李云陽

摘 要

恒壓供水技術(shù)廣泛應(yīng)用于供水行業(yè)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。但對于居住社區(qū)以及高層建筑供水情況，管網(wǎng)往往是非線性的，控制系統(tǒng)本身是復(fù)雜的，很難用傳統(tǒng)的控制的方法來解決。本文結(jié)合某一小區(qū)的實際情況，給出基于模糊策略的控制方法，詳細(xì)介紹了設(shè)計思路和示例程序。

【關(guān)鍵詞】頻率控制 可編程控制器 模糊控制

本文嘗試采用智能控制策略，以提高傳統(tǒng)控制方法的控制效果。

1 某區(qū)供水控制系統(tǒng)的狀態(tài)

某區(qū)采用變頻恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過檢測管網(wǎng)壓力，由PID智能控制器對信息進(jìn)行處理后調(diào)整變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)水壓恒定。由PLC（西門子S700-200系列小型PLC，CPU222作為核心控制單元，8輸入，6路輸出）把一個控制信號傳至變頻器（三菱FR-F540系列，5.5千瓦），進(jìn)行報警和診斷故障。因為該區(qū)白天供水量不大，會有明顯的日（谷）—夜（峰）值的變化，從而產(chǎn)生缺水壓力欠缺，不能滿足高層住戶的用水需求的狀況。因此，有必要對于控制方案進(jìn)行改進(jìn)，從而提高供水的效率。

居民住宅小區(qū)，高層建筑供水管網(wǎng)峰谷差值大，加之泵的非線性特性，經(jīng)過多年的運(yùn)作，水泵及電機(jī)的特性也在發(fā)生變化，PID算法難以滿足不斷變化的需求和壓力條件下系統(tǒng)的整體精度要求，因此采用智能模糊控制算法是一種實用而有效的方法。

2 改進(jìn)的控制系統(tǒng)解決方案

刪除原有的硬件PID智能控制器，并添加一個EM235模擬量模塊。軟件方面，模糊控制器使用兩個輸入和一個輸出模式，設(shè)定Ps和實際測量值Pv的誤差e（e=Ps-Pv）及誤差變化率ec（de/dt）的變化作為模糊控制器的輸入，模糊化后得到E、EC參量，然后通過模糊決策輸出U，并經(jīng)過反模糊（精確），以獲得實際的輸出u。當(dāng)然，模糊控制規(guī)則更加復(fù)雜，利用存儲在PLC內(nèi)存的離線模糊控制表，并不斷修改查詢表，以獲得更好的控制效果。

3 模糊控制軟件設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

由于供水系統(tǒng)的快速性不高，系統(tǒng)需要五個模糊集合來描述的壓力誤差e，變化的誤碼率和控制ec參考量u，即負(fù)，負(fù)小，零，正小，正大（NB，NS，ZE，PS，PB）和定量他們對九級（-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4）領(lǐng)域，基本原則：取量化等級兩邊的粗糙點(diǎn)，中間取精細(xì)的點(diǎn)，在PLC程序中具體闡述措施，模糊子集取三角形的隸屬函數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和具體的操作員控制對象，確定模糊控制器的規(guī)則，如表1所示，它描述了使用模糊關(guān)系的模糊系統(tǒng)，使用IF E and EC then U的表達(dá)式。

模糊關(guān)系基于的模糊控制規(guī)則生成，然后合成推理操作并繪制對應(yīng)的模糊矢量。后模糊關(guān)系運(yùn)算后，得出模糊控制表。存儲在PLC存儲器中的模糊控制表，編寫子程序用于實時壓力控制過程，PLC把收集在管網(wǎng)水壓Pv與壓力設(shè)定值Ps進(jìn)行比較，得到偏差e和偏差變化率ec，乘以量化因子ke、kec，考慮偏置增益，模糊化之后查模糊控制表得到需要的控制參量和論域數(shù)值，然后乘以比例因子ku，并考慮偏差因子控制輸入變頻器，以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制水壓的目的。

3.2 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

最重要的程序是e、ec、u的量化程序以及查表程序。在編程時，根據(jù)e、ec和u論域的分級，將實際變化范圍分成9級，實測的精確量e和ec由量化因子ke、kec、ku進(jìn)行量化，變換為相應(yīng)的論域元素。以偏差e舉例，PLC的模數(shù)、數(shù)模的數(shù)值范圍是0～32000，而實際的壓力表取值范圍為0～24000（壓力表量程為0～0.4MPa，顯示范圍在0～0. 3MPa左右），量化方法如表2。

