模糊控制系統(tǒng)在恒壓供水中的應(yīng)用

1、模糊控制系統(tǒng)在恒壓供水中的應(yīng)用Application of the fuzzy control system in constant pressure water supply摘要：恒壓模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于城市高層供水以及市政管網(wǎng)供水加壓控制。這個(gè)系統(tǒng)將現(xiàn)代控制理論引進(jìn)了城市供水領(lǐng)域，克服了傳統(tǒng)供水方式的諸多弊端。本文從系統(tǒng)、系統(tǒng)構(gòu)建、系統(tǒng)硬件、軟件上進(jìn)行進(jìn)行了闡述，具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：模糊控制；PLC；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)。1 前言模糊控制系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式具有諸多優(yōu)點(diǎn)，它將現(xiàn)代控制理論引進(jìn)了城市供水領(lǐng)域，克服了傳統(tǒng)供水方式的諸多弊端。（1） 節(jié)能顯著傳統(tǒng)的高樓供水方式采用水塔、高位

2、水箱，這種供水方式管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定，管道位置不同壓力值差別比較大，還由于水頭能量的損失和高位勢(shì)能的增加，造成能源很大浪費(fèi)，而直接變頻模糊控制管網(wǎng)恒壓供水則至少能節(jié)約1/3的電能。 （2） 管網(wǎng)壓力穩(wěn)定易調(diào)節(jié) 目前的市政管網(wǎng)供水大部分還是采用多泵工頻運(yùn)行，值班人員24小時(shí)職守管網(wǎng)壓力，用水低峰期，管網(wǎng)壓力值升高，用水高峰管網(wǎng)壓力值有可能突然下降。壓力波動(dòng)范圍大，值班人員必須隨時(shí)根據(jù)實(shí)際情況人工控制泵的啟停來調(diào)節(jié)壓力，造成工作效率低，管網(wǎng)壓力波動(dòng)得不到根本解決。而把恒壓模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于市政管網(wǎng)，壓力能在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定達(dá)到設(shè)定的壓力值。（3）和PID閉環(huán)控制比較 模糊控制具有調(diào)節(jié)時(shí)間短，控制更精確，不

3、會(huì)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，震蕩小，受干擾程度小等優(yōu)點(diǎn)。2、控制原理恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對(duì)水的需求，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，利用PLC根據(jù)給定壓力信號(hào)和反饋壓力信號(hào)(A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào))，通過模糊推理運(yùn)算，控制變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制出水壓力的目的。模糊控制系統(tǒng)由模糊控制器、輸入輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量裝置和被控對(duì)象五個(gè)部分組成。A/D模 糊控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象D/A變送器給定量eu被控量y圖1：模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制器： 西門子PLC執(zhí)行機(jī)構(gòu)： 變頻器被控對(duì)象： 水泵變送器： 壓力變送器給定量： 設(shè)

4、定的壓力值被控量： 管道實(shí)際壓力e： 實(shí)際偏差輸入u： 控制量3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)   此控制系統(tǒng)采用一個(gè)變頻器實(shí)現(xiàn)一托N控制。整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)是N臺(tái)工頻1臺(tái)變頻。即：泵由分別由變頻器進(jìn)行變頻軟啟動(dòng)，如果管網(wǎng)壓力不足，把變頻運(yùn)行的泵切換為工頻運(yùn)行，然后再去變頻啟動(dòng)另一臺(tái)泵，直到管網(wǎng)壓力值達(dá)到要求為止。如果用水量小系統(tǒng)自動(dòng)停止工頻運(yùn)行的泵，減少泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定?，F(xiàn)在以一托二控制（使用于高層二次供水或工業(yè)用水場(chǎng)合）為例來說明恒壓模糊控制系統(tǒng)。（1）系統(tǒng)主電路   一托二供水，如果一臺(tái)泵的出水量可以滿足用水要求的話，兩臺(tái)泵可以互為備用；當(dāng)

5、供水泵出現(xiàn)故障或需要定期檢修時(shí)，備用泵馬上投入，不使供水中斷。如果一臺(tái)泵的出水量不能滿足用水要求，一臺(tái)泵工頻運(yùn)行，另外一臺(tái)泵變頻運(yùn)行。圖2：一拖二系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)硬件（2）硬件設(shè)計(jì)    該系統(tǒng)主要由S7200 CPU224XP ，ABB ACS510變頻器，電流型壓力變送器，兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)或潛水泵。系統(tǒng)控制電路如圖3所示。當(dāng)PLC控制變頻器啟動(dòng)后壓力表檢測(cè)出管網(wǎng)壓力為420mA模擬電流信號(hào)，經(jīng)PLCA+(AI0)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，作為實(shí)際壓力值。PLC接收到壓力值后與給定壓力進(jìn)行比較，然后通過模糊推理運(yùn)算，由PLCD/A輸出電壓為變頻器提供頻率給定，變頻器實(shí)現(xiàn)20段速

