基于变频恒压供水系统的复合控制

范永胜 赵云龙 祁增慧

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000;2.张家口市供水总公司，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着我国城镇化的快速发展，城市居民供水管网分布范围越来越广，而对于我国北方的许多山城供水管网铺设更为复杂，其滞后、非线性等特点越发严重.随着我国人民物质生活的极大提高，对生活的质量要求愈发精细，这体现在对供水的质量和可靠性要求不断提高，传统的供水策略已经不能够完全的满足人民群众对供水系统的要求.

图1 双储模式恒压供水系统

传统的供水系统一般采用单纯PID控制策略，其缺点是动态性能指标不很理想，尽管其精度高和静态性能好，但其效果仍然无法达到较为满意的程度.模糊控制技术可使控制系统在特性或参数发生变化时仍可使系统性能保持相当的稳定性，亦即其鲁棒性较好，但是其调节精度对于PID控制而言不高.综观上述二种控制方案，它们具有非常好的互补性，故该供水系统根据自身性能需求，将模糊控制技术和传统PID控制融合于一体，使它们彼此都发挥出自己的控制优势，构成模糊PID复合控制，这种控制策略可使恒压供水系统的动、静态性能指标明显优于单纯的PID和单纯的模糊控制，该策略应用于基于双储模式的供水系统，取得了很好的控制效果.

1 双储模式恒压供水系统

双储模式恒压供水系统如图1所示.系统由城市管网、小区用户管网、贮水池、气压罐、阀门、水泵、变频装置、PLC及压力传感器等组成.气压罐的引入可以起到降低能耗的作用.

系统将安装系统前端的压力传感器采集到的实时压力信号通过定时中断指令反馈到PLC的模拟量输入模块，经过模数转换后和PLC内部设定的水压给定值比较，然后经过内部的控制算法产生控制量，再通过PLC控制器的模拟量输出模块转化为模拟量的电信号，由其去控制变频装置的输出频率，从而调节水泵电机的转速，并根据水压的需求由PLC控制器控制各个水泵在电网与变频器输出端之间进行切换，从而使系统始终处于最佳的恒压工作状态.

对于非线性、时变性特点显著的供水系统，由于各变量之间存在相互影响，从而难以建立精确的数学模型，所以仅仅采用PID控制达不到理想的控制效果.将模糊控制应用于传统PID控制的供水系统，可以提高控制系统的动态性能，达到理想的控制效果.

2 变频恒压供水系统的模糊控制策略

模糊控制是利用模糊逻辑建立的非线性控制算法，在那些定量分析过程过于复杂的控制系统中引入该算法，最终能够取得相当明显的控制效果.

2.1 模糊控制流程图

图2 恒压供水模糊控制流程图

系统经过用户的定时中断指令获取管网前端压力传感器采集到的水压信号，然后将该信号与水压给定值比较得到水压误差信号E.我们将单位时间内E的变化量EC及E一起作为模糊控制的输入信号.把E和EC的精确量进行模糊化处理，使其变成模糊量，对模糊量依据某种规则进行模糊推理，并对推理结果进行解模糊得到输出量以用于变频器的输入.由此思路可得该双储变频恒压供水系统的模糊控制流程图如图2所示.

2.2 模糊控制规则表的生成

本系统采用查表法，所以建立模糊控制表至关重要.以E及其变化率EC作为输入变量，以变频装置频率的变化量U作为输出变量.建立E、EC、U的模糊子集，其模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，各元素的含义为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB).把它们的论域化为9个等级(-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4)，根据模糊集合建立三角形隶属函数，然后根据实际的工作经验总结出模糊控制规则，从而建立模糊控制规则表见表1所示.

表1 模糊控制规划表

2.3 模糊查询表

经过上述的处理可以得到模糊查询表，见表2所示.

表2 模糊查询表

3 程序的设计

3.1 硬件简介

综合考虑各种因素，选用控制器的主机型号为CPU226的S7-200型PLC，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入为24点，输入形式为+24V直流输入.考虑到处理模拟量的需要，模拟量输入输出模块选用的是EM235.变频控制装置选用安川VS616G5变频器.

