CN113552906A

CN113552906A - 一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法

Info

Publication number: CN113552906A
Application number: CN202110741821.0A
Authority: CN
Inventors: 周海波; 苟茂华; 沈寅杰; 何东; 付友行; 顾冬梅
Original assignee: Zhejiang Supcon Information Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Supcon Information Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2021-10-26

Abstract

本发明公开了一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法，在传统PID控制原理基础上叠加了模糊推理算法，形成模糊PID控制方法，并将模糊PID控制方法应用在排水泵站快速恒水位运行，对负荷动态变化下的排水泵站液位精确控制，以当前液位值与期望恒液位偏差e以及当前液位偏差与上次液位偏差的变化ec为输入，利用模糊控制规则计算出PID控制器的控制量ΔKp、ΔKi、ΔKd，从而实现PID控制器参数的自适应整定，达到使被控液位快速稳定的目的。达到响应速度更快、稳定性更强的恒液位控制的目的。技术知识和实际操作经验模型化出的模糊整定表，适合在动态工况下进行精确控制。

Description

一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法

技术领域

本发明涉及给排水领域，尤其涉及一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法。

背景技术

城市排水泵站的主要作用是收集上游来水并提升至下游工艺环节，需要根据上游来水量及时调整提升水量，控制泵站液位在合理区间，以保证泵站本身及其上游不漫溢。随着城市化进程的快速推进，城市排水管网建设越发复杂，排水泵站上游来水量不稳定性增加。同时，城市管理精细化对排水系统也有了更高要求，城市排水不同区域之间协同调度作用在单体排水泵站上就要求其更频繁调整排水泵以匹配调度水量。反映在排水泵站的自动控制上则是要求其实现恒水位运行的调节速度更快、抗干扰性更强。

当前城市排水泵站的水位控制方式主要有两种：

一种是梯级水位控制方式。即，将液位控制的区间划分为启泵或停泵数量梯级，液位高负荷重则多开泵，液位低负荷小则少开泵，梯级水位的值可在操作电脑上进行设置。当泵站水位达到某一级水位时，自动启动或停止排水泵以达到当前液位级别所需运行的排水泵数量。这种控制方式能够把水位控制在一定区间内，但控制过程比较粗放，排出流量忽大忽小，很容易对下游排水泵站负荷造成很大压力。

第二种是传统PID恒水位控制方式。恒水位作为目标设定值，当前液位作为反馈值，变频器作为被控对象，三者建立起经典PID调节器关系。通过调节变频器频率控制当前水位趋于恒水位值，从而使排水泵站处于恒水位运行状态。这种控制方式的P、I、D三个参数整定值直接影响控制效果，三个参数的整定需要系统处于基本线性或者动态特征不是特别明显的情况。但实际上排水泵站负荷是动态变化的，传统PID控制方式应对这种动态工况时控制效果不是太好。

例如，一种在中国专利文献上公开的“城市废水集水井均恒水位排放系统及其排放方法”，其公告号CN104060675，包括：城市废水集水井，顶部设有上限水位传感器和下限水位传感器；废水通道，其连接城市废水集水井；排水泵，其进水口连接废水通道；送水压力井，其与排水泵连接；送水通道，进水口连接至送水压力井；高位出水井，其连接送水通道的出水口；高位出水井出水口将污水输送至污水处理池；控制模块和排水泵电机，控制模块接收上限水位传感器和下限水位传感器所探测的废水水位，根据废水水位对排水泵电机进行变频控制，控制排水泵的排水流量。上述排水系统的控制方法采用设置水位感应上下限，当水位靠近上下限时打开水泵排水，但是该方案的排水速率恒定，当遇到水位骤变的情况时，存在无法及时稳定水位，并且同时给下游水泵站负荷造成很大压力，链级抑制效应明显的问题。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的排水泵站水位波动大，水位调节不稳定的问题，提供一种响应动作快、超调量小、鲁棒性强、适应对象参数变化的模糊自适应的智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法，包括如下步骤：

