仿人智能PID控制在無塔恒壓供水中的應用

□ 柳棟梁 □ 汪玉鳳

蘭州理工大學機電工程學院 蘭州 730050

目前的供水方式大都向著高效節能、自動可靠的方向發展［1］。然而，傳統供水系統（如恒速泵加壓供水、高位水塔供水等），在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現水壓降低、供不應求的現象；反之，則出現水壓升高，造成能量的浪費，同時有可能導致水管爆裂或用水設備損壞［1］。因此，供水系統的出水恒定和經濟效益是用戶最關心的兩個指標。

隨著工程系統的日益復雜化和對控制要求的精確化，常規使用的PID控制器在面對非線性、大時滯性、難以精確建模的供水系統時，往往不能取得理想的控制效果。仿人智能控制（HSIC）是以專家及操作者積累的經驗和知識進行推理描述的一種控制算法，這種算法模擬人的控制行為，對被控對象的先驗知識要求不高，具有較強的魯棒性和抗干擾能力［2］。基于此，筆者將仿人智能控制方法和傳統PID控制方法結合起來，吸取各自的優點，形成仿人智能PID控制方法，應用于控制無塔恒壓供水系統。

1 無塔恒壓供水系統模型

無塔供水系統，顧名思義就是不建造水塔，不設置水箱，占地少，安裝方便，該系統充分利用自來水管網的原有壓力，串聯在市政管網上直接將水輸送至用戶，并能根據用戶用水量的變化調節變頻器，進而調節水泵運轉，使水泵始終工作在高效區，不僅節電效果明顯，而且避免了水質的二次污染［1］。因此，它在高層建筑、居民小區、工礦企業中得到了廣泛應用。

如圖1所示，無塔供水系統直接串聯在市政管網上，自來水流經穩壓罐、水泵等過流部件送達用戶，壓力傳感器可測管網壓力，當用水量小、壓力足夠時，系統可利用市政管網的原有壓力直接給用戶供水，當用水量大、壓力不足時，才啟動加壓泵，并在氣壓罐的共同作用下給用戶供水 （氣壓罐充入惰性氣體，壓力大時，水被壓入氣壓罐，這樣能儲存一部分能量，當水壓降低時補給，可使加壓泵工作于高效區間，達到節能降耗的目的）。

2 仿人智能PID控制

2.1 原理

仿人智能PID控制的基本思想是采用分層控制機制，在上層通過特征辨識判別當前的工作狀態，模擬操作者的控制行為；在底層采用常規PID控制方法，辨識工作狀態并配置相應的PID參數，實現多模態控制或決策。這種控制算法既反映出PID控制的特點，又反映了人工操作的適應性，有其可行性［3］。算法采用產生式規則對專家經驗進行描述，規則表示為：

這種基于規則的if-then模型直觀地描述了人的直覺推理邏輯和各種定性的模糊信息，迅速準確。

2.2 參數配置

▲圖1 無塔供水系統結構圖

在配置相應的 P、I、D（KP、KI、KD）參數時，比例控制參數KP是基于偏差e調節的，當|e|較大時，比例控制參數KP的作用應加大并保持住，而在|e|減小到零的過程中，應減小KP作用，這樣既能縮短調節時間，又能防止調節過度。積分控制參數KI是依據“誤差是否存在”調節的，它對誤差信息是不加選擇的記憶，作用是消除靜差，對其要有選擇地運用。微分控制參數KD是根據偏差變化趨勢調節的，它可預測誤差變化的趨勢有效減小超調，但微分控制參數KD只在誤差較小時使用，當誤差較大時，KD作用很大，可能會抵消KP作用，導致系統失穩［4］。

2.3 控制方法

算法選用誤差 e（k）和誤差變化率Δe（k）作為控制器的輸入變量，描述系統的動態特征，表征其所處的工作狀態。控制器的輸出Δu（k）可以表示為：

數字PID控制器采用增量式PID控制算法，控制器的輸出Δu（k）可以表示為：

式中：KP、KI、KD分別為相應配置的 P、I、D 參數；e（k）=sp-y（k），Δe（k）=e（k）-e（k-1）（sp為壓力設定值，y（k）為系統壓力輸出值）。

