自適應(yīng)模糊pid控制在泵站供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

在高層建筑和生活社區(qū)、中央供暖、花園噴泉和其他地方，大多數(shù)情況下使用直接泵加壓。水泵泵動(dòng)量高，電機(jī)處于高速運(yùn)行，導(dǎo)致大量能源消耗。此外，管道的壓力分配受到嚴(yán)重影響，這影響了管道的使用壽命。優(yōu)化供水系統(tǒng)對(duì)減少消費(fèi)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)小區(qū)供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀,采用多臺(tái)水泵變頻與工頻相結(jié)合,利用自適應(yīng)FuzzyPID控制技術(shù)來(lái)監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),以實(shí)現(xiàn)小區(qū)恒壓供水.系統(tǒng)中,上位機(jī)使用PC機(jī),下位機(jī)使用單片機(jī)AT89C51.因此使系統(tǒng)界面編程能力、數(shù)據(jù)處理、圖表顯示、打印和過(guò)程控制手段等變得更加人性化、形象化.此外,還使用了VB6.0面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言,實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與PC之間的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理、圖表顯示和打印等功能.1水泵控制系統(tǒng)供水系統(tǒng)組成如圖1所示.電機(jī)控制部分主要對(duì)系統(tǒng)的3臺(tái)150kW和1臺(tái)90kW的水泵進(jìn)行控制,而每個(gè)水泵狀態(tài)與可變供電網(wǎng)絡(luò)有關(guān).可變供電網(wǎng)絡(luò)由工頻電網(wǎng)和變頻器提供的變頻電網(wǎng)組成,通過(guò)控制器將各水泵按一定規(guī)律投入工頻電網(wǎng)或變頻電網(wǎng),以達(dá)到最佳配置狀態(tài).每個(gè)水泵都有兩種工作狀態(tài),即變頻和工頻.系統(tǒng)工作時(shí),首先啟動(dòng)1號(hào)泵,使其工作于工頻狀態(tài),然后根據(jù)用戶的實(shí)際用水量投入適當(dāng)?shù)乃门_(tái)數(shù),自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以保證供水管網(wǎng)壓力維持恒定.在正常運(yùn)行時(shí),總有1臺(tái)泵工作且只有1臺(tái)泵工作于變頻狀態(tài),其余泵或者停機(jī),或者工作于工頻狀態(tài).若用水量大,使管網(wǎng)壓力達(dá)不到設(shè)定值,則經(jīng)延時(shí)后,使2號(hào)泵投入變頻工作狀態(tài),進(jìn)行軟啟動(dòng),其速度從零逐漸增加,水壓隨之逐漸增大.當(dāng)2號(hào)泵工作于額定轉(zhuǎn)速,且壓力仍達(dá)不到設(shè)定值時(shí),使其投入工頻電網(wǎng),并停止變頻器工作,又經(jīng)延時(shí)后,將3號(hào)泵投入變頻電網(wǎng)并進(jìn)行軟啟動(dòng).若此時(shí)用水量減少,則水壓升高.當(dāng)水壓高于設(shè)定值時(shí),控制器發(fā)出信號(hào),將1號(hào)泵從工頻電網(wǎng)切除,只有2號(hào)泵調(diào)速運(yùn)行,然后一直保持該狀態(tài),使水壓緩慢增加,最終保持水壓恒定,直到供水結(jié)束,余者類(lèi)推.這樣在變頻方式與市電方式間切換,循環(huán)調(diào)頻,能夠合理利用資源.3臺(tái)泵全速工作時(shí)達(dá)到的水壓值可滿足用戶的需要.此外,本系統(tǒng)還具備報(bào)警和自起動(dòng)功能.當(dāng)微處理器執(zhí)行程序時(shí)檢查到有水泵損壞,水流太小或水壓為0時(shí),就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警程序,打開(kāi)警示燈,以便工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理這些故障.由于微處理器部分工作在弱電狀態(tài)下,而水泵工作時(shí)需要較大的電流或電壓,所以為了保證微處理器控制電路的安全工作和不給微處理器的控制電路帶來(lái)干擾,可用繼電器來(lái)隔離強(qiáng)電和弱電部分.這樣既能保護(hù)系統(tǒng)免受高電壓的損害,又能保證操作人員的安全.2獨(dú)立設(shè)計(jì)模糊pid控制器2.1自適應(yīng)模糊pid控制器常規(guī)數(shù)字增量式PID控制器見(jiàn)下式:u(k)=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]針對(duì)不同對(duì)象,參數(shù)Kp,Ki,Kd需要及時(shí)調(diào)整.本控制系統(tǒng)中,參數(shù)的調(diào)整由模糊推理器來(lái)自動(dòng)完成.為了滿足PID控制器中Kp,Ki,Kd參數(shù)能隨對(duì)象自動(dòng)調(diào)整,使控制達(dá)到滿意的效果,設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊推理器,根據(jù)偏差e和偏差變化率ec實(shí)時(shí)調(diào)整這3個(gè)參數(shù).