模糊控制系统在自来水系统的调控与实践

伊朗，张毅

（深圳市深水宝安水务集团，广东深圳，518000）

模糊控制系统在自来水系统的调控与实践

伊朗，张毅

（深圳市深水宝安水务集团，广东深圳，518000）

模糊控制系统能够帮助自来水厂实现自动化控制，缓解运行压力。全面论述了模糊控制系统在自来水厂的体现形式与实践方式。分析了模糊控制系统，特别是PLC技术，通过模糊化、知识库、模糊推理及清晰化四大模块，在水质、安全、实时性等方面满足了自来水厂在加矾控制和滤池控制方面的需求，有效推动了自来水控制系统向智能化、网络化方向发展。

模糊控制系统；自来水厂；PLC；加矾控制；滤池控制；智能化

引言

自来水厂在运行过程中越来越重视智能控制系统的应用，因为采用模糊控制系统可提高自来水厂的运行控制能力，可有效避免出现安全、性能、质量等问题。我国自来水控制生产系统关系千家万户，逐步引入模糊控制系统，可优化自来水厂运行环境，充分发挥系统优势，改进传统运行控制方法，有效避免运行问题的发生。

1 模糊控制系统在自来水厂的调控

1.1 自来水厂对模糊控制系统的需求

模糊控制系统在自来水厂受到广泛需求，尤其是在自来水厂生产工艺中考虑工艺运行及参数时更是如此。自来水厂对模糊控制系统的需求主要体现为三大方面：

（1）水质方面的需求。自来水厂的水质需要达到优化的水平。模糊控制系统的设计可保障自来水厂的水质最优。我国自来水厂均有对应的水质标准，如表1所示。

表1 自来水厂饮用水标准（部分）

（2）安全方面的需求。自来水厂通过模糊控制系统可实现安全目标。在实现自来水厂自动化、智能化的前提下，模糊控制系统能够保障设备、系统、工艺的安全性[1]。安全是自来水厂不可缺少的项目。模糊控制系统在自来水厂初期阶段就要按照严格标准进行设计，精确采集自来水厂信息，获取仪器、仪表数据，将其应用到模糊控制系统中，保证设备安全执行，保护好模糊控制系统在自来水厂的重要性。只有这样才能保障自来水厂在设计、工程、生产的过程中保持正常状态。

（3）实时性目标控制需求。自来水厂的实时性目标控制是指在实时性阶段中，自来水厂在自动控制、远程控制下受到可靠控制。模糊控制系统的反应速度需要控制在100 ms以内，才能确定自来水厂的反应目标。目前，自来水厂实现了技术化运用，模糊控制系统在实时操作中收集现场数据，处理现场远程控制指令，完成接收、发送的过程，保障了自来水厂运行工艺的准确性。

1.2 自来水厂的模糊控制系统构建

在自来水厂模糊控制系统中，比较核心的是PLC，融入了计算机技术、通信技术及控制技术，在自来水厂提供了数据采集、运算的方式，有效地把控自来水厂的工业控制仪表[2]。PLC技术在模糊控制系统中辅助处理自来水厂的各项模块，包括CPU、输入、输出模块的操作，以期提高模糊控制系统在自来水厂的可靠性，实现自动化生产与智能化控制。PLC控制在模糊控制系统内把控自来水厂的功能及运行安全，以便创造更大的经济效益。

自来水厂的模糊控制系统结构如图1所示，模块可以划分为模糊化、知识库、模糊推理及清晰化4个，并作如下分析：

图1 自来水厂的模糊控制系统结构

（1）模糊化模块。输入与自来水相关的清晰、确定的数据，将设定值转换成模糊语言的变量值，运用模糊语言的子集加以模糊化。在运算之前，必须要输入清晰的物理值，通过输入值的模糊量，将数据模糊推理到模块内，实现相似性推理。

（2）知识库模块。知识库中包含了自来水厂的语言变量，运用隶属度函数、模糊语言的方式，表达出自来水厂知识库的模糊信息子集。知识库模块中，采用模糊控制规则，划分成表格型、公式型、语言型，以适用于自来水厂的具体应用[3]。例如，语言型模糊控制规则将自然语言输入到知识库模块内，将模糊语言转换成表格，按照规则存储到系统内进行处理，经过查表的方式输出模糊数值。