結合圖2給出系統動態響應說明控制原理，圖中e2、e1、d均為誤差，根據誤差大小來劃分響應區間，具體控制規則如下。

（1）if|e|≥e2，說明系統誤差過大。此時不論誤差變化趨勢如何，控制器的輸出都應按最大或最小輸出，使誤差絕對值以最大速度減小，相當于開環控制［3］。

（2） if e1≤|e|＜e2，and e（k）×Δe（k）≥0（如圖2中ab、cd和ef段），系統誤差較大，系統輸出正偏離設定值，即誤差向著絕對值增大的方向變化，此時可實施較強的控制作用，以迅速扭轉誤差絕對值的變化趨勢，并加入積分作用，去掉微分作用。 else，e（k）×Δe（k）＜0（如圖2中bc、de和fg段）時，說明系統誤差較大，系統輸出正偏向設定值，即誤差向著絕對值減小的方向變化。此時可實施較弱的控制作用，讓系統在慣性作用下回到穩態，這樣既可以減小系統超調，又不影響系統的響應速度。

（3） if d≤|e|＜e1，and e（k）×Δe（k）≥0，系統誤差較小，誤差偏離設定值，實施較強的控制作用，此時可加入積分，以減小穩態誤差，加入微分作用，以較少超調；else，e（k）×Δe（k）＜0，可實施較弱的控制作用，并加入微分作用。

（4） if|e|＜d，系統誤差很小，不動作，這樣可減少電機、水泵的啟動次數，降低磨損，增加壽命［5］。

控制器參數配置見表1。

表1 控制規則表

▲圖2 誤差變化趨勢

▲圖3 控制系統結構圖

2.4 仿人智能PID在無塔供水系統中的應用

系統控制結構如圖3所示，主控制器采用PLC控制，壓力信號經放大變換處理后變成標準0～5V電壓值，后經A/D轉換模塊變成PLC可識別的數字信號，PLC按表1控制規則運算處理后，根據偏差大小輸出高低電平驅動變頻器來改變電動機的轉速，最終實現對水壓的控制［6］。其中，變頻器對水泵機組的控制，俗稱‘一拖多’，當用水量不足時，先由一臺水泵在變頻控制下供水，當用水量繼續增大時，將其切換為工頻工作，然后投入另一臺泵變頻運行，以此類推。

將該控制算法應用于高樓無塔供水系統中，系統變化更加平穩，既降低了系統能耗，又克服了氣壓波動大、水泵啟動頻繁等不足之處，加之無塔供水系統本身利用管網原有壓力的優勢，節能達40%～60%，真正實現了節能降耗的目的，給企業和居民帶來了顯著的經濟效益。

3 仿真實驗

如前文所述，由于無塔恒壓供水系統的控制對象是一個時變的、非線性的、滯后的對象，很難得出它的精確數學模型，因此只能進行近似等效。首先是市政管網在恒定壓力下將水送到供水系統中，這個階段供水系統壓力基本保持初始壓力，這是一個純滯后的過程，其次是當壓力不足時啟動水泵運行，水泵將水充滿整個供水系統，壓力隨之逐漸增加，直到穩定，這是一個大時間常數的慣性過程。在此過程中，系統中其它控制和檢測環節，如壓力檢測、繼電控制轉換、變頻環節等的時間常數和滯后時間與供水系統的時間常數和滯后時間相比，均可忽略不計。因此，無塔恒壓供水系統的數學模型可近似成一個帶純滯后的一階慣性環節，經拉式變換，傳遞函數即可以寫成［8］：

式中：K為系統的總增益；T為系統的慣性時間常數；τ為系統滯后時間。

通過系統辨識［8］，取 K=2，T=5，τ=4 s，采樣周期 t=0.01 s。用MATLAB對仿人智能PID和常規PID控制進行仿真比較［8］，如圖4所示，圖中data1為仿人智能PID控制下的仿真結果，data2為傳統PID控制下的仿真結果。

▲圖4 單位階躍下仿人智能PID與PID的比較曲線

仿真結果表明，仿人智能PID控制比傳統PID控制調節時間更短，具有較小的超調量，更強的魯棒性。

4 結束語

建立了無塔恒壓供水系統模型，研究了仿人智能PID控制算法，以及它在無塔恒壓供水系統中的應用，實踐證明，仿人智能PID算法不僅對供水系統取得了良好的控制效果，而且該系統具有顯著的節能降耗作用。同樣，該算法對非線性、大時滯、模型未知或難以建模的復雜對象有適應性［9］。

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