模糊控制系統(tǒng)在自來水系統(tǒng)的調(diào)控與實踐

伊朗，張毅

（深圳市深水寶安水務(wù)集團，廣東深圳，518000）

模糊控制系統(tǒng)在自來水系統(tǒng)的調(diào)控與實踐

伊朗，張毅

（深圳市深水寶安水務(wù)集團，廣東深圳，518000）

模糊控制系統(tǒng)能夠幫助自來水廠實現(xiàn)自動化控制，緩解運行壓力。全面論述了模糊控制系統(tǒng)在自來水廠的體現(xiàn)形式與實踐方式。分析了模糊控制系統(tǒng)，特別是PLC技術(shù)，通過模糊化、知識庫、模糊推理及清晰化四大模塊，在水質(zhì)、安全、實時性等方面滿足了自來水廠在加礬控制和濾池控制方面的需求，有效推動了自來水控制系統(tǒng)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

模糊控制系統(tǒng)；自來水廠；PLC；加礬控制；濾池控制；智能化

引言

自來水廠在運行過程中越來越重視智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，因為采用模糊控制系統(tǒng)可提高自來水廠的運行控制能力，可有效避免出現(xiàn)安全、性能、質(zhì)量等問題。我國自來水控制生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)系千家萬戶，逐步引入模糊控制系統(tǒng)，可優(yōu)化自來水廠運行環(huán)境，充分發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢，改進傳統(tǒng)運行控制方法，有效避免運行問題的發(fā)生。

1 模糊控制系統(tǒng)在自來水廠的調(diào)控

1.1 自來水廠對模糊控制系統(tǒng)的需求

模糊控制系統(tǒng)在自來水廠受到廣泛需求，尤其是在自來水廠生產(chǎn)工藝中考慮工藝運行及參數(shù)時更是如此。自來水廠對模糊控制系統(tǒng)的需求主要體現(xiàn)為三大方面：

（1）水質(zhì)方面的需求。自來水廠的水質(zhì)需要達到優(yōu)化的水平。模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計可保障自來水廠的水質(zhì)最優(yōu)。我國自來水廠均有對應(yīng)的水質(zhì)標準，如表1所示。

表1 自來水廠飲用水標準（部分）

（2）安全方面的需求。自來水廠通過模糊控制系統(tǒng)可實現(xiàn)安全目標。在實現(xiàn)自來水廠自動化、智能化的前提下，模糊控制系統(tǒng)能夠保障設(shè)備、系統(tǒng)、工藝的安全性[1]。安全是自來水廠不可缺少的項目。模糊控制系統(tǒng)在自來水廠初期階段就要按照嚴格標準進行設(shè)計，精確采集自來水廠信息，獲取儀器、儀表數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用到模糊控制系統(tǒng)中，保證設(shè)備安全執(zhí)行，保護好模糊控制系統(tǒng)在自來水廠的重要性。只有這樣才能保障自來水廠在設(shè)計、工程、生產(chǎn)的過程中保持正常狀態(tài)。

（3）實時性目標控制需求。自來水廠的實時性目標控制是指在實時性階段中，自來水廠在自動控制、遠程控制下受到可靠控制。模糊控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度需要控制在100 ms以內(nèi)，才能確定自來水廠的反應(yīng)目標。目前，自來水廠實現(xiàn)了技術(shù)化運用，模糊控制系統(tǒng)在實時操作中收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，處理現(xiàn)場遠程控制指令，完成接收、發(fā)送的過程，保障了自來水廠運行工藝的準確性。

1.2 自來水廠的模糊控制系統(tǒng)構(gòu)建

在自來水廠模糊控制系統(tǒng)中，比較核心的是PLC，融入了計算機技術(shù)、通信技術(shù)及控制技術(shù)，在自來水廠提供了數(shù)據(jù)采集、運算的方式，有效地把控自來水廠的工業(yè)控制儀表[2]。PLC技術(shù)在模糊控制系統(tǒng)中輔助處理自來水廠的各項模塊，包括CPU、輸入、輸出模塊的操作，以期提高模糊控制系統(tǒng)在自來水廠的可靠性，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)與智能化控制。PLC控制在模糊控制系統(tǒng)內(nèi)把控自來水廠的功能及運行安全，以便創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

