無負壓供水機組的模糊控制系統(tǒng)及其模糊控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及智能控制技術領域，尤其設及一種無負壓供水機組的模糊控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 無負壓供水機組的控制關鍵是能夠保證機組出口的水壓力始終恒定，滿足管網(wǎng)的 壓力需求，同時在管網(wǎng)的用水量產生波動時，機組的控制系統(tǒng)能夠迅速進行反應，穩(wěn)定管網(wǎng) 壓力。運種供水系統(tǒng)有著W下特點：
[0003] 1、非線性
[0004] 水壓隨水累電機轉速發(fā)生變化，但管道內存在的摩擦阻力不可忽視，同時管網(wǎng)多 變量，各變量相互之間交叉禪合，導致水壓力與水累電機轉速之間的關系為非線性關系。 陽005] 2、時變性
[0006] 每一個無負壓供水系統(tǒng)結構都是不同的，在管阻特性和和揚程等方面存在著較大 的差異，很難找到一個通用的、固定的數(shù)學表達式，因此其對象的模型是時變的，無法使用 具有固定控制模型的PID控制方式。
[0007] 3、滯后性
[0008] 系統(tǒng)控制對象是水壓，而水壓的變化是通過流量改變的，水累由初始狀態(tài)開始向 管網(wǎng)進行恒壓供水，直到管網(wǎng)壓力達到穩(wěn)定要求，運個過程時間很長，水壓力并不能隨水累 電機轉速立刻響應；同時，水累出口到用水點的距離也很長，導致系統(tǒng)的響應存在滯后性。
[0009] 常規(guī)的控制方式是采用變頻器或是控制器自帶的PID算法來實現(xiàn)機組出口的水 壓力恒定，但有著W下的缺點：
[0010] 1.工程上的PID算法對于非線性和滯后性強的控制對象，在整定參數(shù)的設置上非 常困難，往往很難獲得良好的靜動態(tài)特性。
[0011] 2.由于無負壓供水系統(tǒng)的時變性很強，無法建立一個通用的數(shù)學模型，因此PID 整定參數(shù)的設定很大程度上完全依賴現(xiàn)場調試人員的經驗，大大增加了系統(tǒng)的不確定性。

【發(fā)明內容】

[0012] 本發(fā)明的目的是為解決目前無負壓供水機組由于非線性、滯后性及時變性，導致 經典PID控制失靈的技術問題。
[0013] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種無負壓供水機組的模糊控制系統(tǒng)，包括 壓力傳感器、比較器、模糊控制器、變頻器和水累；
[0014] 所述壓力傳感器用于測得實際水壓PV ;
[0015] 所述比較器的第一輸入端輸入給定水壓SP，第二輸入端輸入實際水壓PV，輸出端 輸出水壓偏差E = SP-PV ;
[0016] 所述模糊控制器的第一輸入端連接所述水壓偏差E，所述模糊控制器輸出的控制 信號U連接所述變頻器；所述控制信號U根據(jù)所述水壓偏差E的大小調節(jié)所述變頻器的頻 率，進而調節(jié)所述水累的電機轉速，從而在用水量不斷變化時，使所述無負壓供水機組的出 口水壓保持恒定。
[0017] 進一步地，所述比較器輸出的水壓偏差E還送入一微分器的輸入端，所述微分器 輸出水壓偏差變化率EC =祀Mt ;
[0018] 所述模糊控制器還有第二輸入端，所述第二輸入端輸入所述水壓偏差變化率EC， 所述模糊控制器輸出的控制信號U連接所述變頻器；所述控制信號U根據(jù)所述水壓偏差E 和所述水壓偏差變化率EC的大小調節(jié)所述變頻器的頻率，進而調節(jié)所述水累的電機轉速， 從而在用水量不斷變化時，使所述無負壓供水機組的出口水壓保持恒定。
[0019] 進一步地，根據(jù)所述水壓偏差E和所述水壓偏差變化率EC的大小，將所述水壓偏 差E分為N個模糊子集Fi，i = 1……N，將所述水壓偏差變化率EC分為N個模糊子集怖， m = 1……N，根據(jù)專家經驗，從任一對組合（Fi，F(xiàn)m)推理得到控制信號U的模糊子集巧，P =1……N，從而形成模糊推理規(guī)則（(Fi ,Fm)-Fp);