查表后的值乘以量化因子偏置后，得到實際的控制輸出，程序此處省略。

4 幾個問題需要注意

（1）輸出控制表中根據(jù)實際調(diào)試，運(yùn)行過程中，需要不斷地修改表參數(shù)離線創(chuàng)建的，這個過程也比較復(fù)雜，而且使用在線調(diào)整需要專業(yè)的智能處理模塊，需要廠家開發(fā)更完善的產(chǎn)品使得控制效果更好。

（2）小城鎮(zhèn)和小區(qū)供水面積小，供水有限，缺乏技術(shù)支持，普遍缺乏相應(yīng)的防雷接地措施，這很容易導(dǎo)致變頻器損壞或無法修復(fù)，特別是需要考慮安全性和保護(hù)方案，增加隔離模塊。

（3）檢測壓力儀表性能直接影響整個控制系統(tǒng)的自動運(yùn)行效果和質(zhì)量，選擇一個高性能儀表非常重要。

5 運(yùn)行效果

小區(qū)采用改進(jìn)的控制方案，并沒有改變原有的硬件設(shè)計總體規(guī)劃，只增加了PLC的模擬量輸入/輸出模塊，投資少，但供水效果明顯改善，運(yùn)行半年，沒有發(fā)現(xiàn)頂層供水壓力不穩(wěn)定的情況發(fā)生。

6 結(jié)論

實際運(yùn)行表明，改進(jìn)的控制系統(tǒng)能夠很好地克服原有系統(tǒng)的壓力不足以及不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。為業(yè)界和相關(guān)領(lǐng)域提供了參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1]胡寶清.模糊理論基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2010.

[2]羅兵，甘俊英，張建民.智能控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

作者單位

遼寧職業(yè)學(xué)院汽車工程分院 遼寧省鐵嶺市 112099endprint

摘 要

恒壓供水技術(shù)廣泛應(yīng)用于供水行業(yè)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。但對于居住社區(qū)以及高層建筑供水情況，管網(wǎng)往往是非線性的，控制系統(tǒng)本身是復(fù)雜的，很難用傳統(tǒng)的控制的方法來解決。本文結(jié)合某一小區(qū)的實際情況，給出基于模糊策略的控制方法，詳細(xì)介紹了設(shè)計思路和示例程序。

【關(guān)鍵詞】頻率控制 可編程控制器 模糊控制

本文嘗試采用智能控制策略，以提高傳統(tǒng)控制方法的控制效果。

1 某區(qū)供水控制系統(tǒng)的狀態(tài)

某區(qū)采用變頻恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過檢測管網(wǎng)壓力，由PID智能控制器對信息進(jìn)行處理后調(diào)整變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)水壓恒定。由PLC（西門子S700-200系列小型PLC，CPU222作為核心控制單元，8輸入，6路輸出）把一個控制信號傳至變頻器（三菱FR-F540系列，5.5千瓦），進(jìn)行報警和診斷故障。因為該區(qū)白天供水量不大，會有明顯的日（谷）—夜（峰）值的變化，從而產(chǎn)生缺水壓力欠缺，不能滿足高層住戶的用水需求的狀況。因此，有必要對于控制方案進(jìn)行改進(jìn)，從而提高供水的效率。

居民住宅小區(qū)，高層建筑供水管網(wǎng)峰谷差值大，加之泵的非線性特性，經(jīng)過多年的運(yùn)作，水泵及電機(jī)的特性也在發(fā)生變化，PID算法難以滿足不斷變化的需求和壓力條件下系統(tǒng)的整體精度要求，因此采用智能模糊控制算法是一種實用而有效的方法。

2 改進(jìn)的控制系統(tǒng)解決方案

刪除原有的硬件PID智能控制器，并添加一個EM235模擬量模塊。軟件方面，模糊控制器使用兩個輸入和一個輸出模式，設(shè)定Ps和實際測量值Pv的誤差e（e=Ps-Pv）及誤差變化率ec（de/dt）的變化作為模糊控制器的輸入，模糊化后得到E、EC參量，然后通過模糊決策輸出U，并經(jīng)過反模糊（精確），以獲得實際的輸出u。當(dāng)然，模糊控制規(guī)則更加復(fù)雜，利用存儲在PLC內(nèi)存的離線模糊控制表，并不斷修改查詢表，以獲得更好的控制效果。

3 模糊控制軟件設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

由于供水系統(tǒng)的快速性不高，系統(tǒng)需要五個模糊集合來描述的壓力誤差e，變化的誤碼率和控制ec參考量u，即負(fù)，負(fù)小，零，正小，正大（NB，NS，ZE，PS，PB）和定量他們對九級（-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4）領(lǐng)域，基本原則：取量化等級兩邊的粗糙點(diǎn)，中間取精細(xì)的點(diǎn)，在PLC程序中具體闡述措施，模糊子集取三角形的隸屬函數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和具體的操作員控制對象，確定模糊控制器的規(guī)則，如表1所示，它描述了使用模糊關(guān)系的模糊系統(tǒng)，使用IF E and EC then U的表達(dá)式。

