基于模糊控制的小区恒压供水系统设计
2014-11-05李云阳
李云阳
摘 要
恒压供水技术广泛应用于供水行业，并取得了良好的经济和社会效益。但对于居住社区以及高层建筑供水情况，管网往往是非线性的，控制系统本身是复杂的，很难用传统的控制的方法来解决。本文结合某一小区的实际情况，给出基于模糊策略的控制方法，详细介绍了设计思路和示例程序。
【关键词】频率控制 可编程控制器 模糊控制
本文尝试采用智能控制策略，以提高传统控制方法的控制效果。
1 某区供水控制系统的状态
某区采用变频恒压供水系统，该系统通过检测管网压力，由PID智能控制器对信息进行处理后调整变频器的输出频率，实现水压恒定。由PLC（西门子S700-200系列小型PLC，CPU222作为核心控制单元，8输入，6路输出）把一个控制信号传至变频器（三菱FR-F540系列，5.5千瓦），进行报警和诊断故障。因为该区白天供水量不大，会有明显的日（谷）—夜（峰）值的变化，从而产生缺水压力欠缺，不能满足高层住户的用水需求的状况。因此，有必要对于控制方案进行改进，从而提高供水的效率。
居民住宅小区，高层建筑供水管网峰谷差值大，加之泵的非线性特性，经过多年的运作，水泵及电机的特性也在发生变化，PID算法难以满足不断变化的需求和压力条件下系统的整体精度要求，因此采用智能模糊控制算法是一种实用而有效的方法。
2 改进的控制系统解决方案
删除原有的硬件PID智能控制器，并添加一个EM235模拟量模块。软件方面，模糊控制器使用两个输入和一个输出模式，设定Ps和实际测量值Pv的误差e（e=Ps-Pv）及误差变化率ec（de/dt）的变化作为模糊控制器的输入，模糊化后得到E、EC参量，然后通过模糊决策输出U，并经过反模糊（精确），以获得实际的输出u。当然，模糊控制规则更加复杂，利用存储在PLC内存的离线模糊控制表，并不断修改查询表，以获得更好的控制效果。
3 模糊控制软件设计
3.1 设计思路
由于供水系统的快速性不高，系统需要五个模糊集合来描述的压力误差e，变化的误码率和控制ec参考量u，即负，负小，零，正小，正大（NB，NS，ZE，PS，PB）和定量他们对九级（-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4）领域，基本原则：取量化等级两边的粗糙点，中间取精细的点，在PLC程序中具体阐述措施，模糊子集取三角形的隶属函数。
根据现场经验和具体的操作员控制对象，确定模糊控制器的规则，如表1所示，它描述了使用模糊关系的模糊系统，使用IF E and EC then U的表达式。
模糊关系基于的模糊控制规则生成，然后合成推理操作并绘制对应的模糊矢量。后模糊关系运算后，得出模糊控制表。存储在PLC存储器中的模糊控制表，编写子程序用于实时压力控制过程，PLC把收集在管网水压Pv与压力设定值Ps进行比较，得到偏差e和偏差变化率ec，乘以量化因子ke、kec，考虑偏置增益，模糊化之后查模糊控制表得到需要的控制参量和论域数值，然后乘以比例因子ku，并考虑偏差因子控制输入变频器，以改变电机的转速，达到控制水压的目的。
3.2 PLC程序实现
最重要的程序是e、ec、u的量化程序以及查表程序。在编程时，根据e、ec和u论域的分级，将实际变化范围分成9级，实测的精确量e和ec由量化因子ke、kec、ku进行量化，变换为相应的论域元素。以偏差e举例，PLC的模数、数模的数值范围是0～32000，而实际的压力表取值范围为0～24000（压力表量程为0～0.4MPa，显示范围在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，得到实际的控制输出，程序此处省略。
4 几个问题需要注意
（1）输出控制表中根据实际调试，运行过程中，需要不断地修改表参数离线创建的，这个过程也比较复杂，而且使用在线调整需要专业的智能处理模块，需要厂家开发更完善的产品使得控制效果更好。
（2）小城镇和小区供水面积小，供水有限，缺乏技术支持，普遍缺乏相应的防雷接地措施，这很容易导致变频器损坏或无法修复，特别是需要考虑安全性和保护方案，增加隔离模块。
（3）检测压力仪表性能直接影响整个控制系统的自动运行效果和质量，选择一个高性能仪表非常重要。
5 运行效果
小区采用改进的控制方案，并没有改变原有的硬件设计总体规划，只增加了PLC的模拟量输入/输出模块，投资少，但供水效果明显改善，运行半年，没有发现顶层供水压力不稳定的情况发生。
6 结论
实际运行表明，改进的控制系统能够很好地克服原有系统的压力不足以及不稳定等缺点。为业界和相关领域提供了参考价值。
参考文献
[1]胡宝清.模糊理论基础[M].武汉：武汉大学出版社，2010.
[2]罗兵，甘俊英，张建民.智能控制技术[M].北京：清华大学出版社，2011.
