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圖1  水廠配水控制系統結構圖

圖2  原有供水壓力控制方式

    在基于PID的控制方式下，操作人員通過操作界面設定出廠供水壓力，PLC對壓力設定值和測量值的偏差進行PID運算，并通過變頻器調節配水泵轉速，使出廠供水壓力保持在設定值。供水壓力在配水管網上會產生壓力損失ΔP，ΔP與流量Q有下列關系式：
    ΔP=K*Q²
    其中K為阻力系數。因此只要有流量就會有壓力損失，流量越大，壓力損失也越大。由于配水管網的復雜性，無法計算各用戶處的壓力損失。為了保證用戶的用水壓力，操作人員需要根據配水管網各處遠端測壓點的壓力測量值及出廠水流量對出廠供水壓力設定值進行調整，當測壓點的壓力偏低時，需提高出廠供水壓力，反之則降低出廠供水壓力。這一控制方式實現的是出廠供水壓力的恒定，無法實現配水管網遠端測壓點（用戶處）的恒壓供水。實際運行結果發現這一控制方式存在以下問題：

?  控制精度不高  由于是人工手動設定恒壓供水，控制效果因人而異，無法保證較高精度的恒壓供水，造成用戶的用水壓力波動。
?  適時性差  操作人員不可能時時刻刻盯住各處遠端測壓點壓力，當壓力出現波動時就可能造成調整不及時。
?  勞動強度大  為了達到較好的控制效果，操作人員需不斷地觀察遠端壓力測量值及出水流量，不斷地調整出廠供水壓力設定值。
?  影響節能效果  為了滿足用戶用水壓力，操作人員往往需將出廠水壓適當調高一些，以避免頻繁調整出廠水壓設定值。出廠水壓調高，能耗也相應增加。

3  恒壓供水自動控制原理

    為了解決原有控制方式存在的問題，在單一PID控制的基礎上，結合水廠操作人員的經驗及對大量運行參數的統計分析，在系統增加一模糊（FUZZY）控制器，形成FUZZY +PID的綜合控制方式，使水廠由手動設定恒壓供水轉變為全自動恒壓供水，以實現水廠配水系統的全面自動化。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，配水系統的控制目標參數必須和置于用戶所在地的測壓點壓力聯系起來。由于各測壓點所在地的地勢不同，管網狀況及用水量不同，其壓力的表現也不同。對水廠與水站及各測壓點之間的壓差和供水流量的關系進行統計，建立了壓差―流量曲線，如圖4所示。在制定配水系統的控制目標參數時，根據各測壓點在其中所起作用的不同，為FUZZY控制器建立了控制目標參數―綜合壓力。綜合壓力是將出廠壓力、各測壓點壓力進行加權平均得出的，操作人員通過畫面可以設定包括出廠壓力在內的各測壓點的權值為0～100，FUZZY控制器根據各設定的權值計算出各權值所占的百分數，權值0%表示該測壓點不參與控制，權值100%表示該測壓點等于綜合壓力。

圖4  壓差―流量曲線

     有了綜合壓力這一控制目標參數，自然就引出如何對綜合壓力進行設定的問題。我們采取的辦法是通過設定供水流量最大、中等、最小值，并設定各測壓點對應最大、中等、最小流量值的期望值，通過對這些期望值加權平均就能得到綜合壓力對應最大、中等、最小流量值的期望值，對應實際供水流量值的綜合壓力設定值可通過插值計算得到。FUZZY控制器對綜合壓力設定值和綜合壓力測量計算值進行處理，當測量計算值小于設定值時，FUZZY控制器就增加出廠壓力設定值，反之則減小出廠壓力設定值。

4  FUZZY控制器程序設計

圖5  FUZZY控制器程序框圖

在恒壓供水控制系統中，FUZZY控制程序非常重要，其系統程序如圖5所示，各部分功能如下：

(1)  設定參數

    操作人員通過操作畫面對以下參數進行設定。
    其中，Q_H：最大流量設定值；Q_M：中等流量設定值；Q_L：最小流量設定值；P_H0：最大流量下所期望的出廠壓力設定值，即出廠壓力設定值上限；P_M0：中等流量下所期望的出廠壓力設定值；P_L0：最小流量下所期望的出廠壓力設定值，即出廠壓力設定值下限；P_Hi：最大流量下所期望的測壓點壓力設定值，其中i=1,2…8；PMi：中等流量下所期望的測壓點壓力設定值，其中i=1,2…8；P_Li：最小流量下所期望的測壓點壓力設定值，其中i=1,2…8；K_i：測壓點加權設定值，表示在目標參數―綜合供水壓力中所占的比重，其中i=1,2…8；Kp：出廠供水壓力調整比例系數；Tp：出廠供水壓力調整時間間隔；Dp：供水壓力調整允許偏差。

(2)  數據預處理
    根據測壓點加權設定值Ki計算出各權值所占的百分數形式值K_vi，對各測壓點的狀態進行判斷，當某個測壓點出現通訊故障或測量值不正常時將該測壓點的K_vi置零。

(3)  綜合壓力計算
    根據設定參數及供水流量測量值Q_V、壓力測量值P_vi，分別計算綜合壓力對應最大、中等、最小流量值的期望值P_Hx、P_Mx、P_Lx，綜合壓力設定值S_Px，綜合壓力測量值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Q_V＜Q_L)
S_Px＝S_CP(Q_V,Q_L,Q_M,P_Lx,P_Mx) (當Q_L≤Q_V＜Q_M)
S_Px＝S_CP(Q_V,Q_M,Q_H,P_Mx,P_Hx) (當Q_M≤Q_V＜Q_H)
S_Px＝P_Hx (當Q_H≤Q_V)
P_Vx＝∑(K_vi × P_Vi) (i=0,1,…8)
D_Px＝S_Px－P_Vx

(4)  出廠壓力設定計算
    當|DP_x|>|D_p|，則啟動計時器T_x，否則清T_x；
    當T_x>T_p，且處于自動方式，則計算出廠壓力設定SP₀：SP₀ = SP₀ + K_p×DP_x
    否則返回調用。

5  應用效果

    通過增設模糊控制器程序，將供水壓力控制方式由原來的單一PID控制變為PID控制+模糊控制的綜合控制方式，控制目標參數由出廠水壓轉變綜合供水壓力，使水廠由原來的手動設定恒壓供水轉變為全自動恒壓供水，保證了用水高、低峰時測壓點的綜合壓力達到標準值，節能效果明顯，取得了良好的經濟效益。系統運行近一年來的實際效果良好，真正做到了穩壓安全運行。