李華杰

（江西離子型稀土工程技術研究有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

本文研究的核心是供水系統(tǒng)消耗的能源，這樣有助于科研人員根據實踐案例科學優(yōu)化能源利用率。結合目前供水系統(tǒng)收集數據分析可知，其中水泵的能源消耗情況最嚴重，占比可以達到21%，除此之外就是現(xiàn)場設備的維護和檢修工作需要投入一定成本。由此可知，為了保障城市供水系統(tǒng)具備充足的成本支撐，必須要針對現(xiàn)有系統(tǒng)運行情況，基于模糊PID控制實現(xiàn)如何控制能源消耗。

1 恒壓供水系統(tǒng)的特點

目前市場上常見的變頻恒壓式供水系統(tǒng)在工作狀態(tài)具有以下特點：第一，滯后性。這一系統(tǒng)控制在于過程，工作目標是連接城市居民管網的水壓，因此在內外因素的影響下具有一定的滯后性。與此同時，安裝在系統(tǒng)內部的變頻器是為了調控水泵運轉的速度，因此也會加劇供水系統(tǒng)運行的滯后性；第二，非線性。這一特點是由多項原因引起的，如水錘、管網的阻力及水泵等，既會增加實際管網運行壓力，又會改變水泵運轉速度；第三，多變性。這類供水系統(tǒng)在工作狀態(tài)下具有極強的實效性，不僅能有效處理管網構成非常復雜的供水系統(tǒng)，還可以針對不同區(qū)域的供水系統(tǒng)科學管控水量和揚程。同時，就算在相同系統(tǒng)中也會有居民提出不一致的用水需求，因此實際系統(tǒng)運行時必然會展現(xiàn)出多變性；第四，時變性。這一特點主要體現(xiàn)在系統(tǒng)控制目標上，有以下幾種情況，一是指用戶情況和開始時間都沒有規(guī)律可以遵循，二是指隨時都存在沒有規(guī)律的用水量，大小不一致，三是指按照用戶用水量的變化來調整水泵啟用數量和工作形式[1]。由此可知，供水系統(tǒng)中的水泵機組是隨時改變的；第五，節(jié)能性。對比以往推廣的定速式供水系統(tǒng)，目前市場提出的變頻調速恒壓式供水系統(tǒng)的節(jié)能效果更加顯著，不僅設有夜間低壓、休眠等模式，而且可以根據不同階段或不同區(qū)域的用戶用水量科學調控水流量，這樣能保障供水系統(tǒng)在實現(xiàn)節(jié)能目標的同時，增加安裝設備的應用時間，以此控制供水系統(tǒng)的成本支出，提高系統(tǒng)運行效率和質量[2]。

2 方法

2.1 理論模型

要想研究變頻調速恒壓式供水系統(tǒng)運行情況，必須要先了解其管控目標是出口管網處的壓力。一般來講，可以運用常數或者是片分段函數，研究如何讓出口處的總管網實際供水壓力在某一階段保持在規(guī)定范圍內。由于這一目標具有非線性和時變性等特征，所以實際操作并不穩(wěn)定。變頻調速恒壓式系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，假設居民用水的壓力比規(guī)定范圍要小，那么最終結果就是正數，換句話說就可以獲取正向力差。結合系列轉化獲取變頻器，再用它的增量與現(xiàn)有輸出位相加，就可以得到此時變頻器需要輸出的頻率。按照上述步驟逐一計算和轉換，不僅能提高水泵機組的運行效率，而且可以增強實際用戶的供水壓力。由于供水系統(tǒng)內部的力檢測、變頻、繼電控制的轉換環(huán)節(jié)等都呈現(xiàn)為正比例關系，所以在基于變頻調速恒壓式供水系統(tǒng)構建數學模型時，可以得到如下公式，也可以看成是一個與帶純滯后接近的階慣性環(huán)節(jié)：

通過了解系統(tǒng)運行需求和總體設計內容，分析如何達到高質量、恒壓力的工作目標，尤其是對那些較為繁瑣的系統(tǒng)而言，控制期間的P、I、D數值都是明確的，而模糊PID可以結合這一特征實現(xiàn)預期目標。

2.2 模糊PID

簡單來講，模糊PID就是充分融合模糊控制理論和PID算法的一種全新理念，其中控制分為兩點，一方面是指傳統(tǒng)意義上的PID控制器，另一方面是指模糊化模塊。根據現(xiàn)有恒壓供水系統(tǒng)工作情況分析，PID模糊控制的工作內容分為：第一，明確P、I、D這三項參數和誤差A、變化率AC間的關系；第二，在工作狀態(tài)下持續(xù)檢測誤差A及其變化率AC的具體數值；第三，按照模糊控制規(guī)則科學調整P、I、D這三項參數，以此達到誤差A及其變化率AC提出的各種要求。對比以往推廣的PID可知，模糊PID更具有優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾點：第一，傳統(tǒng)意義上的控制理論都是基于精確模型的被控對象提出的，因此在處理復雜系統(tǒng)時，很難提出對應的數學模型，這樣不僅不利于系統(tǒng)運行，而且會影響自動控制。由此可知，在處理復雜系統(tǒng)時要優(yōu)先選用人工進行控制，這樣的效果更顯著；第二，模糊控制是以工作經驗為依據構建語言規(guī)則，還會結合模糊集合論模擬工作人員的管控和決策，最終實現(xiàn)自動控制的運行目標；第三，傳統(tǒng)意義上PID的三項數值都是固定的，在實踐工作中無法展現(xiàn)出自主適應性。

