摘要：本文利用模糊控制原理，對(duì)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(jì)思想，采用PLC控制和變頻調(diào)速技術(shù)使系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，對(duì)于單泵站供水具有明顯的推廣應(yīng)用價(jià)值。
　　關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速；變壓；模糊控制
　　中圖分類號(hào)：TU991.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　
　　
　　前言：
　　筆者結(jié)合單泵站供水的特點(diǎn)，根據(jù)對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的分析，確定最不利點(diǎn)位置作為控制點(diǎn)。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(diǎn)，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(jiǎn)單的適應(yīng)性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制穩(wěn)定，適應(yīng)性好的控制器，實(shí)現(xiàn)了一種新的變壓變量供水系統(tǒng)，通過理論上和實(shí)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(yùn)行揚(yáng)程保持不變。為此在水泵出口設(shè)定一個(gè)壓力控制值，并將壓差傳感器設(shè)在水泵機(jī)組的出口干管上，時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速，來維持揚(yáng)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(yáng)程不確定，而是沿管路特性曲線移動(dòng)，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(diǎn)壓力恒定．
　　變頻供水的運(yùn)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(diǎn)是恒壓供水設(shè)計(jì)工況下水泵的工作點(diǎn)，流量為Q2，揚(yáng)程為H2,轉(zhuǎn)速為n0，由于采用了恒壓供水，水泵的揚(yáng)程不變，當(dāng)系統(tǒng)流量由Q2變?yōu)镼1時(shí)，水泵的工作點(diǎn)移至b點(diǎn),水泵的轉(zhuǎn)速由n0下降至n1，點(diǎn)b成為新的工作點(diǎn)，顯然恒壓供水節(jié)省了揚(yáng)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(yáng)程沿管路特性曲線移動(dòng)，當(dāng)流量由Q2變?yōu)镼1時(shí)，自動(dòng)將轉(zhuǎn)速調(diào)至n2，工況點(diǎn)處于c點(diǎn)，相比恒壓供水,進(jìn)一步節(jié)省了揚(yáng)程Δh2,理論上避免了流量減少時(shí)揚(yáng)程的浪費(fèi)，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(cè)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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)、壓力的檢測(cè)、變頻器的輸出頻率控制、開關(guān)量的I/O實(shí)現(xiàn)以及泵的變頻與工頻的轉(zhuǎn)換、以及通過軟啟動(dòng)器對(duì)工頻泵的啟停。主水泵組有3臺(tái)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(shí)用，容量約為主泵的1/3，這樣可以避免調(diào)速泵長(zhǎng)期在低頻下工作對(duì)電機(jī)的傷害。
　　3．控制算法及實(shí)現(xiàn)
　　由于供水管網(wǎng)一般很長(zhǎng)，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(duì)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(jiǎn)單的適應(yīng)性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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(shí)測(cè)壓力Pf－給定壓力Pg
　　相對(duì)偏差δ＝Δ/pg
　　壓力偏差變化率Δ＝ΔI+1－Δi
　　相對(duì)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(jī)或計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，必須對(duì)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(yàn)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(yùn)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(gè)控制規(guī)則確定其適配的程度，并通過加權(quán)計(jì)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(shí)時(shí)控制，根據(jù)系統(tǒng)輸入可能的不同組合離線計(jì)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(shí)現(xiàn)模糊控制；同時(shí)還可以對(duì)表中的單元數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膭?dòng)，從而提高控制性能。
　　4．系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括軟件的設(shè)計(jì)和硬件的選擇，以及控制過程的實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
　　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(jì)算出模糊控制表，并存于ROM中，利用PLC的查表功能設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)控制要求【3】。
　　2）主要功能設(shè)定
　　系統(tǒng)運(yùn)行方式分為手動(dòng)、全自動(dòng)兩種方式，配備外圍輔助電路，以保障自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運(yùn)行，保證連續(xù)生產(chǎn)；變頻器運(yùn)行時(shí)，要對(duì)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(duì)水位、水泵的轉(zhuǎn)速、管網(wǎng)壓力實(shí)施監(jiān)控，對(duì)于危險(xiǎn)情況要設(shè)置報(bào)警信號(hào)，并能自動(dòng)做出反應(yīng)，防止危險(xiǎn)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(diǎn)數(shù)和內(nèi)部繼電器數(shù)，為以后的擴(kuò)容和系統(tǒng)升級(jí)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(dú)特的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）功能是目前最佳的電機(jī)控制方式。根據(jù)預(yù)計(jì)流量設(shè)計(jì)泵站的揚(yáng)程，合理的選擇水泵的容量及臺(tái)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(yùn)行時(shí)效率下降過多，變頻泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率下限fmin=25-30Hz；水泵在工頻運(yùn)行下可能達(dá)到的最大流量Qk和對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程Hk；壓力變送器將采集到的壓力信號(hào)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(dòng)后，根據(jù)流量變化改變頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，使檢測(cè)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(shí)變頻泵投入，變頻泵和工頻泵并聯(lián)運(yùn)行。為避免工頻泵頻繁啟動(dòng)和停止，當(dāng)Q<0.9Qk;時(shí)，工頻泵停止運(yùn)行，由變頻泵單獨(dú)工作。為防止水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，泵的啟停將聯(lián)動(dòng)其出口閥門。當(dāng)該泵達(dá)到最高頻率時(shí)，變頻器將該泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器啟動(dòng)下一臺(tái)泵變頻運(yùn)行，相反當(dāng)泵停止條件成立時(shí)，先停止最先啟動(dòng)的泵。
　　6）設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)節(jié)
　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)供水系統(tǒng)具有時(shí)變、慣性及滯后性的特點(diǎn)，并且難以對(duì)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(gè)生活小區(qū)的使用，節(jié)能效果明顯，實(shí)踐證明是實(shí)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):
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　　ResearchofAVariable-PressureWater-supplysystemBasedonFuzzyControlTechnology