作者单位
辽宁职业学院汽车工程分院 辽宁省铁岭市 112099endprint
摘 要
恒压供水技术广泛应用于供水行业，并取得了良好的经济和社会效益。但对于居住社区以及高层建筑供水情况，管网往往是非线性的，控制系统本身是复杂的，很难用传统的控制的方法来解决。本文结合某一小区的实际情况，给出基于模糊策略的控制方法，详细介绍了设计思路和示例程序。
【关键词】频率控制 可编程控制器 模糊控制
本文尝试采用智能控制策略，以提高传统控制方法的控制效果。
1 某区供水控制系统的状态
某区采用变频恒压供水系统，该系统通过检测管网压力，由PID智能控制器对信息进行处理后调整变频器的输出频率，实现水压恒定。由PLC（西门子S700-200系列小型PLC，CPU222作为核心控制单元，8输入，6路输出）把一个控制信号传至变频器（三菱FR-F540系列，5.5千瓦），进行报警和诊断故障。因为该区白天供水量不大，会有明显的日（谷）—夜（峰）值的变化，从而产生缺水压力欠缺，不能满足高层住户的用水需求的状况。因此，有必要对于控制方案进行改进，从而提高供水的效率。
居民住宅小区，高层建筑供水管网峰谷差值大，加之泵的非线性特性，经过多年的运作，水泵及电机的特性也在发生变化，PID算法难以满足不断变化的需求和压力条件下系统的整体精度要求，因此采用智能模糊控制算法是一种实用而有效的方法。
2 改进的控制系统解决方案
删除原有的硬件PID智能控制器，并添加一个EM235模拟量模块。软件方面，模糊控制器使用两个输入和一个输出模式，设定Ps和实际测量值Pv的误差e（e=Ps-Pv）及误差变化率ec（de/dt）的变化作为模糊控制器的输入，模糊化后得到E、EC参量，然后通过模糊决策输出U，并经过反模糊（精确），以获得实际的输出u。当然，模糊控制规则更加复杂，利用存储在PLC内存的离线模糊控制表，并不断修改查询表，以获得更好的控制效果。
3 模糊控制软件设计
3.1 设计思路
由于供水系统的快速性不高，系统需要五个模糊集合来描述的压力误差e，变化的误码率和控制ec参考量u，即负，负小，零，正小，正大（NB，NS，ZE，PS，PB）和定量他们对九级（-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4）领域，基本原则：取量化等级两边的粗糙点，中间取精细的点，在PLC程序中具体阐述措施，模糊子集取三角形的隶属函数。
根据现场经验和具体的操作员控制对象，确定模糊控制器的规则，如表1所示，它描述了使用模糊关系的模糊系统，使用IF E and EC then U的表达式。
模糊关系基于的模糊控制规则生成，然后合成推理操作并绘制对应的模糊矢量。后模糊关系运算后，得出模糊控制表。存储在PLC存储器中的模糊控制表，编写子程序用于实时压力控制过程，PLC把收集在管网水压Pv与压力设定值Ps进行比较，得到偏差e和偏差变化率ec，乘以量化因子ke、kec，考虑偏置增益，模糊化之后查模糊控制表得到需要的控制参量和论域数值，然后乘以比例因子ku，并考虑偏差因子控制输入变频器，以改变电机的转速，达到控制水压的目的。
3.2 PLC程序实现
最重要的程序是e、ec、u的量化程序以及查表程序。在编程时，根据e、ec和u论域的分级，将实际变化范围分成9级，实测的精确量e和ec由量化因子ke、kec、ku进行量化，变换为相应的论域元素。以偏差e举例，PLC的模数、数模的数值范围是0～32000，而实际的压力表取值范围为0～24000（压力表量程为0～0.4MPa，显示范围在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，得到实际的控制输出，程序此处省略。
4 几个问题需要注意
（1）输出控制表中根据实际调试，运行过程中，需要不断地修改表参数离线创建的，这个过程也比较复杂，而且使用在线调整需要专业的智能处理模块，需要厂家开发更完善的产品使得控制效果更好。
（2）小城镇和小区供水面积小，供水有限，缺乏技术支持，普遍缺乏相应的防雷接地措施，这很容易导致变频器损坏或无法修复，特别是需要考虑安全性和保护方案，增加隔离模块。
（3）检测压力仪表性能直接影响整个控制系统的自动运行效果和质量，选择一个高性能仪表非常重要。
5 运行效果
小区采用改进的控制方案，并没有改变原有的硬件设计总体规划，只增加了PLC的模拟量输入/输出模块，投资少，但供水效果明显改善，运行半年，没有发现顶层供水压力不稳定的情况发生。
6 结论
实际运行表明，改进的控制系统能够很好地克服原有系统的压力不足以及不稳定等缺点。为业界和相关领域提供了参考价值。
参考文献
[1]胡宝清.模糊理论基础[M].武汉：武汉大学出版社，2010.
[2]罗兵，甘俊英，张建民.智能控制技术[M].北京：清华大学出版社，2011.
