摘要：本文利用模糊控制原理，對變頻調(diào)速變壓供水系統(tǒng)進(jìn)行了研究，介紹了模糊控制策略的設(shè)計思想，采用PLC控制和變頻調(diào)速技術(shù)使系統(tǒng)得以實現(xiàn)。實踐證明系統(tǒng)實時性強，可靠性高，對于單泵站供水具有明顯的推廣應(yīng)用價值。
　　關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速；變壓；模糊控制
　　中圖分類號：TU991.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　
　　
　　前言：
　　筆者結(jié)合單泵站供水的特點，根據(jù)對管網(wǎng)系統(tǒng)的分析，確定最不利點位置作為控制點。并且結(jié)合供水系統(tǒng)難以建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的特點，采用模糊推理和PLC控制相結(jié)合的方式，以模糊控制為核心，加入簡單的適應(yīng)性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，組成結(jié)構(gòu)簡單，控制穩(wěn)定，適應(yīng)性好的控制器，實現(xiàn)了一種新的變壓變量供水系統(tǒng)，通過理論上和實際應(yīng)用上的比較，證明了該系統(tǒng)更加節(jié)能，具有更高的可靠性。
　　1.變頻調(diào)速供水節(jié)能效果分析
　　恒壓變流量供水系統(tǒng)是目前主要的控制方式。不管流量如何變化，通過控制系統(tǒng)，都使水泵運行揚程保持不變。為此在水泵出口設(shè)定一個壓力控制值，并將壓差傳感器設(shè)在水泵機組的出口干管上，時刻監(jiān)控出水口壓力的變化，再通過DDC控制器或PLC控制變頻器和水泵電機轉(zhuǎn)速，來維持揚程（水壓）的恒定【1】。變壓供水方式控制原理和恒壓供水相同，只是壓力設(shè)置不同。它使水泵揚程不確定，而是沿管路特性曲線移動，但變壓供水本質(zhì)上也是一種恒壓，不過將水泵出口壓力恒定變成了控制點壓力恒定．
　　變頻供水的運行工況如圖1所示，A0是水泵的特性曲線，H0是管網(wǎng)的特性曲線。B點是恒壓供水設(shè)計工況下水泵的工作點，流量為Q2，揚程為H2,轉(zhuǎn)速為n0，由于采用了恒壓供水，水泵的揚程不變，當(dāng)系統(tǒng)流量由Q2變?yōu)镼1時，水泵的工作點移至b點,水泵的轉(zhuǎn)速由n0下降至n1，點b成為新的工作點，顯然恒壓供水節(jié)省了揚程Δh1，而沒有考慮Δh2，因此它不是最節(jié)能的供水方式。如果采用變壓供水，使水泵的揚程沿管路特性曲線移動，當(dāng)流量由Q2變?yōu)镼1時，自動將轉(zhuǎn)速調(diào)至n2，工況點處于c點，相比恒壓供水,進(jìn)一步節(jié)省了揚程Δh2,理論上避免了流量減少時揚程的浪費，顯然優(yōu)于恒壓供水.
　　            
　　2．系統(tǒng)的工作原理和組成：
　　2.1系統(tǒng)的工作原理【2】
　　本系統(tǒng)通過壓力傳感器采集管網(wǎng)的壓力，將測到的值與給定壓力比較之后，將壓差送入模糊控制器，并很快求出壓力誤差變化；經(jīng)過模糊控制器的控制規(guī)則推理合成，輸出一個模糊控制量增量，積分后經(jīng)反模糊化處理給出控制量的確切，送給變頻器去控制水泵的轉(zhuǎn)速，并通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)變頻泵和工頻泵的切換，直到水壓滿足要求。
　　              
　　
　　
　　2.2系統(tǒng)組成
　　如圖2所示，系統(tǒng)控制以西門子公司的S7－200型PLC為核心,它包括模擬量輸入輸出通道的實現(xiàn)、壓力的檢測、變頻器的輸出頻率控制、開關(guān)量的I/O實現(xiàn)以及泵的變頻與工頻的轉(zhuǎn)換、以及通過軟啟動器對工頻泵的啟停。主水泵組有3臺水泵組成，利用變頻與工頻的轉(zhuǎn)換，以及泵的啟停來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的水壓；附屬泵供夜間或用水量很小時用，容量約為主泵的1/3，這樣可以避免調(diào)速泵長期在低頻下工作對電機的傷害。
　　3．控制算法及實現(xiàn)
　　由于供水管網(wǎng)一般很長，流量變化緩慢，水壓的調(diào)節(jié)又很大的滯后性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型；通過對變頻調(diào)速供水系統(tǒng)各種控制策略的分析，確定這樣的控制策略：以模糊控制為核心，加入簡單的適應(yīng)性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，組成結(jié)構(gòu)簡單，控制穩(wěn)定，適應(yīng)性好的控制器。
　　3.1模糊控制器
　　控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示：中間部分為普通的模糊控制器，在它的前端加入了變量變換部分，在輸出端加了積分器，組成了變頻變壓供水系統(tǒng)控制器。
　　它以相對壓力偏差δ和偏差變化率δ為輸入，進(jìn)行模糊化和模糊推理，而非模糊化的輸出Δ為增量形式的頻率輸出，經(jīng)由輸出積分器累加后作為頻率給定真正的輸出。
　　                         
　　
　　壓力偏差Δ＝實測壓力Pf－給定壓力Pg
　　相對偏差δ＝Δ/pg
　　壓力偏差變化率Δ＝ΔI+1－Δi
　　相對偏差變化率δ=Δ/pg
　　3.2模糊控制規(guī)則的建立
