基于Fuzzy与PID切换控制的恒压供水系统

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在某发酵厂供水系统中，由于生产工艺的变化所供水量随时间上下浮动，会出现用水量的高峰和低谷，若采用工频水泵供水，在用水高峰时管路压力不足，在用水量低谷时会浪费大量的电能并会造成管路压力过高，使水泵发生故障的机率大大增加。通过采用恒压供水系统控制策略可以在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的n 。系统采用4台变频器控制 4台水泵 ，PLC采用西 门子公司的CPU315-2DP，通过采集管路压力对变频器进行闭环Fuzzy和PID切换控制，使系统供水压力保持恒定。

收稿日期：2012-12-04作者简介：李 毅(1988-)，男，江苏徐州人，主要从事控制工程方面的研究.E-mail：jnliyi-2008###126.com通信联系人：刘 飞，男√授 ，博士生导师.E-mail：vu###jiangnan.edu.ca· 592 · 机 电 工 程 第30卷基于某发酵厂供水系统的工艺，笔者研究设计-套恒压供水系统，使其在供水过程中供水压力保持恒定，节省在供水过程中消耗的能源。

1 系统总体构成该系统采用二层结构，分为监控层与控制层 。

监控层主要包括工业计算机(IPC)，通过WINCC组态软件对水泵运行状态、流量、管路压力等参数进行监控和记录∝制层主要包括$7300系列PLC，控制层主要完成对现场变频器的调速控制和对仪表数据采集等功能。监控层PC机与控制层PLC通过以太网进行通信，以实现整个监控过程。整个系统的结构如图1所示。

监控层控制层图 1 系统结构图PLC的CPU采用s7-315 2DP，以太网通信拈采用CP343-1，PLC站包括2个 AI拈、1个AO拈 、1个DI和1个DO拈。现场水泵变频器采用ABB公司的ASC系列变频器，压力变送器选用罗斯蒙特公司的3501系列压力变送器。

2 控制方法2.1 控制要求由于工艺用水量变化，该系统需要根据工艺用水量变化随时调整水泵转速与投用台数，以保证供水压力恒定。系统的主要要求有：(1)可实现多种变化的启拓制，并保证出水压力恒定；(2)系统包括手动、自动、就地操作功能；(3)应用PLC对变频器操作实现软起动软停止，以减少泵在启停过程中的磨损，并且要保证变频器输出大于最低安全频率以保护变频器的使用寿命；(4)可以对供水过程参数进行任意修改，需实现手动控制输出、压力目标值的任意修改；(5)具有完善的电器安全措施，对过压、过流、过载等状况进行报警。

2.2 控制策略由于恒压供水中，系统只对管路压力进行采样控制，通过运用Fuzzy和PID切换控制算法可以充分满足工业供水要求 ，并且控制过程简单 ，效果较好。系统通过对压力变送器的压力值的采集，把压力转换为4 mA 20 mA的电信号传人PLC中，利用Fuzzy和PID切换控制进行处理运算，其结果通过AO拈转化为4 mA～20 mA的电信号输出到变频器，以控制水泵的转速。变频器是整个系统的核心，根据给定压力与采集压力之间的偏差来估算所需改变的泵的转速，以实现精确的压力控制 ]。

系统中包括4台水泵、4台变频器，每台变频器分别控制相应水泵转速，水泵3台投用，1台备用，通过PLC控制每台水泵的投用与切换，当所测管路压力低于设定压力值时，系统自动加快水泵转速，当水泵转速达到最大值，管路压力仍小于设定值时，延时2 min，自动启动下-台水泵，当前水泵转入工频运行 ，下-台水泵进行变频运行；当所测管路压力大于设定压力时，系统自动降低水泵转速，当水泵转速低于最低安全转速时，延时2 min，自动停止当前水泵，下-台工频运行的水泵转入变频运行，以保证工艺出水压力恒定。整个投切过程采用先启先停的原则 ，循环启停水泵，使每个水泵的运行时间基本相等，为了减少频繁启停对水泵造成影响，在切换过程中都有相应延时，以保证水泵的寿命最长。在整个自动运行过程中，可以更改任意水泵的运行状态为手动 ，并手动输入所需要的转速，对水泵进行手动控制。整个控制过程中，由于工艺要求，不能停泵，故当只有-台水泵运行时，即使管路压力高于设定压力，也不停泵，只控制变频器输出最低安全转速，并同时发出报警音提示工作人员进行下-步操作。当水箱液位到达低限时，自动发出报警音，当水箱液位到达低低限时，为保护水泵，系统将自动停止所有水泵，并发出紧急报警音。

