張廣輝，陳大國

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)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(jì)及優(yōu)化對(duì)工程建成后的運(yùn)行管理和運(yùn)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(yùn)行方式，隨著技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備價(jià)格的降低，變頻調(diào)速技術(shù)因?yàn)榫哂懈咝Ч?jié)能、穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)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(jì)中變頻調(diào)速控制系統(tǒng)普遍采用人工設(shè)置運(yùn)行頻率控制方式和根據(jù)水泵運(yùn)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(shí)際運(yùn)行中具有非線性、不確定性的特點(diǎn)，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(yùn)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(shí)和運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用模糊集合理論和方法把操作人員的經(jīng)驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)性正適用于以上實(shí)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(xué)模型為：

考慮到傳輸裝置位置式PID對(duì)過去狀態(tài)的依賴，設(shè)計(jì)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(xué)模型參數(shù)，但由于該類工程的特點(diǎn)，很難確定精確的數(shù)學(xué)模型參數(shù)。模糊控制將人的操作經(jīng)驗(yàn)歸納為若干控制規(guī)則，從而可以避開復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。由于模糊控制的非線性特點(diǎn)，對(duì)于非線性、大滯后及帶有隨機(jī)干擾的供水工程，模糊控制能做到較穩(wěn)定的控制，并且對(duì)于對(duì)象的參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)，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(duì)象和測量裝置[1]。其構(gòu)成如圖1所示。該系統(tǒng)屬于一個(gè)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)是一個(gè)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(dòng)機(jī)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(shí)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(yàn)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(duì)象，并且能夠更好地應(yīng)用于不清楚或參數(shù)時(shí)變的數(shù)學(xué)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(hào)輸入，這樣我們就可以滿足不同時(shí)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(duì)三個(gè)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)

模糊控制方法可以通過PLC[2]實(shí)現(xiàn)，具體方法是通過水位監(jiān)測裝置對(duì)高位水池實(shí)際水位與一個(gè)給定的水位值進(jìn)行對(duì)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(jì)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(tái)，其中1臺(tái)水泵可采用高壓變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵軟啟動(dòng)及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，其余水泵采用定頻運(yùn)行方式，變頻泵的轉(zhuǎn)速隨水位的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，限制最高運(yùn)行頻率為工頻（不超頻運(yùn)行）。當(dāng)變頻水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，在設(shè)定時(shí)間延遲后，池高水位若不能滿足設(shè)定水位，系統(tǒng)自動(dòng)開啟定頻水泵以補(bǔ)充需水量。當(dāng)用水高峰期過后，將依次定頻泵退出運(yùn)行?？刂葡到y(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(xiàn)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(jī)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(duì)階躍信號(hào)進(jìn)行跟蹤。仿真結(jié)果如圖4所示。由此可見，模糊控制對(duì)于提水控制系統(tǒng)能夠達(dá)到理想的控制目標(biāo)。通過以上仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)間相對(duì)較短，是一種魯棒性較強(qiáng)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(yùn)行，減少運(yùn)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(jì)，能在線調(diào)整PID的3個(gè)參數(shù)kp、ki、kd，能很好地滿足系統(tǒng)的要求。

圖4 simulink仿真對(duì)比圖