（3）模糊推理模块。自来水厂的模糊推理模块运用逻辑的三段论方式，借助模糊条件语言的方式，推理出合法变量值。模糊推理利用已有依据，在模糊语言条件的作用下，明确输入变量的关系，通过模糊推理的方式，得出新的变量值。模糊推理通过一定的原则，采取推理合成法的方式，运用不同的合成运算，推理结束后即得出推理化的结论。

（4）清晰化处理。模糊控制系统在自来水厂运用重心法、面积平均法以及最大隶属度的方式，规范自来水厂运行。模糊控制系统的清晰化处理，提高了自来水厂的运行能力，注重了规范性运行，满足了自来水厂的运行需求，完善了自来水厂运行环境，充分体现模了糊控制系统的作用。

2 模糊控制系统在自来水厂的实践

模糊控制系统在自来水厂的实践，表现在加矾控制、滤池控制两个方面。模糊控制系统按照工作经验，利用模糊语言构成控制方式，通过计算机模仿人类行为，有目的地控制工业生产过程，实现自来水厂的自动化运用。模糊控制系统在自动化理论的支持下，完善其在自来水厂的实践过程，体现了其制在自来水厂的可靠性。

2.1 加矾控制系统

加矾控制系统的应用是模糊控制系统中的一大重要部分。例如，通过模糊控制系统中的流动电流法，可在自来水厂中有效控制加矾量，促使加矾控制系统成为处理自来水的主导技术。加矾控制过程可以消除数量上存在的偏差，确保模糊控制系统能够达到最佳投矾效果[4]。再如，在加矾控制的前馈方面，自来水厂引入源水流量以及原水浊度、矾量，设计好投放比例，在开环控制的条件下投入矾量，就可以反馈出矾量在沉淀水的浊度，再将浊度当作参考值，经过1.5～2 h的停滞时间后，经过采样得出的样品反馈出加矾量的数值情况。模糊控制系统在加矾控制方面设计出的方案比较注重分层次模糊，加矾控制中的语言条件控制着全局变量和局部变量——首先确定出分层模糊的控制结构，选择二维状态的控制结构，明确最终控制数据；再输出加矾控制量数据，经过模糊化处理消除偏差。

2.2 滤池控制系统

模糊控制系统在自来水厂滤池应用中，体现在恒水位控制及仿真控制两方面。在恒水位控制方面，主要是控制滤池过滤速度，避免其过快或过慢，确保水质过滤后能够达到规范标准。滤池的水位需要保持在2.8 m左右，最大误差不能超出2 cm。考虑到恒水位是闭环控制，要设定好滤池水位，运用模糊控制系统反馈水位测量值，进而控制出滤水池的阀门[5]。模糊控制在恒水位控制中表现出变量的动态特征——选择出水位波动误差，设计好变化率，输入变量并控制出水阀门，利用二维模糊控制器调整周期误差。在仿真控制方面，模拟高、中、低的浊度，输出符合自来水厂的数据，确保自来水厂能够达到预期效果。模糊控制在仿真设计中，可以提供离线的方式，经过推理设计出模糊控制表，执行程序初始化、周期偏差调整、偏差与偏差率量化、模糊控制表查询、模糊值输出控制量以及现场执行等模块。

3 结论与展望

自来水厂在运行发展中非常注重模糊控制系统的引进和应用。自来水厂越来越明确了对模糊控制系统的需求和运用，更重要的是确保了模糊控制系统的科学性及合理性，充分体现其在自来水厂的实践价值。

自来水厂模糊控制系统在未来发展中，将针对自来水厂状态，根据未来发展目标，促使模糊控制具有可发展的潜力。自来水厂将不断推进模糊控制系统的智能化发展，进而促进其网络化进展，最终确保自来水厂的安全与稳定。

[1]凡毅. 模糊控制在自来水加氯系统中的应用研究[D]. 四川大学, 2004.

[2]肖军. 模糊控制在自来水厂中的应用[J]. 自动化与仪表, 1999(5): 25-26.

[3]杨江华. 自来水供水厂水泵智能控制[J]. 电子测试, 2015(8): 121-123, 118.

[4]梁彬, 毕纯辉, 田理达, 等. 模糊控制技术在恒压供水系统中的应用研究[J]. 自动化技术与应用, 2002, 21(3): 14-16.

[5]李晓军, 王黎, 高金良, 等. 基于模糊控制的自来水厂除砷控制系统设计[J]. 哈尔滨商业大学学报: 自然科学版, 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，黑龙江哈尔滨人，本科，助理工程师。研究方向：自动化。