模糊控制技术在恒压供水系统中的应用研究

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1、模糊控制技术在恒压供水系统中的应用研究　摘 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：模糊控制变频调速1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。这个系统将现代控制理论引进了城市供水领域，可以

2、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变量的模糊子集。输入隶属函数见图2。

3、       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［２］。   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）andEC=（P

4、B）thenU=（PB）(1)   例如：温度偏差（E＝e′）为负大且偏差变化率（EC＝ec′）为正大，则输出控制增量（U=Δu）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×ＥＣ）*Ｕ(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=（E×EC）*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Δu，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

5、接查找控制表，获得控制量［３］（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，因此在设计中引进量化因子Ｋ１、Ｋ２。量化因子的大小对控制系统的动态性能影响很大，Ｋ１选得较大，系统的超调也大，过渡过程长。Ｋ２大，超调小，但响应速度慢。而比例因子Ｋ３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［４］。　3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

6、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。 

7、      Ui＝Ｕi-1＋ＡＵ(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，以至引起系统振荡，本系统采用分段多模控制（见图4及5）。    其中ΔＥi为压力测量值  5参考文献［1］李士勇著模糊控制.神经控制和智能控制［Ｍ］，1998年［2］Tanaka,K.andSugeno,M.StabilityAnalysisandDesignofFuzzyControlSystems［Ｊ］.FuzzySetsandSystems,199