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1、模糊控制技术在恒压供水系统中的应用研究模糊控制技术在恒压供水系统中的应用研究 摘摘 要要：针对采用水塔、高位水箱及气压罐供水效果差的问题，采用模糊控 制技术实现楼群恒压供水，通过压力控制，减少超调和振荡，取得稳定的控制 效果。本系统尤其适合要求恒压供水的场合，可以满足高层建筑，生活小区， 军事设施的用水等。 关键词关键词：模糊控制 变频调速1 1 引言引言当今城市高楼林立，为高层建筑提供完备的供水系统是城市建设中一项重要 的内容。本文论述一套楼群恒压供水系统，此系统将模糊控制技术应用于供水 系统的控制过程，采用了微机控制及交流变频调速技术，是集机械、电气、微 机控制于一体的控制系统。这个系统将
2、现代控制理论引进了城市供水领域，可 以取代传统的水塔、高位水箱及气压罐供水装置，为局部加压供水开辟了新途 径。楼群恒压供水系统是通过变频调速技术调节水的流量来达到恒压供水的目 的，系统最终控制目标是水的压力。2 2 模糊控制器的设计模糊控制器的设计由于模糊控制方式是一种非线性控制方式，对数学模型粗糙的系统可以取得 令人满意的效果，因此本系统考虑采用模糊控制技术。模糊控制器的控制步骤 分为三步：精确量模糊化、模糊控制规则推理、模糊判决（见图 1）。 定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。将确 定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，由此便构成了一个 相应的模糊
3、变量的模糊子集。输入隶属函数见图 2。本系统采用二维模糊控制器。设模糊变量为：e（温差）、ec（温差变 化率）、u（输出量）。输入输出变量语言可以表达为：负大（NB），负小 （NS），负零（NZ），正零（PZ），正小（PS），正大（PB）。系统中温度误差、温度误差变化率的基本论域分别设为+e、+ec，其范围定 为-5，+5，精确量均可划分为 12 个等级。输出量 u 的论域设定为+u，其范围定为-6，+6，精确量划分为 14 个等 级。本系统为双输入单输出模糊控制器，根据过程控制的实际经验得到一系列推 理语言规则可写成如下形式：IFE=（NB） and EC=（PB） then U=（PB）(
4、1)例如：温度偏差（Ee）为负大且偏差变化率（ECec）为正大，则输 出控制增量（U=u）应为正大，以减小负偏差，使其趋近于给定值。根据这些 模糊条件语句可归纳为一个模糊关系：R(E）*(2)式中、为模糊关系矩阵的“并”和“交”运算，由 E、EC 及（2）式推 理合成规则，得到控制增量模糊集 U：U=（EEC）*R(3)求出控制决策 U，再按隶属函数中位数方法得到相应的控制增量 u，再经 计算机离线反复调试修正，得到模糊控制表。实时控制时，根据输入偏差与输 入偏差变化率的模糊值直接查找控制表，获得控制量（见表）。进行模糊化处理必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域，因 此在设计中引进
5、量化因子、。量化因子的大小对控制系统的动态性能影 响很大，选得较大，系统的超调也大，过渡过程长。大，超调小，但响 应速度慢。而比例因子的大小也影响模糊系统的特性，过小会使系统的动 态相应过程长，过大会导致系统振荡。因此，在系统中加入自调整比例因子模 糊控制器，在实时控制过程中改变量化因子与比例因子，以期调整整个控制过 程中不同阶段上的控制特性，得到良好的控制效果。3 3 系统构成系统构成楼群恒压供水系统由微控制器、变频器、电源多路转换开关、三台由交流异 步电动机带动的水泵、压力传感器以及 I/V 变换器等构成一个闭环系统。系统 框图见图 3。变频器驱动 1#或 2#泵的交流异步电动机（1#泵为
6、主泵，2#泵为备 用泵），对其进行模糊控制，实现交频调速；根据水压偏差决定是否为 3#泵切 入工频电源使其工作，三台水泵的水管线路并行运行。MCS-51 弹片机作为系统 的微控制器，它根据压力传感器的测量值按着模糊控制理论控制变频器的输出 频率，从而控制水泵的输出压力，最后使整个供水系统网中的末端压力保持恒 定，使得整个系统始终保持高效节能的最佳状态。4 4 系统软件设计系统软件设计由于可用 D/A 输出连续量控制执行阀开度，所以采用位置型输出控制。Uii-1(i)0同时，为提高控制量运算精度，系统内控制运算采 用增量加以限副处理，使控制作用平滑，避免因为给定值变化使输出有较大波 动，以至引起
7、系统振荡，本系统采用分段多模控制（见图 4 及 5）。其中 i为压力测量值5 5 参考文献参考文献1李士勇著 模糊控制.神经控制和智能控制，1998 年2Tanaka,K.and Sugeno,M.Stability Analysis and Design of Fuzzy Control Systems.Fuzzy Sets and Systems,1992(45):135-156.3Ordonez R,Passino KM.Stable Multi-Input Multi-Output Adaptive Fuzzy/Neural Control JIEEE Trans.on Fuzzy S
8、yatems,1999,(7)3:345- 353.4邓聚龙.Fuzzy 控制的稳定性问题模糊数学,1983(3):71-84.本文读后感本文读后感模糊控制无论从理论和应用方面均取得很大的进展，但与常规控制理论相比，仍然显得很不成熟，当已知系统的模型时，已有比较成熟的常规理论和方法来分析好额设计系统，但目前尚未建立起有效的方法来分析和设计模糊控制，他 还主要依靠经验和试凑。因此，现在有许多人正在进行研究，试图把许多常规控制的理论和概念推广到模糊控制系统。近来的另外一个研究方向则是如何使模糊控制器具有学习能力。在这方面，模糊逻辑与神经网络相结合是一个值得注意的动向，两者的结合既可以模拟人的控制功
9、能，又可以如人那样具有较强的对环境变化的是硬能力和学习能力。这是一个 很有前途的发展方向。本文论述的楼群恒压供水系统按需要设定压力，根据用水量的变化通过变频调速器调节水泵的转速，使设备恒压供水，达到真正节能的目的。由于控制对象具有非线性、滞后的特征，若采用 PID 控制器难以获得控制的稳定性。采用模糊控制技术实现压力控制，可以大大减少超调和振荡，取得稳定的控制效果。此系统对于多泵组均能可靠地实现软启动，可以大大延长设备的使用寿命，并可根据用水量的变化，完成多泵组的循环变频，做到先开先停，工作泵与备用泵具有周期定时运行，自动巡检等功能。本系统适用于各种类型的自来水厂，生活用水，工业用水，尤其适合要求恒压供水的场合，可以满足高层建筑，生活小区，军事设施的用水等。 05030106060503010606马连瑞马连瑞