2.3 Fuzzy和PID切换控制器的设计由于水泵的非线性这-特点以及供水系统管网的复杂性，不易建立精确地数学模型，而简单的PID算法也较难整定参数，模糊控制是-种根据长期积累的经验而提出的对现实世界不精确或近似知识的控制方法 ，本研究采用Fuzy和PID切换控制方法 。

该系统将水压力的误差及误差变化率作为输入，采用7个模糊集合对其进行模糊化并将其论域量化为7个等级，即-3，-2，-l，0，1，2，3，系统将三角形作为隶属函数 ，根据现抄验总结的模糊控制规则如表 1所示。本研究采用 if E and EC then U的形式进行描述，如：if EPB and ECPB then UPB，根据这些规第5期 李 毅，等：基于Fuzzy与PID切换控制的恒压供水系统 ·593·则总结出模糊控制关系：n- . R：U × c XUi) (1)fl本研究根据上述论述计算出 后，利用推理合成规则计算U ： XEc)。R (2)本研究离线计算出的 结果如表2所示，最后对进行加权平均法解模糊，最终得到精确输出 。

表1 模糊控制规则表- 3- 2- 101231O3 3 2 O O3 2 0 0 -12 2 O -1 -11 0 -1 -2 -2O -1 -2 -2 -2O -2 -2 -2 -2- 1 -2 -3 -3 -3在恒压供水过程中，水泵把水从清水池送到管网中，压力基本上可以认为保持为零，是-个纯滞后过程 ；在压力上升过程中，水泵把水充满整个管路 ，压力逐渐增加直至达到稳定，可以认为是-个-阶惯性环节。水泵管道系统的数学模型可以等效为-个带纯滞后的-阶惯性环节，即：J；G( e (3)式中： -系统放大倍数， -供水系统惯性时间常数，7--系统纯滞后时间。

参数 、 、丁的确定采用离线开环阶跃响应法：在开环系统下，由控制器输出-个适当幅度的阶跃信号，使水泵转速提高到-定幅度，然后记录水压的变化过程，在根据输人、输出数据进行辨识，系统的辨识结果为： 0.98，Tw10.1，7-2.53，由此得到供水系统的近似模型为：G(5) e之5 (4)根据以上的Fuzzy和PID切换控制构建仿真模型图，并与传统的PID控制相比较，仿真模型图如图2所示。

根据现抄验 ，本研究可以得到压力偏差 的物理论域为[-O.3 0.3]，单位为MPa，由于系统将偏差实际值转化为离散模糊论域中的n时用到了取整公式int(IkEl0.5)，其中k为量化因子，由这个公式可推出当IEI<0.5k时 的取值全部为0，因此，模糊控制就出现了-个盲区 7，根据该系统的实际情况，当压力偏差绝对值小于0.051 MPa的时候采用PID控制 ，其余的时候采用模糊控制器进行控制。另外，根据现场的实际经验可得：当PID的3个参数分别取KI，30，5， 1时，PID的控制效果最佳。

图2 仿真模型图仿真后Fuzzy和PID的切换控制与传统的PID控制器曲线相比较 ，如图3所示 。经 比较分析可知 ，Fuzzy!]PID切换控制效果得到明显的改善，超调量较低、响应速度明显加快，稳态精度得到提高。

f，s图3 仿真波形对比3 系统电路设计系统主要由-台PLC控制4台变频器，来控制泵的转速以达到恒压供水的目的。电路设计采用起-保-停”控制电路，两点控制泵的启动和停止。每路泵的电路中包括热继电器来保护电机，防止过载过流等情况对泵造成损害。每个泵的电路图如图4所示。