6、輸出，控制水泵進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行，從而控制供水壓力恒定。圖3：系統(tǒng)控制電氣電理圖（3）軟件設(shè)計(jì)    由于用戶較多并且用水時(shí)間不確定，管網(wǎng)水壓波動(dòng)較大，數(shù)學(xué)模型很難確定，而模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，因此本系統(tǒng)控制算法采用模糊控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括以下四部分：    選擇輸入輸出變量    壓力的給定值設(shè)為p，管道的實(shí)測(cè)壓力值為p(k)，則誤差為e(k)=p-p(k)作為模糊控制器的輸入變量，輸出變量為控制變頻器的給定頻率值u，這里采用PLC內(nèi)部程序設(shè)置，控制變頻器20段速輸出。 

7、;  確定各模糊變量的隸屬函數(shù)    描述輸入e及輸出變量u的語言值的模糊子集為負(fù)大，負(fù)小，0，正小，正大簡(jiǎn)記為NB，NS，O，PS，PB，設(shè)誤差e的論域?yàn)閄，并將誤差大小量化為7個(gè)等級(jí)，即X=3,2,1,0,1,2,3；偏差變化率ec論域?yàn)閆,量化為7個(gè)等級(jí)，即Z=3,2,1,0,1,2,3；控制量u的論域?yàn)閅，也量化為13個(gè)等級(jí)，即Y=-6,-5,-4,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6。建立模糊控制規(guī)則    根據(jù)長期現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)，控制規(guī)則用語言描述如下：    若實(shí)際出水壓

8、力低于給定值則提高變頻器輸出頻率，低得越多頻率提高的越多；若壓力高于給定值則降低變頻器輸出頻率，高得越多頻率降低的越多；若壓力等于給定值則變頻器輸出頻率不變。根據(jù)上述的手動(dòng)控制規(guī)則得到模糊控制規(guī)則如下： if e=NB then u=PBor if e=NS then u=PS or if e=O then u=Oor if e=PS then u=NSor if e=PB then u=NB離線計(jì)算模糊控制表    由上述的模糊控制規(guī)則采用min-max重心法推算出實(shí)際應(yīng)用的模糊控制表及對(duì)應(yīng)變頻器輸出頻率如下表所示。表1:?？刂票韚eec-3-2-10123-3

9、65552-20-264410-3-3-164410-3-306410-1-4-61310-1-4-4-62200-1-4-4-63000-1-3-3-6在實(shí)時(shí)壓力控制過程中，PLC的高速輸入端口接收管網(wǎng)中的壓力值。把表1控制表存在PLC的內(nèi)存中，將量化因子Ke、Kec、Ku置入PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,再將采集到的輸入量e和ec置入PLC的數(shù)據(jù)寄存器中,經(jīng)過限幅量化處理后,根據(jù)它們所對(duì)應(yīng)的輸入模糊論域中的相應(yīng)元素,查模糊控制查詢表(即模糊控制表) ,求得模糊輸出量,再乘以輸出量化因子即可得實(shí)際輸出量, 根據(jù)實(shí)際輸出量計(jì)算出對(duì)應(yīng)的速度值速度范圍，然后可編程控制器模擬量電壓輸出為變頻器頻率設(shè)定端子AI

10、1提供輸入信號(hào)，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制水壓的目的。在整個(gè)程序編制中,最重要的就是模糊控制查詢表的查詢程序編制。其梯形圖程序如圖4所示。圖4：模糊控制查詢表梯形圖圖4梯形圖中，把誤差eP設(shè)定P實(shí)測(cè) 的值方入變量存儲(chǔ)器VB100，把誤差變化率ec的值放入VB101中，把u 值放入VB200VB248中。當(dāng)I1.0由OFF變?yōu)镺N時(shí),第一操作數(shù)(如VB100) 中數(shù)據(jù)分別與第二操作數(shù)(如VB110)開始的連續(xù)7個(gè)數(shù)字存儲(chǔ)器中預(yù)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,若第一操作數(shù)中的數(shù)據(jù)與第二操作數(shù)中的某一數(shù)據(jù)相同,則第三操作數(shù)(如M0)位M1置“1”,否則M0仍為“OFF”。VB200VB248中按順序存儲(chǔ)著模糊控制查

11、詢表中的49個(gè)控制結(jié)果,將VB100與VB101中數(shù)據(jù)分別與輸入論域中的元素(VB200VB248 中數(shù)據(jù))相比較,由比較結(jié)果,根據(jù)M位寄存器的狀態(tài)查詢輸出量，最后查詢結(jié)果放到VB300中，以備向外輸出。4、結(jié)束語    該系統(tǒng)充分利用CPU224XP自帶的A/D和D/A處理器，實(shí)現(xiàn)出水壓力信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換，和對(duì)變頻器頻率給定，對(duì)泵組進(jìn)行模糊控制，冗余性好，壓力超調(diào)小，調(diào)節(jié)速度快。采用模糊控制方式設(shè)計(jì)調(diào)試十分方便，在現(xiàn)場(chǎng)只要合適設(shè)定多段速頻率值，即可獲得滿意的控制效果，另外224XP兩個(gè)RS485接口，PORT0接口通過MODBUS協(xié)議與變頻器通訊，PORT1接口利用PPI