模糊控制系统在高层供水中的应用

摘要：恒压模糊控制系统应用于城市高层供水以及市政管网供水加压控制。这个系统将现代控制理论引进了城市供水领域，克服了传统供水方式的诸多弊端。本文从系统、系统构建、系统硬件、软件上进行进行了阐述，具有一定的参考价值。

关键词：模糊控制；PLC；硬件设计；软件设计。

中图分类号：TV文献标识码： A

1．前言

模糊控制系统相对传统的调节方式具有诸多优点，它将现代控制理论引进了城市供水领域，克服了传统供水方式的诸多弊端。

（1） 节能显著

传统的高楼供水方式采用水塔、高位水箱，这种供水方式管网压力不稳定，管道位置不同压力值差别比较大，还由于水头能量的损失和高位势能的增加，造成能源很大浪费，而直接变频模糊控制管网恒压供水则至少能节约1/3的电能。

（2） 管网压力稳定易调节

目前的市政管网供水大部分还是采用多泵工频运行，值班人员24小时职守管网压力，用水低峰期，管网压力值升高，用水高峰管网压力值有可能突然下降。压力波动范围大，值班人员必须随时根据实际情况人工控制泵的启停来调节压力，造成工作效率低，管网压力波动得不到根本解决。而把恒压模糊控制系统应用于市政管网，压力能在短时间内稳定达到设定的压力值。

（3）和PID闭环控制比较

模糊控制具有调节时间短，控制更精确，不会出现超调现象，震荡小，受干扰程度小等优点。

2、控制原理

恒压供水是指用户段不管用水量大小，总保持管网水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。为实现上述目标，利用PLC根据给定压力信号和反馈压力信号(A/D转换成数字信号)，通过模糊推理运算，控制变频器调节水泵转速，从而达到控制出水压力的目的。

模糊控制系统由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、测量装置和被控对象五个部分组成。

模糊控制器：西门子PLC

执行机构：变频器

被控对象：水泵

变送器：压力变送器

给定量：设定的压力值

被控量：管道实际压力

e： 实际偏差输入

u： 控制量

3、系统设计

此控制系统采用一个变频器实现一托N控制。整个运行状态是 N台工频＋1台变频。即：泵由分别由变频器进行变频软启动，如果管网压力不足，把变频运行的泵切换为工频运行，然后再去变频启动另一台泵，直到管网压力值达到要求为止。如果用水量小系统自动停止工频运行的泵，减少泵运行的台数，保证管网压力稳定。现在以一托二控制（使用于高层二次供水或工业用水场合）为例来说明恒压模糊控制系统。

（1）系统主电路

一托二供水，如果一台泵的出水量可以满足用水要求的话，两台泵可以互为备用；当供水泵出现故障或需要定期检修时，备用泵马上投入，不使供水中断。如果一台泵的出水量不能满足用水要求，一台泵工频运行，另外一台泵变频运行。

（2）硬件设计

该系统主要由S7200 CPU224XP，ABBACS510变频器，电流型压力变送器，两台三相异步电动机或潜水泵。系统控制电路如图3所示。当PLC控制变频器启动后压力表检测出管网压力为4～20mA模拟电流信号，经PLCA+(AI0)进行A/D转换，作为实际压力值。PLC接收到压力值后与给定压力进行比较，然后通过模糊推理运算，由PLCD/A输出电压为变频器提供频率给定，变频器实现20段速输出，控制水泵进行调速运行，从而控制供水压力恒定。

（3）软件设计

由于用户较多并且用水时间不确定，管网水压波动较大，数学模型很难确定，而模糊控制不需要精确的数学模型，因此本系统控制算法采用模糊控制方式进行设计。模糊控制器的设计主要包括以下四部分：