整个电路分为现池制部分与PLC控制部分，现· 594 · 机 电 工 程 第30卷场与PLC都可以控制水泵的启动和停止。当 吸合后，变频器 自动对水泵进行变频控制。

- 启动控制继电器； -故障继电器；P。-运行指示灯； -故障指示灯图4 水泵控制电路图4 PLC程序设计PLC和变频器是系统的核心部分，系统稳定运行的关键撒于PLC程序的合理性和可行性以及变频器参数的设定隅圳。程序部分主要分为控制算法部分、水泵的投用与切换部分和报警部分。

4.1 PLC输 出(I，o)口分配整个系统包括 31个I/O点 ，其中AI点包括压力、流量、水箱液位、泵的转速与电流，AO点包括泵转速控制，DI点包括泵的故障与运行信号，DO点包括泵的启动与停止。本研究对泵的启、拓制采用两点控制。

表3 详细I/O清单4.2 软件设计软件设计中依据控制要求与控制策略，利用梯形图编写程序，以达到控制泵启停与调速的目的。系统程序流程图如图5所示。

程序分为手动和自动两种控制方式，手动方式只由PLC输出启停与所设定的转速信号，泵的投切与转速都由人工进行设定。自动控制是由PLC根据管路压力 自动进行泵的投切 ，在 自动控制过程中，也可以把某台或某几台运行的水泵切换成手动模式 ，人工地输入想要控制的转速。整个程序包括组织块OB1，OB35。OB35中主要实现模糊和PID切换控制运算，本研究在OB35中主要调用系统库功能块FB41来进行PID运算和模糊表的查询。OB1中实现程序的主流程。在OB1中，本研究分别调用了模拟量处理功能FC1，泵控制功能FC2，报警功能FC3，手动控制功能FC6，在泵控制功能中调用了选泵功能FC4。整个程序(a)手动控制图5系统程序流程图(b)自动控制第5期 李 毅，等：基：1Fuzzy与PID切换控制的恒压供水系统 ·595·流程如图5所示。

FC1主要把系统的模拟量的输入输出转化为工程量，FC2是整个自动控制的核心程序，其中在增泵与减泵的过程中本研究调用了选泵功能FC4和判断泵运行数量功能FC5，FC4主要实现先启先停的控制策略，以保证各个水泵运行时间大体上-致，延长系统的使用寿命，FC5主要完成对是否有泵可以启动或是否有泵可以停止的判断。FC3主要实现系统参数的报警功能，如液位高低报警，水泵故障报警等功能。FC6主要实现手动控制功能，包括手动启停泵、手动设定泵的转速等功能。

5 上位机监控系统系统上位机采用WINCC组态软件，WINCC是西门子公司推出的HMI/SCADA软件，WINCC不仅对西门子公司的PLC有着很好的支持，而且WINCC有着强大的组态功能，灵活、易用n。。

系统上位机监控画面主要显示水泵运行状态、水泵转速输出、水箱的液位、管路压力、水泵电流等信息，可实现对水泵的手自动切换、单台水泵的停止功能。对于处于手动状态的水泵，操作员可以输入想要的转速来控制水泵运行。当水泵发生故障和管路压力过高过低时，WINCC都会发出报警音提示操作员进行操作，并记录存档。系统运行期间周期性记录管路压力与电流等数据。

当上位机监控画面组态完毕后，本研究需要与下位机 PLC建立通信才能对工业过程进行监控。

WINCC与西门子PLC兼容性非常好，并提供了多种驱动用来与PLC进行通信，最常用的就是通过WINCC与PLC之间建立S7连接nH ，连接的过程如下：(1)首先在组态好的WINCC项目窗口中找到变量管理”