步骤S1：设定期望恒液位值、模糊规则和隶属度赋值表；

步骤S2：获取当前液位值，并计算出当前液位值与期望恒液位值的偏差为当前液位偏差、计算当前液位偏差变化率率；

步骤S3：对当前液位偏差和当前液位偏差率通过预设的模糊规则进行模糊化处理，输出当前液位偏差模糊值和当前液位偏差率模糊值；

步骤S4：以当前液位偏差模糊值和当前液位偏差率模糊值为输入，利用模糊控制规则计算出 PID控制器的控制参数ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值；

步骤S5：将ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值根据隶属度赋值表解模糊为实际调整值ΔKp、ΔKi、ΔKd，并输入到PID控制器；

步骤S6：PID控制器合成计算出当前的设定值Kp、Ki、Kd；

步骤S7：PID控制器输出设定值信号至执行机构；

步骤S8：所述执行机构可调节排水泵机组排水速度，从而控制水位。以当前液位值与期望恒液位偏差e以及当前液位偏差与上次液位偏差的变化ec为输入，利用模糊控制规则计算出PID 控制器的控制量ΛKp、ΛKi、ΛKd，从而实现PID控制器参数的自适应整定，最终输出作用在变频器，达到调节泵站液位恒定的目的。

作为优选，步骤S2所述的计算出当前液位值与期望恒液位值的偏差为当前液位偏差、计算当前液位偏差变化率率，包括：

计算出当前液位值与期望恒液位偏差：

e(k)＝LT(k)-LT_Set(k)

计算当前液位偏差变化率率，即计算出当前液位偏差与上次液位偏差的变化：

cc(k)-c(k)-c(k-1)；

其中，LT(k)表示k时刻排水泵站的实际液位值，LT SeL(k)表示k时刻期望恒液位值，e(k) 表示k时刻液位偏差，e(k-1)表示k-1时刻液位偏差，ec(k)表示k时刻液位偏差变化率率。

作为优选，所述步骤S3所述的对当前液位偏差通过预设的模糊规则进行模糊化处理，输出当前液位偏差模糊值，包括：

将液位偏差e的实际变化范围[-e，e]划分为若干个数值区间组成模糊集合 {NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别依次表示为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，

液位变化范围表：

NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
							-0.3	-0.2	-0.1	0	0.1	0.2	0.3

选用三角形隶属函数计算当前液位偏差在上述模糊集合的隶属度：三角形隶属函数满足如下关系：

其中，参数a和c确定三角形的“脚”，参数b确定三角形的峰。

例如，当前液位偏差e(k)为-0.18时，在偏差模糊集合上的隶属度为：

{0，[-0.1-(-0.18)]/[-0.1-(-0.2)]，[(-0.18)-(-0.2)]/[-0.1-(-0.2)]，0，0，0，0}，即如液位偏差隶属度赋值表所示：

液位偏差隶属度赋值表：

作为优选，所述步骤S3所述的对当前液位偏差率通过预设的模糊规则进行模糊化处理，输出当前液位偏差率模糊值；将液位偏差率ec实际变化范围[-cc，cc]划分为若干个数值区间组成模糊集合{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别依次表示为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，液位偏差率变化范围表：

NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
							-0.06	-0.04	-0.02	0	0.02	0.04	0.06

选用三角形隶属函数计算当前液位偏差率在上述模糊集合中的隶属度：三角形隶属函数满足如下关系：

当前液位偏差率ec(k)为0.03时，在偏差变化率模糊集合上的隶属度为：

{0，0，0，0，(0.04-0.03)/(0.04-0.02)，(0.03-0.02)/(0.04-0.02)，0}，即，如液位偏差率隶属度赋值表所示：

液位偏差率属度赋值表：

作为优选，步骤S5中所述的ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值根据隶属度赋值表解模糊为实际调整值ΔKp、ΔKi、ΔKd，包括，将ΔKp、ΔKi、ΔKd实际变化范围[-ΔKp，ΔKp]、[-ΔKi，ΔKi]、 [-ΔKd，ΔKd]划分为多个数值区间。