[0020] 將各所述模糊子集Fi、Fm和巧的論域進行量化，各所述模糊子集Fi分別對應一 個精確數(shù)值Rq, q = 1……K，各所述模糊子集Fm分別對應一個精確數(shù)值Rs, S = 1……K， 各所述模糊子集巧分別對應一個精確數(shù)值化，t = 1……L根據(jù)所述模糊推理規(guī)則（(Fi, Fm)-Fp)生成精確化的模糊控制規(guī)則（巧q，Rs)-化），所述模糊控制器根據(jù)所述模糊控制 規(guī)則（巧q，Rs)-Rt)調節(jié)所述變頻器的頻率，進而調節(jié)所述水累的電機轉速，從而在用水量 不斷變化時，使所述無負壓供水機組的出口水壓保持恒定。
[0021] 進一步地，所述模糊子集Fi 和巧的數(shù)量N = 7,所述模糊子集Fi 和巧均 分別為負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。
[0022] 進一步地，所述模糊推理規(guī)則（(Fi，F(xiàn)m) -Fp)為： 陽02引若Fi為負大，且Fm為負大，則巧為正大；
[0024] 若Fi為負中，且Fm為負中，則巧為正大； 陽02引若Fi為負小，且Fm為負小，則巧為正?。?br>[0026] 若Fi為零，且Fm為零，則巧為零； 陽027] 若Fi為正小，且Fm為正小，則巧為負?。?陽02引若Fi為正中，且Fm為正中，則巧為負大； W29] 若Fi為正大，且Fm為正大，則巧為負大。
[0030] 進一步地，所述精確數(shù)值化和Rs的數(shù)量K = 11，所述精確數(shù)值化和Rs均分別 為-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4和5;
[0031] 所述精確數(shù)值化數(shù)量L = 13,所述精確數(shù)值化分別為-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、 1、2、3、4、5 和 6。 陽0巧進一步地，模糊控制規(guī)則（巧q，Rs) -Rt)為：
[0033]若化=-5,且 Rs = -5,則化=6 ; W34]若化=-4,且 Rs = -4,則化=5 ;
[0035] 若化=-3,且 Rs = -2,則化=4 ;
[0036] 若化=-2,且 Rs = -2,則化=3 ;
[0037] 右化二-2,且 Rs 二 0,則化二 2 ; 陽0：38] 若化=-1，且Rs = -1，則化=1 ;
[0039]若化=0,且 Rs = 0,則化=0 ;
[0040] 若化=-I，且 Rs = 3,則化=-I ;
[0041] 若化=0,且 Rs = 1，則化=-2 ;
[0042] 若化=1，且 Rs = 2,則化=-3 ;
[0043] 若化=2,且 Rs = 2,則化=-4 ;
[0044] 若化=4,且 Rs = 1，則化=-5 ;
[0045] 若化=5，且 Rs = 2，則化=-6。
[0046] 進一步地，采用Min-Max重屯、法從所述模糊推理規(guī)則（(Fi, Fm) -Fp)生成所述模 糊控制規(guī)則（巧q，Rs)-化）。
[0047] 進一步地，在所述比較器和模糊控制器之間包括模態(tài)選擇器，所述模糊控制器并 聯(lián)有PID控制器；
[0048] 所述模態(tài)選擇器適于根據(jù)水壓偏差率e =( I SP-PVI /S巧的大小選擇所述模糊控 制器或所述PID控制器，當所述水壓偏差率e《a時，所述模態(tài)選擇器連接所述PID控制器， 所述變頻器由所述PID控制器進行調節(jié)；
[0049] 當所述水壓偏差率e > a時，所述模態(tài)選擇器連接所述模糊控制器，所述變頻器由 所述模糊控制器進行調節(jié)。
[0050] 進一步地，所述PID控制器由可編程邏輯控制器構成。
[0051] 本發(fā)明還提供了一種無負壓供水機組的模糊控制系統(tǒng)的模糊控制方法，包括如下 步驟：
