基于PLC模糊控制的恒压供水系统研究

本文研究了一种基于PLC模糊-PID的恒压供水控制系统。该文以模糊-PID控制理论为基础，阐述了一种模糊自适应-PID智能控制算法，并将此算法与西门子PLC相结合应用在恒压供水控制系统中。论文在对系统的硬件构成介绍之后，研究了模糊-PID控制算法的实现，最后给出系统的软件设计思路。

【关键词】模糊-PID控制 恒压供水系统 模糊规则

1 引言

由于供水压力的变化具有时变性、非线性、分布性及滞后性等，因此水压控制是一种典型的过程控制。对供水管网水压的测量和控制在工业生产、人们的生活用水等领域都有着广泛的应用。以前对水压控制主要以传统的PID控制理论为基础，以51单片机或PLC为核心的供水压力采集和控制系统，其中其测量、控制精度不高，实时性得不到保证，而且受运行速度和存储空间的限制，单片机对于多任务，复杂程序的运行得不到满足。

本文设计了一种基于西门子PLC的模糊-PID恒压供水系统。其微处理器采用的是西门子公司生产的S7-226XP型PLC。控制算法部分以模糊控制理论为基础，提出一种模糊-PID控制策略，并应用到供水系统中，对PID的三个参数自动在线调整，完成了模糊自适应-PID控制器的设计。

2 系统硬件设计

本恒压供水控制系统的总体结构框图如图1所示，系统主要包括PLC控制机构、现场水压信号检测、执行机构、显示以及报警装置等。其中PLC控制机构是本系统的核心，由它及其电路来共同完成整个系统的控制、数据传输和处理。

2.1 西门子S7-226XP型PLC芯片简介

S7-226XP芯片的PLC是西门子公司生产的200系列的产品。它的性价比高，性能可靠。具有24/16数字输入/输出，2/1模拟量输入/输出口，2个RS-485通信口，DC24V或AC220V电源供电。

2.2 执行机构

执行机构由一组水泵组成，其中水泵机组供给用户管网中的水流量，总体结构框图中前三台水泵为主泵，第四台水泵为辅助小泵，主泵与辅助小泵的区别是工作方式不同。主泵也叫调速泵，它有变频调速、工频恒速及停止三种运行状态，三台主泵遵循“先开先停、先停先开”的原则循环供水。

2.3 信号检测

整个系统信号检测有管网水压信号、水源液位信号、故障报警信号三个。管网水压信号通过压力传感器实时检测压力大小并送给PLC，PLC与水压设定值比较并进行处理后确定执行机构动作进行控制。水源液位信号测量是为了防止水源不足而导致水泵空抽而损坏进行的保护控制，通过液位传感器来检测液位信号。水泵过载，变频器异常时输出报警信号。

2.4 控制机构

控制机构通常安装在供水控制柜中，有三大主体，分别为PLC控制系统，变频器，电控设备。其中PLC控制系统（供水控制器）是核心，对水泵机组控制通过变频器进行，电控设备完成水泵的切换工作，由交流接触器，转换开关，中间继电器组成。

系统由PLC主控单元控制变频器的输出频率，通过软件程序来进行实际值和设定值的比较，根据模糊-PID控制算法计算出管网水压的偏差，进而对水泵转速进行调节，实现管网水压的调节，控制。

3 模糊-PID控制器的设计

设定管网水压为，当前的实际温度为，我们把偏差和偏差变化率为作为控制器的输入变量，而控制量为输出变量。温度偏差模糊量E的模糊词集为，偏差变化率EC和控制量的模糊词集为，把采样来的实际水压值计算出温度偏差E和偏差变化率量化到[-3 3]的范围内，得到压力偏差和偏差变化率的模糊量。控制量的论域级数为。根据操作人员的经验，得出模糊控制规则。

建立隶属函数我们选择三角形分布，根据前面偏差E和偏差变化率EC的词集和论域的规定，可以得到水压偏差模糊量E和偏差变化的模糊量EC的隶属度值，分别如表1、表2所示。

由模糊控制规则我们可以计算出确定的模糊关系R，然后通过Mamdani控制器的推理形式，得到输出控制量的模糊集合为，经过上述模糊推理后，模糊-PID控制器调整的参数要进行去模糊化取得精确量，本控制器采用最大隶属度法计算得到模糊量U，即模糊控制的输出。最后精确的控制值是通过对模糊量U反模糊化得到的。

4 系统软件设计

系统软件设计建立在恒压供水模糊-PID控制算法的基础上，采用结构化程序设计的方式。主要包括主程序设计、模糊-PID控制子程序、水泵机组切换控制、故障检测、显示子程序等几个部分。

4.1 系统主程序设计

主程序主要完成系统初始化，执行故障检测子程序，显示子程序以及初始化后进入恒压运行模式等这些工作。

4.2 子程序设计

根据水压误差和误差的变化量，由模糊控制规则模糊整定PID的三个参数，最终计算出实际系统的模糊控制量，最后经过解模糊得到精确的控制量。从而控制变频器的实际输出频率，达到恒压供水的目的。水泵电机的控制子程序主要完成对三台主水泵电机的运行和停止控制等。

5 结束语

本论文所研究的恒压供水系统，在现实的工业生产和居民生活中都具有重要的意义，它是一个典型的纯滞后非线性时变的控制系统，供水管网的水压是系统安全运行的重要参数，稳定供水管网的压力对系统的正常运行有着重大的意义。采用的模糊-PID控制算法提高了控制系统的控制精度，缩短响应时间，减小超调量，抗干扰能力要比传统PID效果好。

参考文献

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作者简介

张坤平（1982-），女，河南省巩义市人。硕士研究生学历。现为许昌电气职业学院（许昌技师学院）电气工程系助教。研究方向为控制理论与控制工程。

作者单位

许昌电气职业学院（许昌技师学院）电气工程系 河南省许昌市 461000