CN105587018A - 无负压供水机组的模糊控制系统及其模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无负压供水机组的模糊控制系统及其模糊控制方法，包括压力传感器、比较器、模糊控制器、PID控制器、模态选择器、变频器和水泵；所述模糊控制器适于根据水压偏差E及其变化率EC的大小调节所述变频器的频率，进而调节所述水泵的电机转速，从而在用水量不断变化时，使所述无负压供水机组的出口水压保持恒定。本发明将经典PID控制算法与智能模糊控制算法相结合，在水压偏差率较小时采用PID控制算法，其他情况采用模糊控制算法，一方面，提高控制系统的稳态精度，另一方面，能很好地适应无负压供水机组的非线性、滞后性及时变性，可靠地使无负压供水机组的出口水压始终保持恒定，保障供水质量和供水安全。

Description

无负压供水机组的模糊控制系统及其模糊控制方法

技术领域

本发明涉及智能控制技术领域，尤其涉及一种无负压供水机组的模糊控制系统。

背景技术

无负压供水机组的控制关键是能够保证机组出口的水压力始终恒定，满足管网的压力需求，同时在管网的用水量产生波动时，机组的控制系统能够迅速进行反应，稳定管网压力。这种供水系统有着以下特点：

1、非线性

水压随水泵电机转速发生变化，但管道内存在的摩擦阻力不可忽视，同时管网多变量，各变量相互之间交叉耦合，导致水压力与水泵电机转速之间的关系为非线性关系。

2、时变性

每一个无负压供水系统结构都是不同的，在管阻特性和和扬程等方面存在着较大的差异，很难找到一个通用的、固定的数学表达式，因此其对象的模型是时变的，无法使用具有固定控制模型的PID控制方式。

3、滞后性

系统控制对象是水压，而水压的变化是通过流量改变的，水泵由初始状态开始向管网进行恒压供水，直到管网压力达到稳定要求，这个过程时间很长，水压力并不能随水泵电机转速立刻响应；同时，水泵出口到用水点的距离也很长，导致系统的响应存在滞后性。

常规的控制方式是采用变频器或是控制器自带的PID算法来实现机组出口的水压力恒定，但有着以下的缺点：

1.工程上的PID算法对于非线性和滞后性强的控制对象，在整定参数的设置上非常困难，往往很难获得良好的静动态特性。

2.由于无负压供水系统的时变性很强，无法建立一个通用的数学模型，因此PID整定参数的设定很大程度上完全依赖现场调试人员的经验，大大增加了系统的不确定性。

发明内容

本发明的目的是为解决目前无负压供水机组由于非线性、滞后性及时变性，导致经典PID控制失灵的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种无负压供水机组的模糊控制系统，包括压力传感器、比较器、模糊控制器、变频器和水泵；

所述压力传感器用于测得实际水压PV；

所述比较器的第一输入端输入给定水压SP，第二输入端输入实际水压PV，输出端输出水压偏差E＝SP-PV；

所述模糊控制器的第一输入端连接所述水压偏差E，所述模糊控制器输出的控制信号U连接所述变频器；所述控制信号U根据所述水压偏差E的大小调节所述变频器的频率，进而调节所述水泵的电机转速，从而在用水量不断变化时，使所述无负压供水机组的出口水压保持恒定。

进一步地，所述比较器输出的水压偏差E还送入一微分器的输入端，所述微分器输出水压偏差变化率EC＝dE/dt；

所述模糊控制器还有第二输入端，所述第二输入端输入所述水压偏差变化率EC，所述模糊控制器输出的控制信号U连接所述变频器；所述控制信号U根据所述水压偏差E和所述水压偏差变化率EC的大小调节所述变频器的频率，进而调节所述水泵的电机转速，从而在用水量不断变化时，使所述无负压供水机组的出口水压保持恒定。

进一步地，根据所述水压偏差E和所述水压偏差变化率EC的大小，将所述水压偏差E分为N个模糊子集Fi，i＝1……N，将所述水压偏差变化率EC分为N个模糊子集Fm，m＝1……N，根据专家经验，从任一对组合(Fi，Fm)推理得到控制信号U的模糊子集Fp，p＝1……N，从而形成模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)；

将各所述模糊子集Fi、Fm和Fp的论域进行量化，各所述模糊子集Fi分别对应一个精确数值Rq，q＝1……K，各所述模糊子集Fm分别对应一个精确数值Rs，s＝1……K，各所述模糊子集Fp分别对应一个精确数值Rt，t＝1……L，根据所述模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)生成精确化的模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)，所述模糊控制器根据所述模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)调节所述变频器的频率，进而调节所述水泵的电机转速，从而在用水量不断变化时，使所述无负压供水机组的出口水压保持恒定。

