基于模糊控制的恒压供水系统的研究

张坤平 郑栋梁

摘 要：恒压供水系统在目前的供水系统中属于十分重要的一种类型，有着十分广泛的应用，并且发挥着十分重要的作用。在目前的恒压供水系统中，模糊控制理论有着十分广泛的应用，并且在强化恒压供水系统功能方面发挥着十分重要的作用，因而对于恒压供水系统中模糊控制理论的应用需要加强认识。本文就基于模糊控制的恒压供水系统进行分析，从而为恒压供水系统的应用提供依据与理论支持。

关键词：恒压供水系统；模糊控制；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.142

随着现代科学技术不断进步与发展，各种电气工程也十分较好发展，在这种形势下，恒压供水系统也得以较好发展，并且各种电气工程相关理论在恒业供水系统中也得以应用，模糊控制理论就是其中比较重要的一种。作为相关研究及技术人员，应当对基于模糊控制的恒压供水系统进行研究，从而对其充分认识及把握，促使恒压供水系统在模糊控制理论支持下更好发挥其作用，进而使其该系统的更好发展，使其更符合实际应用需求。

1 恒压供水系统原理及特点

1.1 恒压供水系统原理

目前，我国大多数城市内的供水方式都是选择恒压供水系统，在这一系统中由于对变频调速技术进行应用，相比于传统供水方式而言，其管网水压更加恒定，自动化程度得以提升，并且能夠节约电能，还能够提升运行可靠性与供水质量。对于恒压供水系统而言，其构成主要包括变频器、PLC控制器以及压力变送器与水泵机等相关内容。本文研究中是对某城市供水厂的传统控制系统实行改造，在原本控制系统中，其PLC控制器仅仅选择PID控制算法，一台变频器能够对三台水泵电机实行控制，以实现恒压供水。在这一系统的实际应用过程中，利用在供水管网出口所安装的压力变送器，可对实际管网压力值进行检测，通过对系统给定压力值与实际压力值进行比较，可将压力误差获取，并且传达给PLC控制器，在进行PID控制算法处理之后，向变频器输出控制信号，而后利用变频器输出信号控制水泵。在系统实际运行中，通过变频器的利用可使三台水泵能够平滑启动，依据实际用水量将需要在工作中运行的水泵电机台数确定，同时可使水泵电机实现启动与停止以及工频与变频之间切换。通过对工作中所投入的水泵电机台数进行调整，并且变频器对水泵电机转速实行实时调节，能够快速跟踪及调节供水管网压力，从而实现恒压供水。

1.2 恒压供水系统特点

第一，供水系统的扬程特点。对于系统扬程特点，其需要以管道横截面不变为基础进行研究，通过扬程特性曲线，可使特定转速下水泵扬程与流量存在的关系。就供水系统的实际运行情况而言，在流量增加的情况下，其管组损耗也会逐渐增大，此时扬程会有所减小。在阀门开度以及水泵转速均能够固定的基础上，用户实际用水情况对于水流量大小可起到决定作用。第二，管阻特点。对于管阻特性而言，其所反映的就是在保持水泵转速固定基础上，在阀门保持一定开度情况下，扬程和流量之间所存在的关系。依据实践情况而言，其阀门开度确定情况下，随着扬程不断增加，其流量也会不断增加。在这一扬程下，若对阀门开度进行调节，则会导致给水能力产生一定变化。第三，供水系统工作点。对供水系统工作点，其所指的就是与扬程特点及管阻特点同时符合状况下的时间点，在这种情况下供水系统能够同时满足扬程特点与管阻特点，也就是说供水系统中的给水量与用户用水量能够保持平衡，供水系统能够实现稳定运行[1-2]。

2 模糊控制思想及模糊控制器设计

2.1 模糊控制思想

在恒压供水系统中，通过对模糊控制技术进行利用，可使系统动态性能实现有效提升，但是在模糊控制中，其所依据的相关控制规则，不具备自我调整能力及自我学习能力，同时系统稳定性能不够理想，会导致控制效果很难达到比较满意的程度，因此在实际应用中往往将模糊控制与PID控制进行有效结合，使得模糊-PID控制理念得以实现。对于这一设计理论而言，其具体思路如下：在压力误差值比较大的情况下，选择并应用模糊控制，能够得到比较理想的动态响应；而在压力误差比较小的情况下，利用PID控制能够得到比较理想的稳态响应。在模糊-PID控制系统中，对于其所应用的模糊控制算法及PID控制算法而言，均通过PLC程序得以实现。在模糊-PID控制器中，其所包括的内容主要就是模糊控制器与PID控制器，其相比于常规PID控制器而言，其能够系统鲁棒性得以提升，可使系统抗外部干扰能力增强，并且能够更好适应内部参数变化，使超调能够得以减少，还能够使系统动态特性得以改善。这种类型的控制器相比于简单模糊控制器而言，可使稳态误差得以减小，使平衡点稳定度得以有效提升。