　　模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心，為了使模糊控制能夠在單片機或計算機上實現(xiàn)，必須對控制規(guī)則進(jìn)行形式化的處理，然后模仿人的模糊邏輯推理過程確定推理方法。模糊控制器根據(jù)經(jīng)驗制定的模糊控制規(guī)則和事先確定好的模糊推理方法，進(jìn)行模糊推理運算，得到模糊輸出盆即模糊輸出隸屬函數(shù)，其目的是用模糊輸入值去適配控制規(guī)則，為每個控制規(guī)則確定其適配的程度，并通過加權(quán)計算合并規(guī)則的輸出。本系統(tǒng)確定模糊控制表如表1所示：
　　                 
　　考慮到供水系統(tǒng)的實時控制，根據(jù)系統(tǒng)輸入可能的不同組合離線計算出控制量，制成一張表格，并將控制表存入ROM中.根據(jù)Δ和Δ的變化方向和大小，模糊控制器就能很方便地從該控制表中查詢所需要采取的控制策略，從而實現(xiàn)模糊控制；同時還可以對表中的單元數(shù)據(jù)根據(jù)實際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膭樱瑥亩�提高控制性能�?br /> 　　4．系統(tǒng)設(shè)計要點
　　該系統(tǒng)設(shè)計主要包括軟件的設(shè)計和硬件的選擇，以及控制過程的實現(xiàn)，在實際設(shè)計過程中，應(yīng)注意以下幾點：
　　1）模糊控制規(guī)則以及模糊控制表的求解
　　確定模糊輸入變量δ、Δ和輸出變量Δ的隸屬度函數(shù)，根據(jù)特定的控制規(guī)則，離線計算出模糊控制表，并存于ROM中，利用PLC的查表功能設(shè)計程序，實現(xiàn)控制要求【3】。
　　2）主要功能設(shè)定
　　系統(tǒng)運行方式分為手動、全自動兩種方式，配備外圍輔助電路，以保障自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運行，保證連續(xù)生產(chǎn)；變頻器運行時，要對變頻器當(dāng)前控制的水泵進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)過載、失速、電壓不正常等情況進(jìn)行保護(hù)；還要對水位、水泵的轉(zhuǎn)速、管網(wǎng)壓力實施監(jiān)控，對于危險情況要設(shè)置報警信號，并能自動做出反應(yīng)，防止危險擴(kuò)大。
　　3）硬件選擇
　　設(shè)備硬件選擇留有余地，特別是PLC的I/O點數(shù)和內(nèi)部繼電器數(shù)，為以后的擴(kuò)容和系統(tǒng)升級做好準(zhǔn)備。本系統(tǒng)選用西門子公司的S7－200型PLC,變頻器選用ABBACS600系列變頻器，其獨特的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）功能是目前最佳的電機控制方式。根據(jù)預(yù)計流量設(shè)計泵站的揚程，合理的選擇水泵的容量及臺數(shù)。
　　4)參數(shù)設(shè)定
　　主要包括：末端用戶要求的出口水壓H和管網(wǎng)水力特性系數(shù)k值；為防止水泵在低轉(zhuǎn)速運行時效率下降過多，變頻泵單獨運行時對應(yīng)的頻率下限fmin=25-30Hz；水泵在工頻運行下可能達(dá)到的最大流量Qk和對應(yīng)的揚程Hk；壓力變送器將采集到的壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20mA的電流。
　　5)水泵的切換以及工頻與變頻的轉(zhuǎn)換
　　變頻泵啟動后，根據(jù)流量變化改變頻率和電機轉(zhuǎn)速，使檢測的水泵出口壓力和管網(wǎng)的水力損失保持一致。當(dāng)Q>Qk時變頻泵投入，變頻泵和工頻泵并聯(lián)運行。為避免工頻泵頻繁啟動和停止，當(dāng)Q<0.9Qk;時，工頻泵停止運行，由變頻泵單獨工作。為防止水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，泵的啟停將聯(lián)動其出口閥門。當(dāng)該泵達(dá)到最高頻率時，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動下一臺泵變頻運行，相反當(dāng)泵停止條件成立時，先停止最先啟動的泵。
　　6）設(shè)計參數(shù)的調(diào)節(jié)
　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)及調(diào)節(jié)要求選用合適的壓差傳感器、變送器和流量傳感器、變送器。選擇恰當(dāng)?shù)陌惭b位置，以滿足系統(tǒng)的控制精度要求。由于引入模糊控制思想，壓差傳感器可直接設(shè)在水泵出口干管上，解決了在用戶末端裝設(shè)壓差傳感器位置難以確定的難題。
　　5．結(jié)論
　　針對供水系統(tǒng)具有時變、慣性及滯后性的特點，并且難以對系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型，本系統(tǒng)采用模糊控制的方式，大大的提高了系統(tǒng)的性能。并且由于采用了變壓變流量的控制要求，使系統(tǒng)節(jié)能效果比恒壓供水有了很大的提高。本系統(tǒng)經(jīng)過幾個生活小區(qū)的使用，節(jié)能效果明顯，實踐證明是實現(xiàn)供水系統(tǒng)智能化，節(jié)能化的一種新途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　
　　
　　參考文獻(xiàn):
　　【1】 王占奎。變頻調(diào)速應(yīng)用百例【M】。北京科學(xué)出版社，2005。
　　【2】 竇振中。模糊邏輯控制技術(shù)及其應(yīng)用【M】。北京航空航天大學(xué)出版社，2006。
　　【3】SIEMENSAD.SiemensPLCSystemManual【M】。Beijing:SiemensHouse,2000
　　
　　
　　
　　ResearchofAVariable-PressureWater-supplysystemBasedonFuzzyControlTechnology