模糊關(guān)系基于的模糊控制規(guī)則生成，然后合成推理操作并繪制對應(yīng)的模糊矢量。后模糊關(guān)系運(yùn)算后，得出模糊控制表。存儲在PLC存儲器中的模糊控制表，編寫子程序用于實時壓力控制過程，PLC把收集在管網(wǎng)水壓Pv與壓力設(shè)定值Ps進(jìn)行比較，得到偏差e和偏差變化率ec，乘以量化因子ke、kec，考慮偏置增益，模糊化之后查模糊控制表得到需要的控制參量和論域數(shù)值，然后乘以比例因子ku，并考慮偏差因子控制輸入變頻器，以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制水壓的目的。

3.2 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

最重要的程序是e、ec、u的量化程序以及查表程序。在編程時，根據(jù)e、ec和u論域的分級，將實際變化范圍分成9級，實測的精確量e和ec由量化因子ke、kec、ku進(jìn)行量化，變換為相應(yīng)的論域元素。以偏差e舉例，PLC的模數(shù)、數(shù)模的數(shù)值范圍是0～32000，而實際的壓力表取值范圍為0～24000（壓力表量程為0～0.4MPa，顯示范圍在0～0. 3MPa左右），量化方法如表2。

查表后的值乘以量化因子偏置后，得到實際的控制輸出，程序此處省略。

4 幾個問題需要注意

（1）輸出控制表中根據(jù)實際調(diào)試，運(yùn)行過程中，需要不斷地修改表參數(shù)離線創(chuàng)建的，這個過程也比較復(fù)雜，而且使用在線調(diào)整需要專業(yè)的智能處理模塊，需要廠家開發(fā)更完善的產(chǎn)品使得控制效果更好。

（2）小城鎮(zhèn)和小區(qū)供水面積小，供水有限，缺乏技術(shù)支持，普遍缺乏相應(yīng)的防雷接地措施，這很容易導(dǎo)致變頻器損壞或無法修復(fù)，特別是需要考慮安全性和保護(hù)方案，增加隔離模塊。

（3）檢測壓力儀表性能直接影響整個控制系統(tǒng)的自動運(yùn)行效果和質(zhì)量，選擇一個高性能儀表非常重要。

5 運(yùn)行效果

小區(qū)采用改進(jìn)的控制方案，并沒有改變原有的硬件設(shè)計總體規(guī)劃，只增加了PLC的模擬量輸入/輸出模塊，投資少，但供水效果明顯改善，運(yùn)行半年，沒有發(fā)現(xiàn)頂層供水壓力不穩(wěn)定的情況發(fā)生。

6 結(jié)論

實際運(yùn)行表明，改進(jìn)的控制系統(tǒng)能夠很好地克服原有系統(tǒng)的壓力不足以及不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。為業(yè)界和相關(guān)領(lǐng)域提供了參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1]胡寶清.模糊理論基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2010.

[2]羅兵，甘俊英，張建民.智能控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

作者單位

遼寧職業(yè)學(xué)院汽車工程分院 遼寧省鐵嶺市 112099endprint

摘 要

恒壓供水技術(shù)廣泛應(yīng)用于供水行業(yè)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。但對于居住社區(qū)以及高層建筑供水情況，管網(wǎng)往往是非線性的，控制系統(tǒng)本身是復(fù)雜的，很難用傳統(tǒng)的控制的方法來解決。本文結(jié)合某一小區(qū)的實際情況，給出基于模糊策略的控制方法，詳細(xì)介紹了設(shè)計思路和示例程序。

【關(guān)鍵詞】頻率控制 可編程控制器 模糊控制

本文嘗試采用智能控制策略，以提高傳統(tǒng)控制方法的控制效果。

1 某區(qū)供水控制系統(tǒng)的狀態(tài)

某區(qū)采用變頻恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過檢測管網(wǎng)壓力，由PID智能控制器對信息進(jìn)行處理后調(diào)整變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)水壓恒定。由PLC（西門子S700-200系列小型PLC，CPU222作為核心控制單元，8輸入，6路輸出）把一個控制信號傳至變頻器（三菱FR-F540系列，5.5千瓦），進(jìn)行報警和診斷故障。因為該區(qū)白天供水量不大，會有明顯的日（谷）—夜（峰）值的變化，從而產(chǎn)生缺水壓力欠缺，不能滿足高層住戶的用水需求的狀況。因此，有必要對于控制方案進(jìn)行改進(jìn)，從而提高供水的效率。