3.2 复合控制流程图

将传统的PID控制和模糊控制相互融合，就构成了模糊PID复合控制系统.实施时的控制策略是以E的大小作为决策的依据，在E较大时采用模糊控制，以提高动态性能，加大系统自适应能力；在E较小时采用PID控制，以提高控制精度，控制流程图见图3所示.具体实施时PID控制算法和模糊控制算法均由PLC的用户程序实现即可.

图3 模糊PID复合控制流程图

PLC用户程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序.按照程序的功能来分，主要由初始化程序、水泵电机启动程序、水泵电机变频与工频柔性切换程序、水泵电机换机程序、模拟量比较计算程序和报警程序等构成.其中，比较主要的是PID控制程序和模糊控制程序.

3.3 PID控制的PLC程序设计

用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用PID控制模块、使用PID功能指令和用自编程序实现PID闭环控制三种方法.其中，使用PID功能指令编写PID程序实际上是用PID控制的子程序，与模拟量输入/模拟量输出一起使用，可以得到类似于使用PID特殊功能模块的效果，但与之相比较价格便宜很多，本设计采用该方法.

在主程序中使用定时中断0以固定时间间隔去执行PID中断程序.在程序的设计中将PID回路指令的起始地址TBL设为了VB300，则VD304存储了压力设定值，比例系数、采样时间、积分时间、微分时间分别由VD312、VD316、VD320和VD324储存.由于PID控制程序的设计已经比较成熟，在此省略.下面重点对模糊控制的程序进行设计

3.4 模糊控制的PLC程序设计

模糊控制部分程序的设计主要体现为如何使用模糊查询表.在S7-200PLC指令系统中有一个表存存储指令ATT，该指令有两个数据输入端DATA和TBL.DATA为数据输入，指出将被储存的字型数据；TBL为表格的首地址，用于指明被访问的表格.设计过程中，因为模糊查询表中共有81个数据，所以TBL中的第一个数VW0为0081，表示TL为81，即最大填表数为81.TBL中的第二个数VW2表示实际填表数EC，每向表中存一个数据，实际填表数EC自动加1，新存的数据添加在表中最后一个数据的后面，实际填表过程中EC由数据0变化到数据80.使用S7-200PLC表存存储指令ATT(Add To Table)设计的模糊控制应用程序见图4所示.

图4 实现模糊控制的梯形图程序

由于负数在PLC程序处理过程中既不方便又容易出现错误，所以把模糊查询表中的所有数字都加上4从而得到个一个非负的新表.新表的数据从上到下自左到由记为0～80.

我们把模糊查询新表中用编号0到编号80表示的81个数据用ATT指令存入表VW0中，放于VW4～VW164中.把经过加偏移量后的E＇、EC＇分别存入166、VW104中，把U′=7*E′+EC′存入VW170中，再通过表查找指令FND(Table Find)找出与VW170中的内容相等的数据，如果找到符合条件的数据，则将该数据的表中地址装入INDX，并把该数据传入VW172中.如果VW172中的值为0，1，2，9，10，11，18，19，27，28，36，45时利用传送指令(MOV_W)把8送到VW200中，如果VW172中的值为3，4，5，12，13，20，21，29，37，46，54，63时利用传送指令(MOV_W)把7送到VW200中.同理，分别把6～0送到VW200中，此时VW 200中的值减去上述所加的偏移量再乘以因子KU可得到精确量，即U*=Ku×U′，把U*存入VW202中便可作为控制对象的量.

4 结 语

本文所介绍的变频恒压供水复合控制系统不仅克服了传统供水系统中运行不可靠、能耗大等缺点，使水压更加稳定，而且基于查表的方式在S7-200上实现了模糊控制，避开了复杂的计算，弥补了PLC计算能力较差的弱点，使程序简单，便于维护，它是对当前供水系统的优化和完善.