进一步地，所述模糊子集Fi、Fm和Fp的数量N＝7，所述模糊子集Fi、Fm和Fp均分别为负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。

进一步地，所述模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)为：

若Fi为负大，且Fm为负大，则Fp为正大；

若Fi为负中，且Fm为负中，则Fp为正大；

若Fi为负小，且Fm为负小，则Fp为正小；

若Fi为零，且Fm为零，则Fp为零；

若Fi为正小，且Fm为正小，则Fp为负小；

若Fi为正中，且Fm为正中，则Fp为负大；

若Fi为正大，且Fm为正大，则Fp为负大。

进一步地，所述精确数值Rq和Rs的数量K＝11，所述精确数值Rq和Rs均分别为-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4和5；

所述精确数值Rt数量L＝13，所述精确数值Rt分别为-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5和6。

进一步地，模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)为：

若Rq＝-5，且Rs＝-5，则Rt＝6；

若Rq＝-4，且Rs＝-4，则Rt＝5；

若Rq＝-3，且Rs＝-2，则Rt＝4；

若Rq＝-2，且Rs＝-2，则Rt＝3；

若Rq＝-2，且Rs＝0，则Rt＝2；

若Rq＝-1，且Rs＝-1，则Rt＝1；

若Rq＝0，且Rs＝0，则Rt＝0；

若Rq＝-1，且Rs＝3，则Rt＝-1；

若Rq＝0，且Rs＝1，则Rt＝-2；

若Rq＝1，且Rs＝2，则Rt＝-3；

若Rq＝2，且Rs＝2，则Rt＝-4；

若Rq＝4，且Rs＝1，则Rt＝-5；

若Rq＝5，且Rs＝2，则Rt＝-6。

进一步地，采用Min-Max重心法从所述模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)生成所述模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)。

进一步地，在所述比较器和模糊控制器之间包括模态选择器，所述模糊控制器并联有PID控制器；

所述模态选择器适于根据水压偏差率e＝(|SP-PV|/SP)的大小选择所述模糊控制器或所述PID控制器，当所述水压偏差率e≤a时，所述模态选择器连接所述PID控制器，所述变频器由所述PID控制器进行调节；

当所述水压偏差率e＞a时，所述模态选择器连接所述模糊控制器，所述变频器由所述模糊控制器进行调节。

进一步地，所述PID控制器由可编程逻辑控制器构成。

本发明还提供了一种无负压供水机组的模糊控制系统的模糊控制方法，包括如下步骤：

根据所述水压偏差E和所述水压偏差变化率EC的大小，将所述水压偏差E分为N个模糊子集Fi，i＝1……N；

将所述水压偏差变化率EC分为N个模糊子集Fm，m＝1……N，从任一对组合(Fi，Fm)推理得到控制信号U的模糊子集Fp，p＝1……N，形成模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)；

将各所述模糊子集Fi、Fm和Fp的论域进行量化，各所述模糊子集Fi分别对应一个精确数值Rq，q＝1……K，各所述模糊子集Fm分别对应一个精确数值Rs，s＝1……K，各所述模糊子集Fp分别对应一个精确数值Rt，t＝1……L；

根据所述模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)生成精确化的模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)；

所述模糊控制器根据所述模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)调节所述变频器的频率，进而调节所述水泵的电机转速，从而在用水量不断变化时，使所述无负压供水机组的出口水压保持恒定。

本发明将经典PID控制算法与智能模糊控制算法相结合，在水压偏差率较小时采用PID控制算法，其他情况采用模糊控制算法，一方面，提高控制系统的稳态精度，另一方面，能很好地适应无负压供水机组的非线性、滞后性及时变性，可靠地使无负压供水机组的出口水压始终保持恒定，保障供水质量和供水安全。

附图说明

图1为本发明一个实施例的原理框图。

图中，压力传感器1；比较器2；微分器3；模态选择器4；模糊控制器5；PID控制器6；变频器7；水泵8。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，且其不应理解为对本发明的限制。

如图1所示的实施例，本发明的无负压供水机组的模糊控制系统包括压力传感器1、比较器2、微分器3、模态选择器4、模糊控制器5、PID控制器6、变频器7和水泵8，压力传感器1测得水泵8的出水口水压PV，并送至比较器2的一个输入端，比较器2的另一个输入端输入给定水压SP，比较器2输出水压偏差信号E＝SP-PV。水压偏差信号E分成两路，其中一路直接送至模态选择器4，另一路送至微分器3的输入端，微分器3输出水压偏差变化率信号EC并送至模态选择器4。模态选择器4根据水压偏差率e＝(|SP-PV|/SP)的大小选择模糊控制器2或PID控制器6，当水压偏差率e≤a时，如a＝5％，模态选择器4连接PID控制器6，变频器7由PID控制器6的输出信号Up进行调节，进而调节水泵8的电机转速，从而在用水量不断变化时，使无负压供水机组的出口水压保持恒定；当水压偏差率e＞a时，模态选择器4连接模糊控制器5，变频器7由模糊控制器5的输出信号Um进行调节，进而调节水泵8的电机转速，从而在用水量不断变化时，使无负压供水机组的出口水压保持恒定。其中PID控制器6由PLC(可编程逻辑器件)实现。这样，用于调节变频器7的复合控制信号为U＝a×Um+(1-a)×Up。

