屬函數(shù)，選擇三角形。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員通過(guò)手動(dòng)控制方式對(duì)供水壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)所得到的經(jīng)營(yíng)，可對(duì)與系統(tǒng)相適合的模糊控制規(guī)則進(jìn)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(guò)計(jì)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(yǔ)言變量域中有關(guān)模糊集合，即?U=（E×?E）×R。之后，對(duì)于?U可利用加權(quán)平均法實(shí)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(duì)于模糊控制表，可當(dāng)作文件在PLC中進(jìn)行存儲(chǔ)。在實(shí)際進(jìn)行控制過(guò)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(duì)需要選擇的控制策略進(jìn)行查詢(xún)[2]。

3 基于模糊-PID控制器的自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在本文研究的系統(tǒng)中所選擇的主控制器為西門(mén)子PLC，系統(tǒng)程序利用梯形圖語(yǔ)言實(shí)行編寫(xiě)。在系統(tǒng)程度設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)還包括通信程序與報(bào)警程序。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，壓力變送器能夠采集供水管網(wǎng)中特定時(shí)刻的實(shí)際壓力值，并且與系統(tǒng)給定壓力值進(jìn)行比較，從而可獲得誤差，將其傳遞至PLC實(shí)行后續(xù)處理。對(duì)所得到的誤差，將其與PID控制及模糊控制之間切換閾值進(jìn)行比較，若誤差值在切換閾值之上，則運(yùn)行模糊控制系統(tǒng)，若誤差值不高于切換閾值，則運(yùn)行PID控制系統(tǒng)。對(duì)于PID控制與模糊控制兩者切換程序，其實(shí)際運(yùn)行中依據(jù)誤差大小適當(dāng)選擇調(diào)用相應(yīng)的程序，從而使模糊控制與PID控制能夠得以真正實(shí)現(xiàn)。對(duì)于系統(tǒng)中的PID控制器設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行，適當(dāng)修改系統(tǒng)中的比例系數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)、積分時(shí)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(shí)際運(yùn)行需求得到滿足，在PID控制系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，也就能夠促使PID控制得以更好實(shí)現(xiàn)，促

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使系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，保證實(shí)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(hào)，由于這些數(shù)據(jù)在PLC中進(jìn)行處理十分不便，并且很容易有錯(cuò)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(duì)系統(tǒng)模糊控制，為能夠通過(guò)利用PLC編程得以實(shí)現(xiàn)，首要任務(wù)就是應(yīng)當(dāng)在變量存儲(chǔ)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(duì)于量化后得到的控制量，應(yīng)當(dāng)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(chǔ)器子單元中依次存入。對(duì)于模糊控制PLC程序而言，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)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(chǔ)的有關(guān)控制量數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更理想的控制。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，恒壓供水系統(tǒng)屬于應(yīng)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(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的更理想應(yīng)用。在恒壓供水系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)研究人員應(yīng)當(dāng)以模糊控制為基礎(chǔ)，對(duì)恒壓供水系統(tǒng)合理實(shí)際，并且使系統(tǒng)設(shè)計(jì)得以更好實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)恒壓供水系統(tǒng)實(shí)行較好控制，也就能夠更好實(shí)現(xiàn)供水，使恒業(yè)供水系統(tǒng)的應(yīng)用能夠更好滿足實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)：

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[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(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，16（01）：24-28.

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

作者簡(jiǎn)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。