基于模糊控制的小區恒壓供水系統設計

李云陽

摘 要

恒壓供水技術廣泛應用于供水行業，并取得了良好的經濟和社會效益。但對于居住社區以及高層建筑供水情況，管網往往是非線性的，控制系統本身是復雜的，很難用傳統的控制的方法來解決。本文結合某一小區的實際情況，給出基于模糊策略的控制方法，詳細介紹了設計思路和示例程序。

【關鍵詞】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，以提高傳統控制方法的控制效果。

1 某區供水控制系統的狀態

某區采用變頻恒壓供水系統，該系統通過檢測管網壓力，由PID智能控制器對信息進行處理后調整變頻器的輸出頻率，實現水壓恒定。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），進行報警和診斷故障。因為該區白天供水量不大，會有明顯的日（谷）—夜（峰）值的變化，從而產生缺水壓力欠缺，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行改進，從而提高供水的效率。

居民住宅小區，高層建筑供水管網峰谷差值大，加之泵的非線性特性，經過多年的運作，水泵及電機的特性也在發生變化，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 改進的控制系統解決方案

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，并經過反模糊（精確），以獲得實際的輸出u。當然，模糊控制規則更加復雜，利用存儲在PLC內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 模糊控制軟件設計

3.1 設計思路

由于供水系統的快速性不高，系統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，負小，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）領域，基本原則：取量化等級兩邊的粗糙點，中間取精細的點，在PLC程序中具體闡述措施，模糊子集取三角形的隸屬函數。

根據現場經驗和具體的操作員控制對象，確定模糊控制器的規則，如表1所示，它描述了使用模糊關系的模糊系統，使用IF E and EC then U的表達式。

模糊關系基于的模糊控制規則生成，然后合成推理操作并繪制對應的模糊矢量。后模糊關系運算后，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把收集在管網水壓Pv與壓力設定值Ps進行比較，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，以改變電機的轉速，達到控制水壓的目的。

3.2 PLC程序實現

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進行量化，變換為相應的論域元素。以偏差e舉例，PLC的模數、數模的數值范圍是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）輸出控制表中根據實際調試，運行過程中，需要不斷地修改表參數離線創建的，這個過程也比較復雜，而且使用在線調整需要專業的智能處理模塊，需要廠家開發更完善的產品使得控制效果更好。

（2）小城鎮和小區供水面積小，供水有限，缺乏技術支持，普遍缺乏相應的防雷接地措施，這很容易導致變頻器損壞或無法修復，特別是需要考慮安全性和保護方案，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的自動運行效果和質量，選擇一個高性能儀表非常重要。

5 運行效果

小區采用改進的控制方案，并沒有改變原有的硬件設計總體規劃，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，運行半年，沒有發現頂層供水壓力不穩定的情況發生。

6 結論

實際運行表明，改進的控制系統能夠很好地克服原有系統的壓力不足以及不穩定等缺點。為業界和相關領域提供了參考價值。

參考文獻

[1]胡寶清.模糊理論基礎[M].武漢：武漢大學出版社，2010.

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

作者單位

遼寧職業學院汽車工程分院 遼寧省鐵嶺市 112099endprint

摘 要

恒壓供水技術廣泛應用于供水行業，并取得了良好的經濟和社會效益。但對于居住社區以及高層建筑供水情況，管網往往是非線性的，控制系統本身是復雜的，很難用傳統的控制的方法來解決。本文結合某一小區的實際情況，給出基于模糊策略的控制方法，詳細介紹了設計思路和示例程序。

【關鍵詞】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，以提高傳統控制方法的控制效果。

1 某區供水控制系統的狀態

某區采用變頻恒壓供水系統，該系統通過檢測管網壓力，由PID智能控制器對信息進行處理后調整變頻器的輸出頻率，實現水壓恒定。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），進行報警和診斷故障。因為該區白天供水量不大，會有明顯的日（谷）—夜（峰）值的變化，從而產生缺水壓力欠缺，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行改進，從而提高供水的效率。

居民住宅小區，高層建筑供水管網峰谷差值大，加之泵的非線性特性，經過多年的運作，水泵及電機的特性也在發生變化，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 改進的控制系統解決方案

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，并經過反模糊（精確），以獲得實際的輸出u。當然，模糊控制規則更加復雜，利用存儲在PLC內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 模糊控制軟件設計

3.1 設計思路

由于供水系統的快速性不高，系統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，負小，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）領域，基本原則：取量化等級兩邊的粗糙點，中間取精細的點，在PLC程序中具體闡述措施，模糊子集取三角形的隸屬函數。