作为优选，所述模糊规则包括模糊整定表，所述模糊整定表包括ΔKp模糊整定表，ΔKi 模糊整定表和ΔKd模糊整定表。

ΔKp模糊整定表：

ΔKi模糊整定表：

ΔKd模糊整定表：

作为优选，所述步骤S6所述PID控制器合成计算出当前的设定值Kp、Ki、Kd；包括，

其中，Kp0、Ki0、Kd0为PID控制器初始整定参数。Kp0、KiO、Kd0即为在排水泵站负荷相对稳定情况下整定出来的经典PID控制参数。

作为优选，所述步骤S4所述的以当前液位偏差模糊值和当前液位偏差率模糊值为输入，利用模糊控制规则计算出PID控制器的控制参数ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值，包括，对当前液位偏差e(k)与液位偏差变化率值ec(k)模糊值查询模糊整定规则表，推导出ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值。

作为优选，所述执行机构为变频器。

因此，本发明具有如下有益效果：(1)采用PID控制原理结合自适应模糊理论，对负荷动态变化下的排水泵站液位精确控制，达到响应速度更快、稳定性更强的恒液位控制的目的。(2)技术知识和实际操作经验模型化出的模糊整定表，适合在动态工况下进行精确控制。

附图说明

图1是本发明一实施例排水站模糊自适应PID控制器结构框图。

图2是本发明一实施例排水站模糊自适应PID控制方法工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例：

如图1～2所示的一种基于模糊自适应PID控制的排水站快速恒水位智能控制方法：首先预设期望恒液位，设定模糊规则表：如下表ΔKp模糊整定表，ΔKi模糊整定表和ΔKd模糊整定表所示：

ΔKp模糊整定表：

ΔKi模糊整定表：

ΔKd模糊整定表：

设定隶属度赋值表。

步骤S1：控制系统开始工作，PLC控制系统检测泵房液位值，将检测的的当前液位值作为PID控制系统的输入；

步骤S2：PID控制系统根据当前液位值计算当前液位值与期望恒液位偏差：

e(k)-LT(k)-LT-Set(k)；

步骤S3计算出当前液位偏差与上次液位偏差的变化：

cc(k)-c(k)-c(k-1)

其中，LT(k)表示k时刻排水泵站的实际液位值，LT_Set(k))表示k时刻期望恒液位值。式(2) 中e(k)表示k时刻液位偏差，e(k 1)表示k-1时刻液位偏差。

步骤S4：对当前液位偏差e(k)与液位偏差变化率值ec(k)通过预设的模糊规则进行模糊化处理。

步骤S4.1：将液位偏差e及液位偏差变化率率ec的实际变化范围

及

划分为多个数值区间。

在本实例中，液位偏差e数值区间可以划分为：

NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
							-0.3	-0.2	-0.1	0	0.1	0.2	0.3

液位偏差变化率值ec数值区间可以划分为：

NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
							-0.06	-0.04	-0.02	0	0.02	0.04	0.06

NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别表示为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大七个语言值。

步骤S4.2：由隶属函数关系分别计算出当前液位偏差c(k)及当前液位偏差变化率ec(k)在上述模糊集合{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}上的隶属度。

隶属函数有多种形式，常用隶属函数有三角形隶属函数、高斯型隶属函数、梯形隶属函数等。本实例中，选用最为常用的三角形隶属函数，即：

其中，参数a和c确定三角形的“脚”，参数b确定三角形的峰。例如，当前液位偏差e(k)为 -0.18时，在偏差模糊集合上的隶属度为：

{0，[-0.1-(-0.18)]/[-0.1-(-0.2)]，[(-0.18)-(-0.2)]/[-0.1-(-0.2)]，0，0，0，0}即如液位偏差隶属度赋值表所示：

液位偏差隶属度赋值表：

当前液位偏差变化率ec(k)为0.03时，在偏差变化率模糊集合上的隶属度为：

{0，0，0，0，(0.04-0.03)/(0.04-0.02)，(0.03-0.02)/(0.04-0.02)，0}

即：液位偏差变化率隶属度赋值表所示：

液位偏差变化率隶属度赋值表

步骤S5：对当前液位偏差e(k)与液位偏差变化率值ec(k)模糊值查询模糊规则表，推导出ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值：