[0052] 根據(jù)所述水壓偏差E和所述水壓偏差變化率EC的大小，將所述水壓偏差E分為N 個模糊子集Fi, i = 1……N;
[0053] 將所述水壓偏差變化率EC分為N個模糊子集Fm, m = 1……N，從任一對組合（Fi， Fm)推理得到控制信號U的模糊子集巧，P = 1……N，形成模糊推理規(guī)則（(Fi, Fm)-Fp);
[0054] 將各所述模糊子集Fi、1?和巧的論域進行量化，各所述模糊子集Fi分別對應一 個精確數(shù)值Rq, q = 1……K，各所述模糊子集Fm分別對應一個精確數(shù)值Rs, S = 1……K， 各所述模糊子集巧分別對應一個精確數(shù)值化，t = 1……L ;
[00對根據(jù)所述模糊推理規(guī)則（(Fi，F(xiàn)m) -Fp)生成精確化的模糊控制規(guī)則（(Rq， I?s)-化）；
[0056] 所述模糊控制器根據(jù)所述模糊控制規(guī)則（巧q，Rs)-Rt)調節(jié)所述變頻器的頻率， 進而調節(jié)所述水累的電機轉速，從而在用水量不斷變化時，使所述無負壓供水機組的出口 水壓保持恒定。
[0057] 本發(fā)明將經典PID控制算法與智能模糊控制算法相結合，在水壓偏差率較小時采 用PID控制算法，其他情況采用模糊控制算法，一方面，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，另一方 面，能很好地適應無負壓供水機組的非線性、滯后性及時變性，可靠地使無負壓供水機組的 出口水壓始終保持恒定，保障供水質量和供水安全。
【附圖說明】
[0058] 圖1為本發(fā)明一個實施例的原理框圖。
[0059] 圖中，壓力傳感器1 ;比較器2 ;微分器3 ;模態(tài)選擇器4 ;模糊控制器5 ;PID控制器 6 ;變頻器7 ;水累8。
【具體實施方式】 W60] 現(xiàn)在結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。運些附圖均為簡化的示意 圖，僅W示意方式說明本發(fā)明的基本結構，因此其僅顯示與本發(fā)明有關的構成，且其不應理 解為對本發(fā)明的限制。
[0061] 如圖1所示的實施例，本發(fā)明的無負壓供水機組的模糊控制系統(tǒng)包括壓力傳感器 1、比較器2、微分器3、模態(tài)選擇器4、模糊控制器5、PID控制器6、變頻器7和水累8,壓力 傳感器1測得水累8的出水口水壓PV，并送至比較器2的一個輸入端，比較器2的另一個輸 入端輸入給定水壓SP，比較器2輸出水壓偏差信號E = SP-PV。水壓偏差信號E分成兩路， 其中一路直接送至模態(tài)選擇器4,另一路送至微分器3的輸入端，微分器3輸出水壓偏差變 化率信號EC并送至模態(tài)選擇器4。模態(tài)選擇器4根據(jù)水壓偏差率G= (I SP-PVI/S巧的大 小選擇模糊控制器2或PID控制器6,當水壓偏差率e《a時，如a = 5%，模態(tài)選擇器4連 接PID控制器6,變頻器7由PID控制器6的輸出信號化進行調節(jié)，進而調節(jié)水累8的電 機轉速，從而在用水量不斷變化時，使無負壓供水機組的出口水壓保持恒定；當水壓偏差率 e > a時，模態(tài)選擇器4連接模糊控制器5,變頻器7由模糊控制器5的輸出信號Um進行調 節(jié)，進而調節(jié)水累8的電機轉速，從而在用水量不斷變化時，使無負壓供水機組的出口水壓 保持恒定。其中PID控制器6由化C(可編程邏輯器件）實現(xiàn)。運樣，用于調節(jié)變頻器7的 夏合枉制f曰號為U = aXUm+(l-a) XUp。
[0062] 當模態(tài)選擇器4連接模糊控制器5時，模糊控制器5的輸出控制信號Um運樣產 生：
[0063] 首先，分別對兩個輸入變量，即水壓偏差E和水壓偏差變化量EC，進行模糊化處 理，E和EC分別被分為7個模糊子集Fi和Fm :負大、負中、負小、零、正小、正中和正大（或 稱為 NB、NM、N