作者单位
辽宁职业学院汽车工程分院 辽宁省铁岭市 112099endprint
摘 要
恒压供水技术广泛应用于供水行业，并取得了良好的经济和社会效益。但对于居住社区以及高层建筑供水情况，管网往往是非线性的，控制系统本身是复杂的，很难用传统的控制的方法来解决。本文结合某一小区的实际情况，给出基于模糊策略的控制方法，详细介绍了设计思路和示例程序。
【关键词】频率控制 可编程控制器 模糊控制
本文尝试采用智能控制策略，以提高传统控制方法的控制效果。
1 某区供水控制系统的状态
某区采用变频恒压供水系统，该系统通过检测管网压力，由PID智能控制器对信息进行处理后调整变频器的输出频率，实现水压恒定。由PLC（西门子S700-200系列小型PLC，CPU222作为核心控制单元，8输入，6路输出）把一个控制信号传至变频器（三菱FR-F540系列，5.5千瓦），进行报警和诊断故障。因为该区白天供水量不大，会有明显的日（谷）—夜（峰）值的变化，从而产生缺水压力欠缺，不能满足高层住户的用水需求的状况。因此，有必要对于控制方案进行改进，从而提高供水的效率。
居民住宅小区，高层建筑供水管网峰谷差值大，加之泵的非线性特性，经过多年的运作，水泵及电机的特性也在发生变化，PID算法难以满足不断变化的需求和压力条件下系统的整体精度要求，因此采用智能模糊控制算法是一种实用而有效的方法。
2 改进的控制系统解决方案
删除原有的硬件PID智能控制器，并添加一个EM235模拟量模块。软件方面，模糊控制器使用两个输入和一个输出模式，设定Ps和实际测量值Pv的误差e（e=Ps-Pv）及误差变化率ec（de/dt）的变化作为模糊控制器的输入，模糊化后得到E、EC参量，然后通过模糊决策输出U，并经过反模糊（精确），以获得实际的输出u。当然，模糊控制规则更加复杂，利用存储在PLC内存的离线模糊控制表，并不断修改查询表，以获得更好的控制效果。
3 模糊控制软件设计
3.1 设计思路
由于供水系统的快速性不高，系统需要五个模糊集合来描述的压力误差e，变化的误码率和控制ec参考量u，即负，负小，零，正小，正大（NB，NS，ZE，PS，PB）和定量他们对九级（-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4）领域，基本原则：取量化等级两边的粗糙点，中间取精细的点，在PLC程序中具体阐述措施，模糊子集取三角形的隶属函数。
根据现场经验和具体的操作员控制对象，确定模糊控制器的规则，如表1所示，它描述了使用模糊关系的模糊系统，使用IF E and EC then U的表达式。
模糊关系基于的模糊控制规则生成，然后合成推理操作并绘制对应的模糊矢量。后模糊关系运算后，得出模糊控制表。存储在PLC存储器中的模糊控制表，编写子程序用于实时压力控制过程，PLC把收集在管网水压Pv与压力设定值Ps进行比较，得到偏差e和偏差变化率ec，乘以量化因子ke、kec，考虑偏置增益，模糊化之后查模糊控制表得到需要的控制参量和论域数值，然后乘以比例因子ku，并考虑偏差因子控制输入变频器，以改变电机的转速，达到控制水压的目的。
3.2 PLC程序实现
最重要的程序是e、ec、u的量化程序以及查表程序。在编程时，根据e、ec和u论域的分级，将实际变化范围分成9级，实测的精确量e和ec由量化因子ke、kec、ku进行量化，变换为相应的论域元素。以偏差e举例，PLC的模数、数模的数值范围是0～32000，而实际的压力表取值范围为0～24000（压力表量程为0～0.4MPa，显示范围在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，得到实际的控制输出，程序此处省略。
4 几个问题需要注意
（1）输出控制表中根据实际调试，运行过程中，需要不断地修改表参数离线创建的，这个过程也比较复杂，而且使用在线调整需要专业的智能处理模块，需要厂家开发更完善的产品使得控制效果更好。
（2）小城镇和小区供水面积小，供水有限，缺乏技术支持，普遍缺乏相应的防雷接地措施，这很容易导致变频器损坏或无法修复，特别是需要考虑安全性和保护方案，增加隔离模块。
（3）检测压力仪表性能直接影响整个控制系统的自动运行效果和质量，选择一个高性能仪表非常重要。
5 运行效果
小区采用改进的控制方案，并没有改变原有的硬件设计总体规划，只增加了PLC的模拟量输入/输出模块，投资少，但供水效果明显改善，运行半年，没有发现顶层供水压力不稳定的情况发生。
6 结论
实际运行表明，改进的控制系统能够很好地克服原有系统的压力不足以及不稳定等缺点。为业界和相关领域提供了参考价值。
参考文献
[1]胡宝清.模糊理论基础[M].武汉：武汉大学出版社，2010.
[2]罗兵，甘俊英，张建民.智能控制技术[M].北京：清华大学出版社，2011.
作者单位
辽宁职业学院汽车工程分院 辽宁省铁岭市 112099endprint