根据步骤S4计算出的当前液位偏差e(k)与液位偏差变化率值ec(k)在各自模糊集合上的隶属度结果，结合模糊规则表，计算出ΔKp、ΔKi、ΔKd在各自模糊集合上的隶属度：当前液位偏差c(k)-0.18时对应模糊值NM_o＝0.8，NS_o＝0.2，当前液位偏差变化率cc(k)0.03时对应的模糊值PS_RC＝0.5，PM_RC＝0.5。查询ΔKp模糊规则表得出：

NM_o＝0.8、PS_oc＝0.5时，PM_ΔKp＝0.8*0.5＝0.4。

NM_o＝0.8、PM_oc＝0.5时，PM_ΔKp＝0.8*0.5＝0.4。

NS_e＝0.2、PS_RC＝0.5时，PS_ΔKp＝0.2*0.5＝0.1。

NS_e＝0.2、PM_RC＝0.5时，PS_ΔKp＝0.2*0.5＝0.1。

综上，ΔKp在当前液位偏差e(k)为-0.18、当前液位偏差变化率ec(k)为0.03时的隶属度为：

{0，0，0，0，0.1+0.1，0.4+0.4，0}

即：

基于同样的方法，查询查询ΔKi模糊规则表得出：

NM_o＝0.8、PS_oc＝0.5时，ZO_ΔKi＝0.8*0.5＝0.4。

NM_R＝0.8、PM_RC＝0.5时，PS_ΔKt＝0.8*0.5＝0.4。

NS_e＝0.2、PS_ec＝0.5时，NS_ΔKi＝0.2*0.5＝0.1。

NS_o＝0.2、PM_oc＝0.5时，ZO_ΔKi＝0.2*0.5＝0.1。

ΛKi在当前液位偏差e(k)为-0.18、当前液位偏差变化率ec(k)为0.03时的隶属度为：

查询ΔKd模糊规则表得出：

NM_e＝0.8、PS_ec＝0.5时，PM_ΔKd＝0.8*0.5＝0.4。

NM_o＝0.8、PM_oc＝0.5时，PM_ΔKd＝0.8*0.5＝0.4。

NS_e＝0.2、PS_RC＝0.5时，PS_ΔKd＝0.2*0.5＝0.1。

NS_o＝0.2、PM_oc＝0.5时，PM_ΔKd＝0.2*0.5＝0.1。

ΔKd在当前液位偏差e(k)为-0.18、当前液位偏差变化率ec(k)为0.03时的隶属度为：

步骤S6：将ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值根据隶属度赋值表解模糊为实际调整值ΔKp、ΔKi、ΔKd。

步骤S6.1：将ΔKp、ΔKi、ΔKd实际变化范围[-ΔKp，ΔKp]、[-ΔKi，ΔKi]、[-ΔKd，ΔKd]划分为多个数值区间。

在本实例中，ΔKp数值区间可以划分为：

NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
							-0.18	-0.12	-0.06	0	0.06	0.12	0.18

ΔKi数值区间可以划分为：

NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
							-0.09	-0.06	-0.03	0	0.03	0.06	0.09

ΔKd数值区间可以划分为：

NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
							-0.09	-0.06	-0.03	0	0.03	0.06	0.09

步骤S6.2：解模糊为实际调整值ΔKp、ΔKi、ΔKd。

继续结合上述实例，当前液位偏差e(k)为-0.18、当前液位偏差变化率ec(k)为0.03时ΔKp 对应模糊值PS_ΔKp＝0.2，PMS_ΔKp＝0.8，则解模糊ΔKp(k)为：

