模糊控制技术应用于供水控制系统的研究
摘要：本文利用模糊控制原理，对变频调速变压供水系统进行了研究，介绍了模糊控制策略的设计思想，采用PLC控制和变频调速技术使系统得以实现。实践证明系统实时性强，可靠性高，对于单泵站供水具有明显的推广应用价值。
关键词:变频调速；变压；模糊控制
前言：
笔者结合单泵站供水的特点，根据对管网系统的分析，确定最不利点位置作为控制点。并且结合供水系统难以建立准确数学模型的特点，采用模糊推理和PLC控制相结合的方式，以模糊控制为核心，加入简单的适应性环节和积分环节，组成结构简单，控制稳定，适应性好的控制器，实现了一种新的变压变量供水系统，通过理论上和实际应用上的比较，证明了该系统更加节能，具有更高的可靠性。
1.变频调速供水节能效果分析
恒压变流量供水系统是目前主要的控制方式。不管流量如何变化，通过控制系统，都使水泵运行扬程保持不变。为此在水泵出口设定一个压力控制值，并将压差传感器设在水泵机组的出口干管上，时刻监控出水口压力的变化，再通过DDC控制器或PLC控制变频器和水泵电机转速，来维持扬程（水压）的恒定【1】。变压供水方式控制原理和恒压供水相同，只是压力设置不同。它使水泵扬程不确定，而是沿管路特性曲线移动，但变压供水本质上也是一种恒压，不过将水泵出口压力恒定变成了控制点压力恒定．
变频供水的运行工况如图1所示，A0是水泵的特性曲线，H0是管网的特性曲线。B点是恒压供水设计工况下水泵的工作点，流量为Q2，扬程为H2,转速为n0，由于采用了恒压供水，水泵的扬程不变，当系统流量由Q2变为Q1时，水泵的工作点移至b点,水泵的转速由n0下降至n1，点b成为新的工作点，显然恒压供水节省了扬程Δh1，而没有考虑Δh2，因此它不是最节能的供水方式。如果采用变压供水，使水泵的扬程沿管路特性曲线移动，当流量由Q2变为Q1时，自动将转速调至n2，工况点处于c点，相比恒压供水,进一步节省了扬程Δh2,理论上避免了流量减少时扬程的浪费，显然优于恒压供水.
2．系统的工作原理和组成：
2.1系统的工作原理【2】
本系统通过压力传感器采集管网的压力，将测到的值与给定压力比较之后，将压差送入模糊控制器，并很快求出压力误差变化；经过模糊控制器的控制规则推理合成，输出一个模糊控制量增量，积分后经反模糊化处理给出控制量的确切，送给变频器去控制水泵的转速，并通过PLC控制系统实现变频泵和工频泵的切换，直到水压满足要求。
2.2系统组成
如图2所示，系统控制以西门子公司的S7－200型PLC为核心,它包括模拟量输入输出通道的实现、压力的检测、变频器的输出频率控制、开关量的I/O实现以及泵的变频与工频的转换、以及通过软启动器对工频泵的启停。主水泵组有3台水泵组成，利用变频与工频的转换，以及泵的启停来调节系统的水压；附属泵供夜间或用水量很小时用，容量约为主泵的1/3，这样可以避免调速泵长期在低频下工作对电机的伤害。
3．控制算法及实现
由于供水管网一般很长，流量变化缓慢，水压的调节又很大的滞后性，难以建立精确的数学模型；通过对变频调速供水系统各种控制策略的分析，确定这样的控制策略：以模糊控制为核心，加入简单的适应性环节和积分环节，组成结构简单，控制稳定，适应性好的控制器。
3.1模糊控制器
控制器结构如图3所示：中间部分为普通的模糊控制器，在它的前端加入了变量变换部分，在输出端加了积分器，组成了变频变压供水系统控制器。
它以相对压力偏差δ和偏差变化率δ为输入，进行模糊化和模糊推理，而非模糊化的输出Δ为增量形式的频率输出，经由输出积分器累加后作为频率给定真正的输出。
压力偏差Δ＝实测压力Pf－给定压力Pg
相对偏差δ＝Δ/pg
压力偏差变化率Δ＝ΔI+1－Δi
相对偏差变化率δ=Δ/pg
3.2模糊控制规则的建立
