基于模糊PID控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)

唐　莎

（清遠(yuǎn)市技師學(xué)院，廣東清遠(yuǎn)511517）

基于模糊PID控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)

唐莎

（清遠(yuǎn)市技師學(xué)院，廣東清遠(yuǎn)511517）

介紹一種模糊控制和PID相結(jié)合的方法控制恒壓供水，在壓力波動(dòng)較大時(shí)使用模糊控制，以加快響應(yīng)速度，在壓力范圍較小時(shí)采用PID來保持靜態(tài)精度。

流量；壓力；Fuzzy控制；PID控制

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.027

近年來，基于PID和PLC的變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，被認(rèn)為是一種理想的供水方式，但恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)是非線性、大慣性，僅使用基于PID控制的變頻調(diào)速供水時(shí)，存在不同程度的超調(diào)或震蕩現(xiàn)象，基于此本文提出了一種基于模糊控制和PID相結(jié)合的方法。

1　恒壓供水系統(tǒng)控制對(duì)象

恒壓供水系統(tǒng)最根本的控制對(duì)象是流量，在實(shí)際生活中，不同季節(jié)、不同時(shí)間用水流量是變化的，難以具體測(cè)量，考慮到在動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力（由供水流量Qc表示）和用水需求（由用水流量Qu表示）之間的平衡情況有關(guān)。若供水能力Qc>用水需求Qu，則壓力上升；若供水能力Qc<用水需求Qu，則壓力下降；若供水能力Qc=用水需求Qu，則壓力不變。由此可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體反映在壓力的變化上，從而壓力就成為用來控制流量大小的參變量。

2　恒壓供水系統(tǒng)組成和工作原理

恒壓供水系統(tǒng)由PLC、變頻器、壓力變送器、接觸器組和水泵機(jī)組等組成，如圖1所示，本系統(tǒng)具備同時(shí)控制兩臺(tái)水泵的功能，根據(jù)不同場(chǎng)合需求，可以采取兩臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行，一臺(tái)水泵運(yùn)行一臺(tái)備用，定時(shí)換泵等多種工作方式。

圖1　恒壓供水系統(tǒng)組成

恒壓供水系統(tǒng)工作原理為：壓力傳感器周期性的采集管網(wǎng)壓力，并將管網(wǎng)壓力傳送給PLC進(jìn)行信號(hào)處理、模糊算法運(yùn)算控制等，其結(jié)果作為變頻器的總給定，用以改變供水流量和壓力控制。具體來說，當(dāng)供水壓力小于給定壓力時(shí)，變頻器輸出頻率升高，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，供水壓力升高；反之變頻器頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，供水壓力降低，如此多次調(diào)整，直到偏差為零，保持供水壓力恒定［1-5］。

3　控制器的設(shè)計(jì)

在恒壓供水系統(tǒng)中，供水壓力是通過變頻器的輸出頻率控制來實(shí)現(xiàn)的，確定供水壓力和輸出頻率的關(guān)系式設(shè)計(jì)控制策略的基礎(chǔ)，供水系統(tǒng)一般用戶較多且用水時(shí)間不確定，管網(wǎng)水壓波動(dòng)較大，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，而模糊控制直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。本系統(tǒng)采用模糊—PID控制，其控制模型如圖2所示。

控制策略選擇的基本原則是：PLC通過采樣獲取用戶管網(wǎng)水壓的精確值，然后將次量與給定值比較得到誤差信號(hào)e，根據(jù)誤差信號(hào)e，在大誤差范圍內(nèi)，采用Fuzzy控制，以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，增強(qiáng)自適應(yīng)能力，在小誤差范圍內(nèi)，采用PID控制，以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，增強(qiáng)自適應(yīng)能力消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。

3.1 Fuzzy控制

一般的模糊控制系統(tǒng)中，通常采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式，選取系統(tǒng)誤差信號(hào)壓力差e和誤差變化率Δe為輸入語句變量，輸出變量為控制變頻器給定頻率值U，本系統(tǒng)采用7個(gè)模糊集合描述水壓的誤差e、誤差變化率Δe和控制量U，分別為PB（正大）、PM（正中）、PS（正?。?、ZE（零）、NS（負(fù)?。?、NM（負(fù)中）、NB（負(fù)大），其輸入變量模糊隸屬函數(shù)在相應(yīng)的論域?yàn)椋?6，+5，+4，+3，+2，+1， 0，-1，-2，-3，-4，-5，-6］表示如圖3，針對(duì)變頻器最多提供15段速，可設(shè)置15個(gè)頻率值，選取輸出變量U論域范圍為［+7，+6，+5，+4，+3，+2，+1，0，-1，-2，-3，-4，-5，-6，-7］共15個(gè)值與之對(duì)應(yīng)，其相應(yīng)的隸屬函數(shù)表示如圖4。