圖1 模糊PID控制結構圖

2.2 PID控制調節(jié)

比例是為了幫助供水系統(tǒng)更快掌握輸出情況，明確出現(xiàn)偏差的大小，確保輸出的控制量和系統(tǒng)偏差屬于線性關系。而微分的價值在于優(yōu)化供水系統(tǒng)的工作性能，正確判斷輸入量的變化形式，并和輸入量的導數構成線性關系式。同時，微分還能及時預測和提供偏差的變化情況，并在響應期間有效控制偏差繼續(xù)影響其它地方。另外，若是最終取值較大，加長了實際調控時間，會影響供水系統(tǒng)運行的抗干擾性。而隨著系統(tǒng)運行越發(fā)穩(wěn)定，內部震蕩越來越少，控制器的傳遞函數公式為：

如何科學管控規(guī)律式子：

由給定數值和實際輸出數值形成的偏差所影響，控制器將會展現(xiàn)出線性：

對模擬算法實施離散化處理，最終能得到如下公式：

分析計算機臨近輸出的2次調節(jié)結果的增量公式：

通過常規(guī)操作獲取的定值，在模糊化與反模糊化的影響下，可以得到如下參數：

2.3 PID-模糊混合控制器的設計

整合實踐案例分析，雖然PID控制動態(tài)的響應性不強，但整體管控精度和靜態(tài)性能都能滿足系統(tǒng)運行和管理需求。而模糊控制雖然具備動態(tài)響應力和快速響應力，但整體的穩(wěn)定性不強。因此，將兩者融合到一起進行規(guī)劃設計，不僅能在性能上實現(xiàn)優(yōu)勢互補，而且可以構建全新的控制理念——PID模糊復合控制。通過在系統(tǒng)壓力波動變化較大的情況下應用模糊控制，有助于提高實際響應水平，而在壓力變化較小的情況下運用PID控制，能保障系統(tǒng)維持在精確的靜態(tài)中。因為這一控制系統(tǒng)的權系數會按照偏差（E/S）的變化來自主調節(jié)，所以在模糊控制區(qū)域的權系數公式為：

對系統(tǒng)控制檢測工作而言，像壓力檢測、變頻環(huán)節(jié)等階段的時間常數和滯后時間，相比供水系統(tǒng)中的時間常數和純滯后時間，基本上可以不用放到公式中計算，因此具體公式如下所示：

按照供水系統(tǒng)動態(tài)變化過程進行取值的公式為：

因此串聯(lián)比例、純滯后、兩個慣性的環(huán)節(jié)，就能得到城市二次供水系統(tǒng)的數學模型，具體如下所示：

3 仿真設計

再為恒壓式供水系統(tǒng)構建適宜的模糊控制系統(tǒng)模型時，要求控制區(qū)域選用MATLAB的模糊控制器進行操控。通過了解基本模糊結構，明確模糊域，選用隸屬度函數，在正確便攜和選定的基礎上，快速獲取所需控制程序[3]。在結束PID控制器設計工作后，要根據供水系統(tǒng)要求調試運行。一方面輸入單位階躍信號（選擇目標值 1MPA），另一方面要在持續(xù)調試中明確有效的模糊PID仿真效果。在這一過程中，發(fā)現(xiàn)基于模糊算法改善PID參數，有助于提高系統(tǒng)調節(jié)速度，強化系統(tǒng)工作性能，減少系統(tǒng)誤差等。具體仿真結果如下圖2所示：

圖 2 模糊 PID 仿真結果

本章在了解模糊控制及融合了PID的全新控制系統(tǒng)的基礎上，按照恒壓式供水系統(tǒng)需求構建了對應模型，并利用了MATLAB實施了仿真模擬，完成了論域、隸屬度函數、規(guī)則表等設計工作，最終在優(yōu)化控制系統(tǒng)的同時，得到了有效的仿真結果。

4 結語

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產問題的加劇，促使越來越多的控制系統(tǒng)涌現(xiàn)出大量問題，其中大時滯現(xiàn)象是目前最難控制的關鍵問題之一。而恒壓供水系統(tǒng)作為最具代表性的時滯問題，本文在了解系統(tǒng)問題的基礎上，研究了其中包含的控制器和被控目標，并由此入手分析了系統(tǒng)算法，而后根據MATLAB 仿真驗證了算法的有效性，最終得到了科學的處理對策。由于變頻恒壓供水屬于城鎮(zhèn)化建設發(fā)展的主要內容，因此結合實踐工作狀態(tài)，研究被控目標的各種特點，并提出具有針對性的PID模糊混合控制理念，不僅能有效控制時滯問題，而且可以保障供水系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。