自來水廠的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，模塊可以劃分為模糊化、知識庫、模糊推理及清晰化4個，并作如下分析：

圖1 自來水廠的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）模糊化模塊。輸入與自來水相關(guān)的清晰、確定的數(shù)據(jù)，將設(shè)定值轉(zhuǎn)換成模糊語言的變量值，運用模糊語言的子集加以模糊化。在運算之前，必須要輸入清晰的物理值，通過輸入值的模糊量，將數(shù)據(jù)模糊推理到模塊內(nèi)，實現(xiàn)相似性推理。

（2）知識庫模塊。知識庫中包含了自來水廠的語言變量，運用隸屬度函數(shù)、模糊語言的方式，表達出自來水廠知識庫的模糊信息子集。知識庫模塊中，采用模糊控制規(guī)則，劃分成表格型、公式型、語言型，以適用于自來水廠的具體應(yīng)用[3]。例如，語言型模糊控制規(guī)則將自然語言輸入到知識庫模塊內(nèi)，將模糊語言轉(zhuǎn)換成表格，按照規(guī)則存儲到系統(tǒng)內(nèi)進行處理，經(jīng)過查表的方式輸出模糊數(shù)值。

（3）模糊推理模塊。自來水廠的模糊推理模塊運用邏輯的三段論方式，借助模糊條件語言的方式，推理出合法變量值。模糊推理利用已有依據(jù)，在模糊語言條件的作用下，明確輸入變量的關(guān)系，通過模糊推理的方式，得出新的變量值。模糊推理通過一定的原則，采取推理合成法的方式，運用不同的合成運算，推理結(jié)束后即得出推理化的結(jié)論。

（4）清晰化處理。模糊控制系統(tǒng)在自來水廠運用重心法、面積平均法以及最大隸屬度的方式，規(guī)范自來水廠運行。模糊控制系統(tǒng)的清晰化處理，提高了自來水廠的運行能力，注重了規(guī)范性運行，滿足了自來水廠的運行需求，完善了自來水廠運行環(huán)境，充分體現(xiàn)模了糊控制系統(tǒng)的作用。

2 模糊控制系統(tǒng)在自來水廠的實踐

模糊控制系統(tǒng)在自來水廠的實踐，表現(xiàn)在加礬控制、濾池控制兩個方面。模糊控制系統(tǒng)按照工作經(jīng)驗，利用模糊語言構(gòu)成控制方式，通過計算機模仿人類行為，有目的地控制工業(yè)生產(chǎn)過程，實現(xiàn)自來水廠的自動化運用。模糊控制系統(tǒng)在自動化理論的支持下，完善其在自來水廠的實踐過程，體現(xiàn)了其制在自來水廠的可靠性。

2.1 加礬控制系統(tǒng)

加礬控制系統(tǒng)的應(yīng)用是模糊控制系統(tǒng)中的一大重要部分。例如，通過模糊控制系統(tǒng)中的流動電流法，可在自來水廠中有效控制加礬量，促使加礬控制系統(tǒng)成為處理自來水的主導(dǎo)技術(shù)。加礬控制過程可以消除數(shù)量上存在的偏差，確保模糊控制系統(tǒng)能夠達到最佳投礬效果[4]。再如，在加礬控制的前饋方面，自來水廠引入源水流量以及原水濁度、礬量，設(shè)計好投放比例，在開環(huán)控制的條件下投入礬量，就可以反饋出礬量在沉淀水的濁度，再將濁度當作參考值，經(jīng)過1.5～2 h的停滯時間后，經(jīng)過采樣得出的樣品反饋出加礬量的數(shù)值情況。模糊控制系統(tǒng)在加礬控制方面設(shè)計出的方案比較注重分層次模糊，加礬控制中的語言條件控制著全局變量和局部變量——首先確定出分層模糊的控制結(jié)構(gòu)，選擇二維狀態(tài)的控制結(jié)構(gòu)，明確最終控制數(shù)據(jù)；再輸出加礬控制量數(shù)據(jù)，經(jīng)過模糊化處理消除偏差。