根據現場經驗和具體的操作員控制對象，確定模糊控制器的規則，如表1所示，它描述了使用模糊關系的模糊系統，使用IF E and EC then U的表達式。

模糊關系基于的模糊控制規則生成，然后合成推理操作并繪制對應的模糊矢量。后模糊關系運算后，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把收集在管網水壓Pv與壓力設定值Ps進行比較，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，以改變電機的轉速，達到控制水壓的目的。

3.2 PLC程序實現

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進行量化，變換為相應的論域元素。以偏差e舉例，PLC的模數、數模的數值范圍是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）輸出控制表中根據實際調試，運行過程中，需要不斷地修改表參數離線創建的，這個過程也比較復雜，而且使用在線調整需要專業的智能處理模塊，需要廠家開發更完善的產品使得控制效果更好。

（2）小城鎮和小區供水面積小，供水有限，缺乏技術支持，普遍缺乏相應的防雷接地措施，這很容易導致變頻器損壞或無法修復，特別是需要考慮安全性和保護方案，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的自動運行效果和質量，選擇一個高性能儀表非常重要。

5 運行效果

小區采用改進的控制方案，并沒有改變原有的硬件設計總體規劃，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，運行半年，沒有發現頂層供水壓力不穩定的情況發生。

6 結論

實際運行表明，改進的控制系統能夠很好地克服原有系統的壓力不足以及不穩定等缺點。為業界和相關領域提供了參考價值。

參考文獻

[1]胡寶清.模糊理論基礎[M].武漢：武漢大學出版社，2010.

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

作者單位

遼寧職業學院汽車工程分院 遼寧省鐵嶺市 112099endprint

摘 要

恒壓供水技術廣泛應用于供水行業，并取得了良好的經濟和社會效益。但對于居住社區以及高層建筑供水情況，管網往往是非線性的，控制系統本身是復雜的，很難用傳統的控制的方法來解決。本文結合某一小區的實際情況，給出基于模糊策略的控制方法，詳細介紹了設計思路和示例程序。

【關鍵詞】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，以提高傳統控制方法的控制效果。

1 某區供水控制系統的狀態

某區采用變頻恒壓供水系統，該系統通過檢測管網壓力，由PID智能控制器對信息進行處理后調整變頻器的輸出頻率，實現水壓恒定。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），進行報警和診斷故障。因為該區白天供水量不大，會有明顯的日（谷）—夜（峰）值的變化，從而產生缺水壓力欠缺，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行改進，從而提高供水的效率。

居民住宅小區，高層建筑供水管網峰谷差值大，加之泵的非線性特性，經過多年的運作，水泵及電機的特性也在發生變化，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 改進的控制系統解決方案

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，并經過反模糊（精確），以獲得實際的輸出u。當然，模糊控制規則更加復雜，利用存儲在PLC內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 模糊控制軟件設計

3.1 設計思路

由于供水系統的快速性不高，系統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，負小，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）領域，基本原則：取量化等級兩邊的粗糙點，中間取精細的點，在PLC程序中具體闡述措施，模糊子集取三角形的隸屬函數。

根據現場經驗和具體的操作員控制對象，確定模糊控制器的規則，如表1所示，它描述了使用模糊關系的模糊系統，使用IF E and EC then U的表達式。

模糊關系基于的模糊控制規則生成，然后合成推理操作并繪制對應的模糊矢量。后模糊關系運算后，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把收集在管網水壓Pv與壓力設定值Ps進行比較，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，以改變電機的轉速，達到控制水壓的目的。

3.2 PLC程序實現

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進行量化，變換為相應的論域元素。以偏差e舉例，PLC的模數、數模的數值范圍是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）輸出控制表中根據實際調試，運行過程中，需要不斷地修改表參數離線創建的，這個過程也比較復雜，而且使用在線調整需要專業的智能處理模塊，需要廠家開發更完善的產品使得控制效果更好。

（2）小城鎮和小區供水面積小，供水有限，缺乏技術支持，普遍缺乏相應的防雷接地措施，這很容易導致變頻器損壞或無法修復，特別是需要考慮安全性和保護方案，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的自動運行效果和質量，選擇一個高性能儀表非常重要。

5 運行效果

小區采用改進的控制方案，并沒有改變原有的硬件設計總體規劃，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，運行半年，沒有發現頂層供水壓力不穩定的情況發生。

6 結論

實際運行表明，改進的控制系統能夠很好地克服原有系統的壓力不足以及不穩定等缺點。為業界和相關領域提供了參考價值。

參考文獻

[1]胡寶清.模糊理論基礎[M].武漢：武漢大學出版社，2010.

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

作者單位

遼寧職業學院汽車工程分院 遼寧省鐵嶺市 112099endprint