圖2　模糊—PID控制

圖3　誤差e、誤差變化率Δe模糊隸屬函數(shù)

圖4　輸出變量隸屬函數(shù)

控制規(guī)則用語言描述如下：若壓力低于給定值則提高變頻器輸出頻率，低得越多，頻率提得越多；若壓力高于給定值，則變頻器輸出頻率降，高得越多降得越多，具體來說采用IF E and Ec then U，根據(jù)規(guī)則算出總的模糊關(guān)系R。為便于控制，事先對(duì)各種誤差和誤差變化，根據(jù)模糊關(guān)系R按隸屬度最大原則計(jì)算出相應(yīng)的控制表如圖5所示。在實(shí)時(shí)壓力控制過程中，上述控制表存在PLC內(nèi)存中，PLC的輸入端口接收管網(wǎng)中的壓力值，并與給定值進(jìn)行比較，計(jì)算誤差e及誤差變化率Δe，乘以相應(yīng)的量化因子，并經(jīng)取整處理變換成模糊變量E、Ec通過查找控制表得到控制量U，如圖5所示。

圖5　控制表

3.2 PID控制

通過變頻實(shí)現(xiàn)PID控制有兩種：一是變頻器內(nèi)置PID控制功能，給定信號(hào)通過變頻器的端子輸入，反饋信號(hào)也反饋給變頻器的控制端，在變頻器內(nèi)部進(jìn)行PID調(diào)節(jié)以改變輸出頻率；二是外部的PID調(diào)節(jié)器將給定量與反饋量比較后輸出給變頻器加到控制端子作為控制信號(hào)，本系統(tǒng)采用第二種控制方式。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）、微分單元（D）組成，其輸入e（t）和輸出u（t）的關(guān)系，其中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，使用中只需設(shè)定三個(gè)常數(shù)Kp、Ti、Td。PID控制器中對(duì)這三個(gè)參數(shù)整定的方法很多，目前使用廣泛的有三種，分別為試湊法、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法、擴(kuò)充臨界比例度法，在本設(shè)計(jì)中采用試湊法，即先調(diào)節(jié)比例控制系數(shù)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線，然后整定積分控制參數(shù)，直至系統(tǒng)在保持良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜態(tài)得到消除，最后整定微分控制參數(shù)，直至得到滿意系統(tǒng)響應(yīng)，根據(jù)這一系列原則，選取Kp=0.3、Ti= 10 s、Td=3 s。

4　結(jié)論

利用學(xué)校自動(dòng)化實(shí)操室提供的由三向公司制作的“恒壓供水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”對(duì)模糊—PID控制算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)先對(duì)于常規(guī)PID控制來說，模糊控制PID控制存在響應(yīng)時(shí)間短，更快的反應(yīng)速度，并且超調(diào)小，這表明對(duì)于恒壓供水系統(tǒng)，采用模糊PID控制可以取得更好的性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的快速、準(zhǔn)確控制；但也存在著不足，PID控制器和模糊控制器各自分別設(shè)計(jì)完成，根據(jù)一定判斷決定哪一個(gè)控制器的輸出才是系統(tǒng)真正的控制值，難點(diǎn)是如何選擇切換條件保持系統(tǒng)平穩(wěn)切換。

［1］張立輝.模糊控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

［2］高宏巖.基于PLC的模糊控制恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國農(nóng)村水利水電，2007（4）：48-49.

［3］袁佑新，陳繼偉，黃曉新，等.基于模糊控制的恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國水運(yùn)，2007（7）：28-29.

［4］李海波.基于PLC的智能變頻恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2011（3）：48-50.

［5］曹承志，王楠.智能技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

（編輯：向飛）

Variable Frequency Speed Constant Pressure Water Supply System Based on Fuzzy PID Control

TANG Sha
（Qingyuan Technician College，Qingyuan511517，China）

This paper introduces the control constant pressure water supply a method of combination of fuzzy control and PID,the use of fuzzy control in the pressure fluctuations,to accelerate the response speed,using PID in the pressure range is small to maintain static accuracy.

flow；pressure；fuzzy control；PID control

TP29

A

1009-9492（2015）01-0098-03

2014-07-15

唐莎，女，1983年生，湖南郴州人，大學(xué)本科，講師。研究領(lǐng)域：自動(dòng)化。已發(fā)表論文3篇。