2.2 模糊控制器设计

在系统设计过程中，对于模糊控制器部分而言，在实际设计中选择二维模糊控制器，选择压力误差е以及误差变化率?е，将其作为输入变量，选择控制量变化?ц，将其作为输出变量。对于系统定义误差，其偏差语言变量表示为E，而对于误差变化率的偏差语言变量，将其表示为?E，对于输出量?ц，其语言变量表示为?U，选择E、?E以及?U，将其作为模糊子集，并且对其论域进行量化，形成七个等级，对模糊子集有关隶属函数，选择三角形。依据现场工作人员通过手动控制方式对供水压力进行调节所得到的经营，可对与系统相适合的模糊控制规则进行总结，便模糊控制系统中，其模糊关系就是IF E and ?E then ?U，其能够使模糊控制规则生成。依据所得到的模糊控制规则，通过计算能够得到整体模糊关系R，在此基础上与极大极小合成规则相结合，从而可得到输出语言变量域中有关模糊集合，即?U=（E×?E）×R。之后，对于?U可利用加权平均法实行解模糊，使模糊变量?U能够转变成为精确变量U，从而可得到模糊控制表，对于模糊控制表，可当作文件在PLC中进行存储。在实际进行控制过程中，可依据误差变化以及误差变化率所产生的相关变化，在模糊控制表中对需要选择的控制策略进行查询[2]。

3 基于模糊-PID控制器的自动化控制系统实现

在本文研究的系统中所选择的主控制器为西门子PLC，系统程序利用梯形图语言实行编写。在系统程度设计过程中，其构成主要包括主程序、模糊控制程序及PID控制程序，還有切换子程序，同时还包括通信程序与报警程序。在系统实际运行过程中，压力变送器能够采集供水管网中特定时刻的实际压力值，并且与系统给定压力值进行比较，从而可获得误差，将其传递至PLC实行后续处理。对所得到的误差，将其与PID控制及模糊控制之间切换阈值进行比较，若误差值在切换阈值之上，则运行模糊控制系统，若误差值不高于切换阈值，则运行PID控制系统。对于PID控制与模糊控制两者切换程序，其实际运行中依据误差大小适当选择调用相应的程序，从而使模糊控制与PID控制能够得以真正实现。对于系统中的PID控制器设计而言，其主要就是以原本控制系统中的PID控制器为基础，通过对新系统进行现场调试运行，适当修改系统中的比例系数、微分时间常数、积分时间常数以及调节周期等有关参数，从而使新系统的实际运行需求得到满足，在PID控制系统调用时，也就能够促使PID控制得以更好实现，促

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使系统能实现稳定可靠运行，保证实际控制能够得到更加理想效果。

在模糊控制量表中，所涉及到的数据有些带有符号，由于这些数据在PLC中进行处理十分不便，并且很容易有错误产生，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，从而可将量化后的误差E1、控制量U1以及误差变化率?E1得到。对系统模糊控制，为能够通过利用PLC编程得以实现，首要任务就是应当在变量存储单元中存入量化之后得到的误差及误差变化率相关数据，而后对于量化后得到的控制量，应当依据由左到右与由上及下顺序，在首地址为VW100的变量存储器子单元中依次存入。对于模糊控制PLC程序而言，在实际设计过程中选择指针寻址的查找方法，将量化后的控制量作为基础地址，其偏移地址就是2×（7×E1+?E1），以此为基础可得到控制量绝对地址，也就是基址与偏移地址之和。所以，依据误差值以及误差变化率相关数值，利用指针变量，可得到相关地址中所存储的有关控制量数据，从而实现更理想的控制。

4 结语

目前，恒压供水系统属于应用十分广泛的一种系统，并且具有重要的作用，因而需要实现该系统的更理想应用。在恒压供水系统实际应用中，相关研究人员应当以模糊控制为基础，对恒压供水系统合理实际，并且使系统设计得以更好实现，从而对恒压供水系统实行较好控制，也就能够更好实现供水，使恒业供水系统的应用能够更好满足实际需求。

参考文献：

[1]岳丽芳，韩一杰.基于模糊PID控制的变频恒压供水系统[J].冶金自动化，2017，41（06）：17-21.

[2]陈蕾，张少华，杨奕.恒压供水系统模糊PID控制策略研究[J].南通大学学报（自然科学版），2017，16（01）：24-28.

课题来源2018许昌市科技局课题，项目编号：20170211048，课题名称：基于模糊控制的恒压供水系统的研究

作者简介：张坤平（1982-），女，河南巩义人，硕士研究生，高校讲师，研究方向：控制理论与控制工程。