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圖1  水廠配水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2  原有供水壓力控制方式

    在基于PID的控制方式下，操作人員通過(guò)操作界面設(shè)定出廠供水壓力，PLC對(duì)壓力設(shè)定值和測(cè)量值的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，并通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)配水泵轉(zhuǎn)速，使出廠供水壓力保持在設(shè)定值。供水壓力在配水管網(wǎng)上會(huì)產(chǎn)生壓力損失ΔP，ΔP與流量Q有下列關(guān)系式：
    ΔP=K*Q²
    其中K為阻力系數(shù)。因此只要有流量就會(huì)有壓力損失，流量越大，壓力損失也越大。由于配水管網(wǎng)的復(fù)雜性，無(wú)法計(jì)算各用戶處的壓力損失。為了保證用戶的用水壓力，操作人員需要根據(jù)配水管網(wǎng)各處遠(yuǎn)端測(cè)壓點(diǎn)的壓力測(cè)量值及出廠水流量對(duì)出廠供水壓力設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)測(cè)壓點(diǎn)的壓力偏低時(shí)，需提高出廠供水壓力，反之則降低出廠供水壓力。這一控制方式實(shí)現(xiàn)的是出廠供水壓力的恒定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)配水管網(wǎng)遠(yuǎn)端測(cè)壓點(diǎn)（用戶處）的恒壓供水。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果發(fā)現(xiàn)這一控制方式存在以下問(wèn)題：

?  控制精度不高  由于是人工手動(dòng)設(shè)定恒壓供水，控制效果因人而異，無(wú)法保證較高精度的恒壓供水，造成用戶的用水壓力波動(dòng)。
?  適時(shí)性差  操作人員不可能時(shí)時(shí)刻刻盯住各處遠(yuǎn)端測(cè)壓點(diǎn)壓力，當(dāng)壓力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)就可能造成調(diào)整不及時(shí)。
?  勞動(dòng)強(qiáng)度大  為了達(dá)到較好的控制效果，操作人員需不斷地觀察遠(yuǎn)端壓力測(cè)量值及出水流量，不斷地調(diào)整出廠供水壓力設(shè)定值。
?  影響節(jié)能效果  為了滿足用戶用水壓力，操作人員往往需將出廠水壓適當(dāng)調(diào)高一些，以避免頻繁調(diào)整出廠水壓設(shè)定值。出廠水壓調(diào)高，能耗也相應(yīng)增加。

3  恒壓供水自動(dòng)控制原理

    為了解決原有控制方式存在的問(wèn)題，在單一PID控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合水廠操作人員的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)大量運(yùn)行參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，在系統(tǒng)增加一模糊（FUZZY）控制器，形成FUZZY +PID的綜合控制方式，使水廠由手動(dòng)設(shè)定恒壓供水轉(zhuǎn)變?yōu)槿詣?dòng)恒壓供水，以實(shí)現(xiàn)水廠配水系統(tǒng)的全面自動(dòng)化。如圖3所示。

圖3  供水壓力綜合控制方式

    為了保證用戶用水壓力在合理的水平，配水系統(tǒng)的控制目標(biāo)參數(shù)必須和置于用戶所在地的測(cè)壓點(diǎn)壓力聯(lián)系起來(lái)。由于各測(cè)壓點(diǎn)所在地的地勢(shì)不同，管網(wǎng)狀況及用水量不同，其壓力的表現(xiàn)也不同。對(duì)水廠與水站及各測(cè)壓點(diǎn)之間的壓差和供水流量的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建立了壓差―流量曲線，如圖4所示。在制定配水系統(tǒng)的控制目標(biāo)參數(shù)時(shí)，根據(jù)各測(cè)壓點(diǎn)在其中所起作用的不同，為FUZZY控制器建立了控制目標(biāo)參數(shù)―綜合壓力。綜合壓力是將出廠壓力、各測(cè)壓點(diǎn)壓力進(jìn)行加權(quán)平均得出的，操作人員通過(guò)畫面可以設(shè)定包括出廠壓力在內(nèi)的各測(cè)壓點(diǎn)的權(quán)值為0～100，F(xiàn)UZZY控制器根據(jù)各設(shè)定的權(quán)值計(jì)算出各權(quán)值所占的百分?jǐn)?shù)，權(quán)值0%表示該測(cè)壓點(diǎn)不參與控制，權(quán)值100%表示該測(cè)壓點(diǎn)等于綜合壓力。

圖4  壓差―流量曲線

     有了綜合壓力這一控制目標(biāo)參數(shù)，自然就引出如何對(duì)綜合壓力進(jìn)行設(shè)定的問(wèn)題。我們采取的辦法是通過(guò)設(shè)定供水流量最大、中等、最小值，并設(shè)定各測(cè)壓點(diǎn)對(duì)應(yīng)最大、中等、最小流量值的期望值，通過(guò)對(duì)這些期望值加權(quán)平均就能得到綜合壓力對(duì)應(yīng)最大、中等、最小流量值的期望值，對(duì)應(yīng)實(shí)際供水流量值的綜合壓力設(shè)定值可通過(guò)插值計(jì)算得到。FUZZY控制器對(duì)綜合壓力設(shè)定值和綜合壓力測(cè)量計(jì)算值進(jìn)行處理，當(dāng)測(cè)量計(jì)算值小于設(shè)定值時(shí)，F(xiàn)UZZY控制器就增加出廠壓力設(shè)定值，反之則減小出廠壓力設(shè)定值。