当模态选择器4连接模糊控制器5时，模糊控制器5的输出控制信号Um这样产生：

首先，分别对两个输入变量，即水压偏差E和水压偏差变化量EC，进行模糊化处理，E和EC分别被分为7个模糊子集Fi和Fm：负大、负中、负小、零、正小、正中和正大(或称为NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB)，即F1＝NB，F2＝NM，F3＝NS，F4＝Z0，F5＝PS，F6＝PM和F7＝PB。当然，也可以分成更多的模糊子集，模糊子集数量越多，控制精度越高，但也导致数据处理量呈几何级数增长，导致响应速度变慢。此处为兼顾控制精度和响应速度，选择7个模糊子集。

其次，在上述输入变量E和EC的模糊子集Fi和Fm的基础上定义模糊推理规则，得出输出变量U的模糊子集Fp，模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)具体如下表所示：

如当Fi＝NB，且Fm＝NB时，则通过查询上表得到Fp＝PB，即此时的模糊推理规则为：若Fi＝NB，且Fm＝NB，则Fp＝PB。

最后，进行去模糊化处理，即精确化处理，因为模糊控制器5输出的控制信号Um必须是一个精确量才能对被控对象变频器7的频率进行精确调节。将上述模糊子集Fi、Fm和Fp的论域进行量化，各模糊子集Fi、Fm和Fp分别对应一个精确数值Rq、Rs和Rt，从而得到一个精确的模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)。具体来说，Fi和Fm的论域可以精确化为11个具体数值Rq、Rs，q＝s＝1……11，如(-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5)，如NB可为-5或-4，NM可为-3或-2，NS为-1，ZO＝0，PS为1，PM可为2或3，PB可为4或5；Fp的论域可以精确化为13个具体数值Rt，t＝1……13，如(-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6)，如NB可为-6或-5，NM可为-4或-3，NS为-2或-1，ZO＝0，PS为1或2，PM可为3或4，PB可为5或6；精确的模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)可为下表所述：

如当Rq＝-5，且Rs＝-5时，则通过查询上表得到Rt＝6，即此时模糊控制规则为：若Rq＝-5，且Rs＝-5，则Rt＝6，即模糊控制器5输出的精确控制信号Um＝6。

一种无负压供水机组的模糊控制系统的模糊控制方法，包括如下步骤：

根据所述水压偏差E和所述水压偏差变化率EC的大小，将所述水压偏差E分为N个模糊子集Fi，i＝1……N；

将所述水压偏差变化率EC分为N个模糊子集Fm，m＝1……N，从任一对组合(Fi，Fm)推理得到控制信号U的模糊子集Fp，p＝1……N，形成模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)；

将各所述模糊子集Fi、Fm和Fp的论域进行量化，各所述模糊子集Fi分别对应一个精确数值Rq，q＝1……K，各所述模糊子集Fm分别对应一个精确数值Rs，s＝1……K，各所述模糊子集Fp分别对应一个精确数值Rt，t＝1……L；

根据所述模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)生成精确化的模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)；

所述模糊控制器根据所述模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)调节所述变频器的频率，进而调节所述水泵的电机转速，从而在用水量不断变化时，使所述无负压供水机组的出口水压保持恒定。

本发明将经典PID控制算法与智能模糊控制算法相结合，在水压偏差率较小时采用PID控制算法，其他情况采用模糊控制算法，一方面，提高控制系统的稳态精度，另一方面，能很好地适应无负压供水机组的非线性、滞后性及时变性，可靠地使无负压供水机组的出口水压始终保持恒定，保障供水质量和供水安全。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (11)

1.无负压供水机组的模糊控制系统，其特征在于，包括压力传感器、比较器、模糊控制器、变频器和水泵；

所述压力传感器用于测得实际水压PV；

所述比较器的第一输入端输入给定水压SP，第二输入端输入实际水压PV，输出端输出水压偏差E＝SP-PV；

所述模糊控制器的第一输入端连接所述水压偏差E，所述模糊控制器输出的控制信号U连接所述变频器；所述控制信号U根据所述水压偏差E的大小调节所述变频器的频率。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述比较器输出的水压偏差E还送入一微分器的输入端，所述微分器输出水压偏差变化率EC＝dE/dt；