1

选择输入输出变量

压力的给定值设为p，管道的实测压力值为p(k)，则误差为

e(k)=p-p(k)作为模糊控制器的输入变量，输出变量为控制变频器的

给定频率值u，这里采用PLC 内部程序设置，控制变频器20 段速输

出。

2

确定各模糊变量的隶属函数

描述输入e 及输出变量u 的语言值的模糊子集为｛负大，负小，

0，正小，正大｝简记为｛NB，NS，O，PS，PB｝，设误差e 的论域为X，并将误差大小量化为7 个等级，即X=｛－3,－2,－1,0,1,2,3｝；

偏差变化率ec 论域为Z,量化为7 个等级，即Z=｛－3,－2,－

1,0,1,2,3｝；控制量u 的论域为Y，也量化为13 个等级，即Y=

｛-6,-5,-4,－3,－2,－1,0,1,2,3,4,5,6｝。

3

建立模糊控制规则

根据长期现场工作经验，控制规则用语言描述如下：

若实际出水压力低于给定值则提高变频器输出频率，低得越多频

率提高的越多；若压力高于给定值则降低变频器输出频率，高得越多

频率降低的越多；若压力等于给定值则变频器输出频率不变。根据上

述的手动控制规则得到模糊控制规则如下：

if e=NB then u=PB

or if e=NS then u=PS

or if e=O then u=O

or if e=PS then u=NS

or if e=PB then u=NB

4

离线计算模糊控制表

由上述的模糊控制规则采用min-max 重心法推算出实际应用的模糊控制表及对应变频器输出频率如下表所示。

表1:模控制表

在实时压力控制过程中，PLC 的高速输入端口接收管网中的压力

值。把表1 控制表存在PLC 的内存中，将量化因子Ke、Kec、Ku 置入

PLC 的数据存储器,再将采集到的输入量e 和ec 置入PLC 的数据寄存

器中,经过限幅量化处理后,根据它们所对应的输入模糊论域中的相

应元素,查模糊控制查询表(即模糊控制表) ,求得模糊输出量,再乘

以输出量化因子即可得实际输出量, 根据实际输出量计算出对应的

速度值速度范围，然后可编程控制器模拟量电压输出为变频器频率设

定端子AI1 提供输入信号，从而改变电机转速达到控制水压的目的。

在整个程序编制中,最重要的就是模糊控制查询表的查询程序编

制。其梯形图程序如图4 所示。

图4梯形图中，把误差e＝P设定－P实测的值方入变量存储器VB100，

把误差变化率ec的值放入VB101中，把u 值放入VB200～VB248中。当

I1.0由OFF变为ON时,第一操作数(如VB100) 中数据分别与第二操作

数(如VB110)开始的连续7个数字存储器中预置的数据进行比较,若第

一操作数中的数据与第二操作数中的某一数据相同,则第三操作数

(如M0)位M1置“1”,否则M0仍为“OFF”。VB200～VB248中按顺序存

储着模糊控制查询表中的49个控制结果,将VB100与VB101中数据分别

与输入论域中的元素(VB200～VB248 中数据)相比较,由比较结果,根

据M位寄存器的状态查询输出量，最后查询结果放到VB300中，以备向

外输出。

4、结束语

该系统充分利用CPU224XP 自带的A/D 和D/A 处理器，实现出水

压力信号的数字转换，和对变频器频率给定，对泵组进行模糊控制，

冗余性好，压力超调小，调节速度快。采用模糊控制方式设计调试十

分方便，在现场只要合适设定多段速频率值，即可获得满意的控制效

果，另外224XP 两个RS485 接口，PORT0 接口通过MODBUS 协议与变

频器通讯，PORT1 接口利用PPI 协议与触摸屏通讯，减少系统物理接

线，全方位对设备进行监视操控。系统稳定，调节速度快，故障率低，

而且操作容易，在实际运行中能够取得很好的运行效果。

参考文献：

[1]寥常初.PLC 编程及应用.第四版机械工业出版社，2014

[2] 胡寿松.自动控制原理. 第六版.国防工业出版社，2013

[3] 邓刚孔生.模糊控制在污水处理中的应用探讨.科技资讯，

2013(21)

作者简介：

孔生，男，山东省曲阜市，现任职于济宁金水科技有限公司，本

科，长期从事高层建筑供水设备、水厂污水厂自动化控制系统的设计。