4  FUZZY控制器程序設(shè)計(jì)

圖5  FUZZY控制器程序框圖

在恒壓供水控制系統(tǒng)中，F(xiàn)UZZY控制程序非常重要，其系統(tǒng)程序如圖5所示，各部分功能如下：

(1)  設(shè)定參數(shù)

    操作人員通過(guò)操作畫面對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。
    其中，Q_H：最大流量設(shè)定值；Q_M：中等流量設(shè)定值；Q_L：最小流量設(shè)定值；P_H0：最大流量下所期望的出廠壓力設(shè)定值，即出廠壓力設(shè)定值上限；P_M0：中等流量下所期望的出廠壓力設(shè)定值；P_L0：最小流量下所期望的出廠壓力設(shè)定值，即出廠壓力設(shè)定值下限；P_Hi：最大流量下所期望的測(cè)壓點(diǎn)壓力設(shè)定值，其中i=1,2…8；PMi：中等流量下所期望的測(cè)壓點(diǎn)壓力設(shè)定值，其中i=1,2…8；P_Li：最小流量下所期望的測(cè)壓點(diǎn)壓力設(shè)定值，其中i=1,2…8；K_i：測(cè)壓點(diǎn)加權(quán)設(shè)定值，表示在目標(biāo)參數(shù)―綜合供水壓力中所占的比重，其中i=1,2…8；Kp：出廠供水壓力調(diào)整比例系數(shù)；Tp：出廠供水壓力調(diào)整時(shí)間間隔；Dp：供水壓力調(diào)整允許偏差。

(2)  數(shù)據(jù)預(yù)處理
    根據(jù)測(cè)壓點(diǎn)加權(quán)設(shè)定值Ki計(jì)算出各權(quán)值所占的百分?jǐn)?shù)形式值K_vi，對(duì)各測(cè)壓點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)某個(gè)測(cè)壓點(diǎn)出現(xiàn)通訊故障或測(cè)量值不正常時(shí)將該測(cè)壓點(diǎn)的K_vi置零。

(3)  綜合壓力計(jì)算
    根據(jù)設(shè)定參數(shù)及供水流量測(cè)量值Q_V、壓力測(cè)量值P_vi，分別計(jì)算綜合壓力對(duì)應(yīng)最大、中等、最小流量值的期望值P_Hx、P_Mx、P_Lx，綜合壓力設(shè)定值S_Px，綜合壓力測(cè)量值P_Vx，綜合壓力偏差值D_Px。

P_Hx＝∑(K_vi×P_Hi) (i=0,1,…8)
P_Mx＝∑(K_vi×P_Mi) (i=0,1,…8)
P_Lx＝∑(K_vi×P_Li) (i=0,1,…8)
S_Px＝P_Lx (當(dāng)Q_V＜Q_L)
S_Px＝S_CP(Q_V,Q_L,Q_M,P_Lx,P_Mx) (當(dāng)Q_L≤Q_V＜Q_M)
S_Px＝S_CP(Q_V,Q_M,Q_H,P_Mx,P_Hx) (當(dāng)Q_M≤Q_V＜Q_H)
S_Px＝P_Hx (當(dāng)Q_H≤Q_V)
P_Vx＝∑(K_vi × P_Vi) (i=0,1,…8)
D_Px＝S_Px－P_Vx

(4)  出廠壓力設(shè)定計(jì)算
    當(dāng)|DP_x|>|D_p|，則啟動(dòng)計(jì)時(shí)器T_x，否則清T_x；
    當(dāng)T_x>T_p，且處于自動(dòng)方式，則計(jì)算出廠壓力設(shè)定SP₀：SP₀ = SP₀ + K_p×DP_x
    否則返回調(diào)用。

5  應(yīng)用效果

    通過(guò)增設(shè)模糊控制器程序，將供水壓力控制方式由原來(lái)的單一PID控制變?yōu)镻ID控制+模糊控制的綜合控制方式，控制目標(biāo)參數(shù)由出廠水壓轉(zhuǎn)變綜合供水壓力，使水廠由原來(lái)的手動(dòng)設(shè)定恒壓供水轉(zhuǎn)變?yōu)槿詣?dòng)恒壓供水，保證了用水高、低峰時(shí)測(cè)壓點(diǎn)的綜合壓力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，節(jié)能效果明顯，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)運(yùn)行近一年來(lái)的實(shí)際效果良好，真正做到了穩(wěn)壓安全運(yùn)行。