所述模糊控制器还有第二输入端，所述第二输入端输入所述水压偏差变化率EC，所述模糊控制器输出的控制信号U连接所述变频器；所述控制信号U根据所述水压偏差E和所述水压偏差变化率EC的大小调节所述变频器的频率。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，根据所述水压偏差E和所述水压偏差变化率EC的大小，将所述水压偏差E分为N个模糊子集Fi，i＝1……N，将所述水压偏差变化率EC分为N个模糊子集Fm，m＝1……N，从任一对组合(Fi，Fm)推理得到控制信号U的模糊子集Fp，p＝1……N，从而形成模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)；

将各所述模糊子集Fi、Fm和Fp的论域进行量化，各所述模糊子集Fi分别对应一个精确数值Rq，q＝1……K，各所述模糊子集Fm分别对应一个精确数值Rs，s＝1……K，各所述模糊子集Fp分别对应一个精确数值Rt，t＝1……L，根据所述模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)生成精确化的模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)，所述模糊控制器根据所述模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)调节所述变频器的频率，进而调节所述水泵的电机转速，从而在用水量不断变化时，使所述无负压供水机组的出口水压保持恒定。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述模糊子集Fi、Fm和Fp的数量N＝7，所述模糊子集Fi、Fm和Fp均分别为负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)为：

若Fi为负大，且Fm为负大，则Fp为正大；

若Fi为负中，且Fm为负中，则Fp为正大；

若Fi为负小，且Fm为负小，则Fp为正小；

若Fi为零，且Fm为零，则Fp为零；

若Fi为正小，且Fm为正小，则Fp为负小；

若Fi为正中，且Fm为正中，则Fp为负大；

若Fi为正大，且Fm为正大，则Fp为负大。

6.根据权利要求3-5任一项所述的系统，其特征在于，所述精确数值Rq和Rs的数量K＝11，所述精确数值Rq和Rs均分别为-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4和5；

所述精确数值Rt数量L＝13，所述精确数值Rt分别为-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5和6。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)为：

若Rq＝-5，且Rs＝-5，则Rt＝6；

若Rq＝-4，且Rs＝-4，则Rt＝5；

若Rq＝-3，且Rs＝-2，则Rt＝4；

若Rq＝-2，且Rs＝-2，则Rt＝3；

若Rq＝-2，且Rs＝0，则Rt＝2；

若Rq＝-1，且Rs＝-1，则Rt＝1；

若Rq＝0，且Rs＝0，则Rt＝0；

若Rq＝-1，且Rs＝3，则Rt＝-1；

若Rq＝0，且Rs＝1，则Rt＝-2；

若Rq＝1，且Rs＝2，则Rt＝-3；

若Rq＝2，且Rs＝2，则Rt＝-4；

若Rq＝4，且Rs＝1，则Rt＝-5；

若Rq＝5，且Rs＝2，则Rt＝-6。

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，采用Min-Max重心法从所述模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)生成所述模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)。

9.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述比较器和模糊控制器之间包括模态选择器，所述模糊控制器并联有PID控制器；

所述模态选择器适于根据水压偏差率e＝(|SP-PV|/SP)的大小选择所述模糊控制器或所述PID控制器，当所述水压偏差率e≤a时，所述模态选择器连接所述PID控制器，所述变频器由所述PID控制器进行调节；

当所述水压偏差率e＞a时，所述模态选择器连接所述模糊控制器，所述变频器由所述模糊控制器进行调节。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述PID控制器由可编程逻辑控制器构成。

11.利用权利要求2所述的无负压供水机组的模糊控制系统的模糊控制方法，其特征在于包括如下步骤：

根据所述水压偏差E和所述水压偏差变化率EC的大小，将所述水压偏差E分为N个模糊子集Fi，i＝1……N；

将所述水压偏差变化率EC分为N个模糊子集Fm，m＝1……N，从任一对组合(Fi，Fm)推理得到控制信号U的模糊子集Fp，p＝1……N，形成模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)；

将各所述模糊子集Fi、Fm和Fp的论域进行量化，各所述模糊子集Fi分别对应一个精确数值Rq，q＝1……K，各所述模糊子集Fm分别对应一个精确数值Rs，s＝1……K，各所述模糊子集Fp分别对应一个精确数值Rt，t＝1……L；

根据所述模糊推理规则((Fi，Fm)--Fp)生成精确化的模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)；

所述模糊控制器根据所述模糊控制规则((Rq，Rs)-Rt)调节所述变频器的频率，进而调节所述水泵的电机转速，从而在用水量不断变化时，使所述无负压供水机组的出口水压保持恒定。