居民住宅小區(qū)，高層建筑供水管網(wǎng)峰谷差值大，加之泵的非線性特性，經(jīng)過多年的運(yùn)作，水泵及電機(jī)的特性也在發(fā)生變化，PID算法難以滿足不斷變化的需求和壓力條件下系統(tǒng)的整體精度要求，因此采用智能模糊控制算法是一種實用而有效的方法。

2 改進(jìn)的控制系統(tǒng)解決方案

刪除原有的硬件PID智能控制器，并添加一個EM235模擬量模塊。軟件方面，模糊控制器使用兩個輸入和一個輸出模式，設(shè)定Ps和實際測量值Pv的誤差e（e=Ps-Pv）及誤差變化率ec（de/dt）的變化作為模糊控制器的輸入，模糊化后得到E、EC參量，然后通過模糊決策輸出U，并經(jīng)過反模糊（精確），以獲得實際的輸出u。當(dāng)然，模糊控制規(guī)則更加復(fù)雜，利用存儲在PLC內(nèi)存的離線模糊控制表，并不斷修改查詢表，以獲得更好的控制效果。

3 模糊控制軟件設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

由于供水系統(tǒng)的快速性不高，系統(tǒng)需要五個模糊集合來描述的壓力誤差e，變化的誤碼率和控制ec參考量u，即負(fù)，負(fù)小，零，正小，正大（NB，NS，ZE，PS，PB）和定量他們對九級（-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4）領(lǐng)域，基本原則：取量化等級兩邊的粗糙點(diǎn)，中間取精細(xì)的點(diǎn)，在PLC程序中具體闡述措施，模糊子集取三角形的隸屬函數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和具體的操作員控制對象，確定模糊控制器的規(guī)則，如表1所示，它描述了使用模糊關(guān)系的模糊系統(tǒng)，使用IF E and EC then U的表達(dá)式。

模糊關(guān)系基于的模糊控制規(guī)則生成，然后合成推理操作并繪制對應(yīng)的模糊矢量。后模糊關(guān)系運(yùn)算后，得出模糊控制表。存儲在PLC存儲器中的模糊控制表，編寫子程序用于實時壓力控制過程，PLC把收集在管網(wǎng)水壓Pv與壓力設(shè)定值Ps進(jìn)行比較，得到偏差e和偏差變化率ec，乘以量化因子ke、kec，考慮偏置增益，模糊化之后查模糊控制表得到需要的控制參量和論域數(shù)值，然后乘以比例因子ku，并考慮偏差因子控制輸入變頻器，以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制水壓的目的。

3.2 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

最重要的程序是e、ec、u的量化程序以及查表程序。在編程時，根據(jù)e、ec和u論域的分級，將實際變化范圍分成9級，實測的精確量e和ec由量化因子ke、kec、ku進(jìn)行量化，變換為相應(yīng)的論域元素。以偏差e舉例，PLC的模數(shù)、數(shù)模的數(shù)值范圍是0～32000，而實際的壓力表取值范圍為0～24000（壓力表量程為0～0.4MPa，顯示范圍在0～0. 3MPa左右），量化方法如表2。

查表后的值乘以量化因子偏置后，得到實際的控制輸出，程序此處省略。

4 幾個問題需要注意

（1）輸出控制表中根據(jù)實際調(diào)試，運(yùn)行過程中，需要不斷地修改表參數(shù)離線創(chuàng)建的，這個過程也比較復(fù)雜，而且使用在線調(diào)整需要專業(yè)的智能處理模塊，需要廠家開發(fā)更完善的產(chǎn)品使得控制效果更好。

（2）小城鎮(zhèn)和小區(qū)供水面積小，供水有限，缺乏技術(shù)支持，普遍缺乏相應(yīng)的防雷接地措施，這很容易導(dǎo)致變頻器損壞或無法修復(fù)，特別是需要考慮安全性和保護(hù)方案，增加隔離模塊。

（3）檢測壓力儀表性能直接影響整個控制系統(tǒng)的自動運(yùn)行效果和質(zhì)量，選擇一個高性能儀表非常重要。

5 運(yùn)行效果

小區(qū)采用改進(jìn)的控制方案，并沒有改變原有的硬件設(shè)計總體規(guī)劃，只增加了PLC的模擬量輸入/輸出模塊，投資少，但供水效果明顯改善，運(yùn)行半年，沒有發(fā)現(xiàn)頂層供水壓力不穩(wěn)定的情況發(fā)生。

6 結(jié)論

實際運(yùn)行表明，改進(jìn)的控制系統(tǒng)能夠很好地克服原有系統(tǒng)的壓力不足以及不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。為業(yè)界和相關(guān)領(lǐng)域提供了參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1]胡寶清.模糊理論基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2010.

[2]羅兵，甘俊英，張建民.智能控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

作者單位

遼寧職業(yè)學(xué)院汽車工程分院 遼寧省鐵嶺市 112099endprint