模糊控制规则是模糊控制的核心，为了使模糊控制能够在单片机或计算机上实现，必须对控制规则进行形式化的处理，然后模仿人的模糊逻辑推理过程确定推理方法。模糊控制器根据经验制定的模糊控制规则和事先确定好的模糊推理方法，进行模糊推理运算，得到模糊输出盆即模糊输出隶属函数，其目的是用模糊输入值去适配控制规则，为每个控制规则确定其适配的程度，并通过加权计算合并规则的输出。本系统确定模糊控制表如表1所示：
考虑到供水系统的实时控制，根据系统输入可能的不同组合离线计算出控制量，制成一张表格，并将控制表存入ROM中.根据Δ和Δ的变化方向和大小，模糊控制器就能很方便地从该控制表中查询所需要采取的控制策略，从而实现模糊控制；同时还可以对表中的单元数据根据实际情况进行适当的改动，从而提高控制性能。
4．系统设计要点
该系统设计主要包括软件的设计和硬件的选择，以及控制过程的实现，在实际设计过程中，应注意以下几点：
1）模糊控制规则以及模糊控制表的求解
确定模糊输入变量δ、Δ和输出变量Δ的隶属度函数，根据特定的控制规则，离线计算出模糊控制表，并存于ROM中，利用PLC的查表功能设计程序，实现控制要求【3】。
2）主要功能设定
系统运行方式分为手动、全自动两种方式，配备外围辅助电路，以保障自动控制系统出现故障时可通过人工调节方式维持系统运行，保证连续生产；变频器运行时，要对变频器当前控制的水泵进行监控，出现过载、失速、电压不正常等情况进行保护；还要对水位、水泵的转速、管网压力实施监控，对于危险情况要设置报警信号，并能自动做出反应，防止危险扩大。
3）硬件选择
设备硬件选择留有余地，特别是PLC的I/O点数和内部继电器数，为以后的扩容和系统升级做好准备。本系统选用西门子公司的S7－200型PLC,变频器选用ABBACS600系列变频器，其独特的直接转矩控制（DTC）功能是目前最佳的电机控制方式。根据预计流量设计泵站的扬程，合理的选择水泵的容量及台数。
4)参数设定
主要包括：末端用户要求的出口水压H和管网水力特性系数k值；为防止水泵在低转速运行时效率下降过多，变频泵单独运行时对应的频率下限fmin=25-30Hz；水泵在工频运行下可能达到的最大流量Qk和对应的扬程Hk；压力变送器将采集到的压力信号转变为4～20mA的电流。
5)水泵的切换以及工频与变频的转换
变频泵启动后，根据流量变化改变频率和电机转速，使检测的水泵出口压力和管网的水力损失保持一致。当Q>Qk时变频泵投入，变频泵和工频泵并联运行。为避免工频泵频繁启动和停止，当Q<0.9Qk;时，工频泵停止运行，由变频泵单独工作。为防止水锤现象的产生，泵的启停将联动其出口阀门。当该泵达到最高频率时，变频器将该泵切换到工频运行，变频器启动下一台泵变频运行，相反当泵停止条件成立时，先停止最先启动的泵。
6）设计参数的调节
根据系统设计参数及调节要求选用合适的压差传感器、变送器和流量传感器、变送器。选择恰当的安装位置，以满足系统的控制精度要求。由于引入模糊控制思想，压差传感器可直接设在水泵出口干管上，解决了在用户末端装设压差传感器位置难以确定的难题。
5．结论
针对供水系统具有时变、惯性及滞后性的特点，并且难以对系统建立精确的数学模型，本系统采用模糊控制的方式，大大的提高了系统的性能。并且由于采用了变压变流量的控制要求，使系统节能效果比恒压供水有了很大的提高。本系统经过几个生活小区的使用，节能效果明显，实践证明是实现供水系统智能化，节能化的一种新途径，具有广阔的应用前景。
参考文献:
【1】 王占奎。变频调速应用百例【M】。北京科学出版社，2005。
【2】 窦振中。模糊逻辑控制技术及其应用【M】。北京航空航天大学出版社，2006。
【3】SIEMENSAD.SiemensPLCSystemManual【M】。Beijing:SiemensHouse,2000