2.2 濾池控制系統(tǒng)

模糊控制系統(tǒng)在自來水廠濾池應(yīng)用中，體現(xiàn)在恒水位控制及仿真控制兩方面。在恒水位控制方面，主要是控制濾池過濾速度，避免其過快或過慢，確保水質(zhì)過濾后能夠達到規(guī)范標準。濾池的水位需要保持在2.8 m左右，最大誤差不能超出2 cm?？紤]到恒水位是閉環(huán)控制，要設(shè)定好濾池水位，運用模糊控制系統(tǒng)反饋水位測量值，進而控制出濾水池的閥門[5]。模糊控制在恒水位控制中表現(xiàn)出變量的動態(tài)特征——選擇出水位波動誤差，設(shè)計好變化率，輸入變量并控制出水閥門，利用二維模糊控制器調(diào)整周期誤差。在仿真控制方面，模擬高、中、低的濁度，輸出符合自來水廠的數(shù)據(jù)，確保自來水廠能夠達到預(yù)期效果。模糊控制在仿真設(shè)計中，可以提供離線的方式，經(jīng)過推理設(shè)計出模糊控制表，執(zhí)行程序初始化、周期偏差調(diào)整、偏差與偏差率量化、模糊控制表查詢、模糊值輸出控制量以及現(xiàn)場執(zhí)行等模塊。

3 結(jié)論與展望

自來水廠在運行發(fā)展中非常注重模糊控制系統(tǒng)的引進和應(yīng)用。自來水廠越來越明確了對模糊控制系統(tǒng)的需求和運用，更重要的是確保了模糊控制系統(tǒng)的科學(xué)性及合理性，充分體現(xiàn)其在自來水廠的實踐價值。

自來水廠模糊控制系統(tǒng)在未來發(fā)展中，將針對自來水廠狀態(tài)，根據(jù)未來發(fā)展目標，促使模糊控制具有可發(fā)展的潛力。自來水廠將不斷推進模糊控制系統(tǒng)的智能化發(fā)展，進而促進其網(wǎng)絡(luò)化進展，最終確保自來水廠的安全與穩(wěn)定。

[1]凡毅. 模糊控制在自來水加氯系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D]. 四川大學(xué), 2004.

[2]肖軍. 模糊控制在自來水廠中的應(yīng)用[J]. 自動化與儀表, 1999(5): 25-26.

[3]楊江華. 自來水供水廠水泵智能控制[J]. 電子測試, 2015(8): 121-123, 118.

[4]梁彬, 畢純輝, 田理達, 等. 模糊控制技術(shù)在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2002, 21(3): 14-16.

[5]李曉軍, 王黎, 高金良, 等. 基于模糊控制的自來水廠除砷控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2011, 27(4): 561-565.

Control and Practice of Fuzzy Control System in Waterworks

YI Lang, ZHANG Yi
(Shenzhen Shenshui Baoan Water Group, Shenzhen, Guangdong,518000, China)

Fuzzy control system is helpful for the waterworks to realize automatic control and operation pressure relief. The embodiment and practice of fuzzy control system in waterworks are comprehensively discussed. Analysis pointed out that, fuzzy control system flexibly uses PLC technology to meet the needs of control on alum adding and filter chamber for waterworks, which is through four modules such as fuzzification, knowledge base, fuzzy reasoning and defuzzification, as well as from aspects such as quality, safety, and real-time, effectively promoting the intelligentize and networked development for the waterworks.

Fuzzy Control System; Waterworks; PLC; Alum Adding Control; Filter Chamber Control; Intelligentize

TP273+.4

A

2095-8412 (2016) 06-1246-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.052

伊朗(1989-)，男，黑龍江哈爾濱人，本科，助理工程師。研究方向：自動化。