將PID控制與Fuzzy控制相結(jié)合,并加入自適應(yīng)的思想來(lái)構(gòu)成自適應(yīng)模糊PID控制器.自適應(yīng)模糊PID,就是運(yùn)用自適應(yīng)的基本思想、模糊控制的方法,對(duì)控制器的參數(shù)即PID的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整.將這種控制器用在供水系統(tǒng)中,構(gòu)成自適應(yīng)模糊PID控制恒壓供水系統(tǒng),其控制原理框圖見(jiàn)2.2.2kp、ki、kp的控制規(guī)則一般說(shuō)來(lái),PID控制器結(jié)構(gòu)和算法已經(jīng)確定,控制品質(zhì)的好壞主要取決于控制參數(shù)選擇得是否合理.通常,不同的偏差e和偏差變化率ec對(duì)PID控制器參數(shù)Kp,Ki,Kd的整定要求不同,一般整定原則是:1)當(dāng)|e|較大時(shí),取較大的Kp與較小的Kd,使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能.同時(shí),為了避免出現(xiàn)較大的超調(diào),應(yīng)對(duì)積分作用加以限制,通常取Ki=0.2)當(dāng)|e|處于中等大小時(shí),為了使系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)較小,Kp應(yīng)取小些.該情況下,Kd的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)影響較大,Ki的取值要適當(dāng).3)當(dāng)|e|較小時(shí),為了使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性,Kp與Ki均應(yīng)取大些.同時(shí),為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩,則|ec|較小時(shí),Kd取中等大小;|ec|較大時(shí),Kd取小值.根據(jù)上述的PID整定原則、操作人員和工程專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),建立合適的模糊控制規(guī)則表,Kp,Ki,Kd的控制規(guī)則表見(jiàn)表1～表3.在線運(yùn)行過(guò)程中,計(jì)算機(jī)根據(jù)采樣得到的實(shí)際壓力值,與設(shè)定值進(jìn)行比較,得到當(dāng)前壓力偏差值e;由當(dāng)前偏差值與前一時(shí)刻的偏差值計(jì)算得到壓力偏差變化率ec.得到e與ec的值后,根據(jù)隸屬度函數(shù)得到對(duì)應(yīng)的隸屬度,然后根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里的控制規(guī)則表1～表3,由計(jì)算機(jī)查表得到ΔKp,ΔKi,ΔKd.通過(guò)計(jì)算可得到PID的3個(gè)控制參數(shù)Kp,Ki,Kd,完成對(duì)PID參數(shù)的在線自調(diào)整.3模糊pid控制器的應(yīng)用調(diào)整傳統(tǒng)PID控制器的3個(gè)參數(shù),可以得到比較理想的控制結(jié)果.控制結(jié)果的優(yōu)良與這3個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)有很大關(guān)系,但調(diào)整這3個(gè)參數(shù)比較繁瑣.而采用模糊PID控制后,通過(guò)模糊PID控制器對(duì)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行非線性整定,可使系統(tǒng)在快速性和穩(wěn)定性方面得到比較好的效果.傳統(tǒng)PID和模糊PIDMATLAB仿真所得的曲線分別見(jiàn)圖3和圖4.改用自適應(yīng)模糊PID控制器后,在設(shè)定值為0.9MPa時(shí),系統(tǒng)的上升時(shí)間為2.76min,超調(diào)量為0.47%,調(diào)節(jié)時(shí)間2.8min.可以看出,采用模糊控制策略整定PID參數(shù),相對(duì)于普通PID控制策略,其系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性得到了較大的改善,響應(yīng)時(shí)間大大減少,超調(diào)量也得到了一定程度的改善.4模糊pid應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,模糊自適應(yīng)PID控制能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整Kp,Ki,Kd這3個(gè)參數(shù),因此系統(tǒng)超調(diào)量小,調(diào)節(jié)時(shí)間短,使系統(tǒng)調(diào)節(jié)更精確.與傳統(tǒng)PID控制相比,模糊自適應(yīng)PID控制器的各項(xiàng)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器.此外,筆者研究的模糊PID供水系統(tǒng)還具有以下一些特點(diǎn):1)算法簡(jiǎn)單實(shí)用,本質(zhì)上不依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型;2)可充分利用單片機(jī)的軟件資源,可靠性高,開(kāi)發(fā)速度快;3)克服了傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)的困難,提高了系統(tǒng)的智能化程度;4)模糊P