ΔKp(k)＝0.2*0.06+0.8*0.12＝0.108

同样的，解模糊ΔK1(k)为：

ΔKi(k)＝0.1*(-0.03)+0.5*0+0.4*0.03＝0.009

解模糊ΔKd(k)为：

ΔKd(k)＝0.1*0.03+0.9*0.06＝0.057

步骤S7：合成输出PID整定参数Kp、Ki、Kd。

其中，Kp0、Ki0、Kd0为PID控制器初始整定参数。在本实例中，Kp0、Ki0、Kd0即为在排水泵站负荷相对稳定情况下整定出来的经典PID控制参数。

步骤S8：PID控制器输出设定值信号至变频器，变频器可调节排水泵机组排水速度，从而控制水位。

本发明采用PID控制原理结合自适应模糊理论，对负荷动态变化下的排水泵站液位精确控制，达到响应速度更快、稳定性更强的恒液位控制的目的。技术知识和实际操作经验模型化出的模糊整定表，适合在动态工况下进行精确控制。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了模糊值、隶属度、偏差率、变频器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims

1.一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法，包括PID控制器，其特征是，包括如下步骤：

步骤S1：设定期望恒液位值、模糊规则和隶属度赋值表；

步骤S2：获取当前液位值，并计算出当前液位值与期望恒液位值的偏差为当前液位偏差、计算当前液位偏差变化率；

步骤S4：以当前液位偏差模糊值和当前液位偏差率模糊值为输入，利用模糊控制规则计算出PID控制器的控制参数ΔLp、ΔKi、ΔKd的模糊值；

步骤S6：PID控制器合成计算出当前的设定值Kp、Ki、Kd；

步骤S7：PID控制器输出设定值信号至执行机构；

步骤S8：所述执行机构可调节排水泵机组排水速度，从而控制水位。

2.根据权利要求1所述的一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法，其特征是，步骤S2所述的计算出当前液位值与期望恒液位值的偏差为当前液位偏差、计算当前液位偏差变化率，包括：

计算出当前液位值与期望恒液位偏差：

e(k)＝LT(k)-LT_Set(k)

计算当前液位偏差变化率，即计算出当前液位偏差与上次液位偏差的变化：

ec(k)＝e(k)-e(k-1)；

其中，LT(k)表示k时刻排水泵站的实际液位值，LT_Set(k)表示k时刻期望恒液位值，e(k)表示k时刻液位偏差，e(k-1)表示k-1时刻液位偏差，ec(k)表示k时刻液位偏差变化率。

3.根据权利要求2所述的一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法，其特征是，所述步骤S3所述的对当前液位偏差通过预设的模糊规则进行模糊化处理，输出当前液位偏差模糊值，包括：

将液位偏差e的实际变化范围[-e，e]划分为若干个数值区间组成模糊集合{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别依次表示为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，

4.根据权利要求3所述的一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法，其特征是，所述步骤S3所述的对当前液位偏差率通过预设的模糊规则进行模糊化处理，输出当前液位偏差率模糊值；将液位偏差率ec实际变化范围[-ec，ec]划分为若干个数值区间组成模糊集合{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别依次表示为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，

5.根据权利要求4所述的一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法，其特征是，步骤S5中所述的ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值根据隶属度赋值表解模糊为实际调整值ΔKp、ΔKi、ΔKd，包括，将ΔKp、ΔKi、ΔKd实际变化范围[-ΔKp，ΔKp]、[-ΔKi，ΔKi]、[-ΔKd，ΔKd]划分为多个数值区间。

6.根据权利要求5所述的一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法，其特征是，所述模糊规则包括模糊整定表，所述模糊整定表包括ΔKp模糊规则表，ΔKi模糊规则表和ΔKd模糊规则表。

7.根据权利要求6所述的一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法，其特征是，所述步骤S4所述的以当前液位偏差模糊值和当前液位偏差率模糊值为输入，利用模糊控制规则计算出PID控制器的控制参数ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值，包括，对当前液位偏差e(k)与液位偏差变化值ec(k)模糊值查询模糊整定规则表，推导出ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊值。

8.根据权利要求7所述的一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法，其特征是，所述步骤S6所述PID控制器合成计算出当前的设定值Kp、Ki、Kd；包括，

其中，KpO、KiO、KdO为PID控制器初始整定参数。

9.根据权利要求1-8所述的一种智能控制排水泵站快速恒水位运行的方法，其特征是，所述执行机构为变频器。