基于模糊控制的水庫提水系統研究

張廣輝，陳大國

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

水庫提水泵站控制系統設計及優化對工程建成后的運行管理和運行安全可靠性起到決定作用。目前，水庫提水泵站控制系統多采用定頻運行方式，隨著技術的進步和設備價格的降低，變頻調速技術因為具有高效節能、穩定可靠、自動化程度高等特點逐漸在工程中得到廣泛應用。

目前，水庫水源提水泵站設計中變頻調速控制系統普遍采用人工設置運行頻率控制方式和根據水泵運行曲線恒流量控制方式，但是貴州省很多水利工程提水泵站兼有灌溉供水功能，實際運行中具有非線性、不確定性的特點，難以建立精確模型，PID恒流量控制方式和定參數控制方式不適合這種類型的工程。為了保證供水的穩定性和可靠性，有必要研究適用于以上工況的控制方式以減輕運行人員工作量并提供高供水質量。

模糊控制技術基于專家知識和運行人員經驗，應用模糊集合理論和方法把操作人員的經驗總結成模糊規則模型，只要在線檢測系統給出期望輸出與實際輸出之間的偏差，通過判斷調整因子的趨勢來確定調整因子的大小，然后代入模糊自調整公式來設置所有參數。其簡潔性和可實現性正適用于以上實際工程需要。

1 模糊控制系統構成

常規的PID控制系統數學模型為：

考慮到傳輸裝置位置式PID對過去狀態的依賴，設計中采用增量式PID控制方式，每次輸出只輸出控制增量：

其中：kp=KP，ki=KP/Ti，kd=KP·Td。

常規PID控制的首要任務是要確定精確數學模型參數，但由于該類工程的特點，很難確定精確的數學模型參數。模糊控制將人的操作經驗歸納為若干控制規則，從而可以避開復雜的數學模型。由于模糊控制的非線性特點，對于非線性、大滯后及帶有隨機干擾的供水工程，模糊控制能做到較穩定的控制，并且對于對象的參數變化適應性強，即所謂的“魯棒性”較好。

模糊控制系統通常由五部分組成：模糊控制器、輸入/輸出接口、執行器、被控對象和測量裝置[1]。其構成如圖1所示。該系統屬于一個雙閉環控制結構，內環是一個fuzzy-PID控制器，根據給定水位Fgi去控制變頻器改變水泵電動機轉速，使其水位Fi控制在理想的給定值Fgi附近。外環根據高位水池水位實際值和期望之差ΔPi來修正內環的給定值。

圖1 控制系統結構圖

2 模糊PID控制算法

將操作人員長期積累的經驗轉換為模糊控制器的規則，是根據人們的直覺推理出的一種語言形式，可以有利于控制非線性、大滯后對象，并且能夠更好地應用于不清楚或參數時變的數學模型，以及傳統的PID控制算法應用效果不理想的地方。由一系列關系詞相連而成的模糊規則，通常與誤差e和誤差變化率ec作為信號輸入，這樣我們就可以滿足不同時間的e和ec參數自我調整的要求，PID參數自調整模糊控制規則在線對三個參數自調整控制框圖如圖2所示。

圖2 模糊PID控制結構圖

根據水源提水工程自身特點，建立kp、ki、kd的fuzzy控制規則見表1-表3。

表1 kp模糊控制規則表

表2 ki模糊控制規則表

表3 kd模糊控制規則表

3 控制系統的實現

模糊控制方法可以通過PLC[2]實現，具體方法是通過水位監測裝置對高位水池實際水位與一個給定的水位值進行對比，水位誤差e、誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入，模糊后形成使用模糊語言來描述的模糊集，之后綜合模糊控制器控制規則推理輸出量增加值。積分后，通過反模糊化給出速度控制的精確值，送變頻器控制泵的轉速，通過不斷調整直至水位穩定在設計水位。

以箐口水庫提水泵站為例，工程主要任務為城鎮供水、兼顧農村人畜及農田灌溉用水。工程配置水泵4臺，其中1臺水泵可采用高壓變頻系統實現水泵軟啟動及轉速調節，其余水泵采用定頻運行方式，變頻泵的轉速隨水位的變化動態調節，限制最高運行頻率為工頻（不超頻運行）。當變頻水泵轉速達到額定轉速，在設定時間延遲后，池高水位若不能滿足設定水位，系統自動開啟定頻水泵以補充需水量。當用水高峰期過后，將依次定頻泵退出運行。控制系統流程圖如圖3所示。

圖3 控制系統流程圖

4 控制算法的MATLAB仿真研究

參考文獻資料，變頻器的傳遞函數假定為小慣性環節，變頻環節使用下述傳遞函數[3]：

異步電機的傳遞函數可以描述[4]為：

水泵管道環節傳遞函數描述[5]為：

分別采用傳統PID算法和模糊PID算法對階躍信號進行跟蹤。仿真結果如圖4所示。由此可見，模糊控制對于提水控制系統能夠達到理想的控制目標。通過以上仿真實驗表明，模糊控制與PID控制相結合的系統響應曲線幾乎沒有超調，且系統的響應時間相對較短，是一種魯棒性較強的控制器?？梢娙魧⒃摽刂茟糜谔崴到y可以使系統平穩運行，減少運行人員工作量。仿真結果表明，將模糊控制應用于PID控制器的設計，能在線調整PID的3個參數kp、ki、kd，能很好地滿足系統的要求。

圖4 simulink仿真對比圖