2016年儀表技術(shù)與傳感器2016第3期Instrument Technique and Sens(No.3基于模糊PID的循環(huán)水站恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真王繼,袁宇浩(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣學(xué)院,江蘇南京211816)摘要:通過(guò)分析恒壓供水控制系統(tǒng)在工業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用狀況,根據(jù)總管管網(wǎng)壓力存在非線(xiàn)性和大滯后性的特點(diǎn),設(shè)計(jì)基于整個(gè)供水閉環(huán)控制系統(tǒng)的模糊PID控制,并分析其控制原理和優(yōu)點(diǎn)。利用Matlab對(duì)系統(tǒng)的PID控制.模糊控制和模糊PID控制進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),得出模糊PID控制具有更好的控制效果,能夠使系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定。該控制系統(tǒng)在實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用中取得不錯(cuò)的效果，而且運(yùn)行穩(wěn)定,節(jié)能顯著。關(guān)鍵詞:恒壓供水;閉環(huán);模糊PID;控制系統(tǒng);Matlab;仿真分析中圖分類(lèi)號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002-1841(2016)03-0097-03Design and Simulation of Circulating Water Station Constant PressureWater Supply System Based on Fuzzy PIDWANG Ji, YUAN Yu-hao( College of Automation and Elctrical , Nanjing University of Technology ,Nanjing 211816, China)Abstract :Through the analysis of practical application of constant pressure water supply control system in the industry，andthe duct network pressure has nonlinear and large lag characteristics , based on closed loop control system，the fuzy PID controlwas designed and its control principle and advantages were analyzed. Matlab was used to test and simulate fuzzy control and fuzzyPID control of PID system, and the fuzzy PID control had better control ffect was reached，which can make the system run morestable. The control system has good effect in the practical application ，operates stable, and saves energy obviously .Key words :constant pressure water supply ; closed loop; fuzzy PID; control systerm; Matlab; simulation analysis0引言警。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。循環(huán)水站恒壓供水系統(tǒng)在工業(yè)上應(yīng)用極為廣泛,尤其是化S7- 30PLC ]= t DCS|工、石油、鋼鐵廠及火力發(fā)電廠等一些工業(yè)用水大戶(hù),而且為了節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,目前控制要求越來(lái)越嚴(yán)格。由于傳[報(bào)警}[變頻器統(tǒng)的供水系統(tǒng)對(duì)水資源的浪費(fèi)十分嚴(yán)重,已對(duì)循環(huán)水控制系統(tǒng)d泵[ 壓力傳感器]的穩(wěn)定產(chǎn)生了很大的影響，因此它不能再滿(mǎn)足循環(huán)水系統(tǒng)的控制要求”。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的恒壓供水采用的是一臺(tái)變頻泵帶動(dòng)多臺(tái)工控泵,引用變頻調(diào)速技術(shù),根據(jù)檢測(cè)的管網(wǎng)壓力變化，并b泵通過(guò)模糊PID控制器調(diào)節(jié)恒壓供水系統(tǒng)的閉環(huán)控制回路,保持綜合泵站p文h循環(huán)總管管網(wǎng)壓力的恒定,實(shí)現(xiàn)恒壓供水[ 21。吸水池1循環(huán)水站恒壓供水 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)循環(huán)水站的恒壓供水系統(tǒng)是由1臺(tái)變頻器和4臺(tái)水泵(a，.2 工作原理b,c,d)組成,其中水泵d為變頻泵,可以通過(guò)變頻器的變頻調(diào)綜合泵站將生產(chǎn)用水送入吸水池,作為循環(huán)用水的來(lái)源，速實(shí)現(xiàn)水泵的變頻控制,另外3臺(tái)水泵(a,b,c)為工控水泵,通而且通過(guò)S7-300 PLC控制閥門(mén)的開(kāi)度大小來(lái)控制吸水池的液過(guò)S7-300PLC控制循環(huán)水的管網(wǎng)壓力實(shí)現(xiàn)水泵的自由切換,位。另外PLC將安裝在循環(huán)總管管網(wǎng)末端的壓力傳感器所檢當(dāng)變頻泵的頻率開(kāi)到最大,壓力變送器將測(cè)得的管網(wǎng)壓力傳送測(cè)的管網(wǎng)壓力與預(yù)先設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較,通過(guò)得出的壓力給S7-300 PLC,如果管網(wǎng)壓力值達(dá)不到給定的壓力值就控制開(kāi)差來(lái)控中國(guó)煤化工4臺(tái)循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)的定啟工控水泵,按照a、b、c的順序依次開(kāi)啟。測(cè)量的數(shù)據(jù)送給子溫度MYHCNMH G鎖停機(jī)和報(bào)警,當(dāng)定子的DCS做監(jiān)控, S7-300 PLC與DCS之間要做主從站的通訊,采用溫度超遇145 C,抽本血皮超過(guò)y C ,兩者滿(mǎn)足其一一時(shí),就強(qiáng)Modbus RTU協(xié)議,通過(guò)STEP7的編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。每臺(tái)制停止相應(yīng)的工作泵,從而有效地保證水泵電機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的循環(huán)水泵通過(guò)S7-300PLC設(shè)計(jì)報(bào)瞥功能并在組態(tài)上顯示報(bào)安全,延長(zhǎng)水泵的使用壽命,減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。變頻器可以通過(guò)S7-300PLC的模糊PID控制算法來(lái)控制輸出，通過(guò)比收稿日期:2014-11-04例-微分-積分調(diào)節(jié),從而控制變頻泵d的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)管網(wǎng)的壓)8Instrument Technique and SensorMar. 2016力保持恒定,實(shí)現(xiàn)恒壓供水和節(jié)能的目的5件進(jìn)行相關(guān)的編程,通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)模糊推理過(guò)程,并利用得到1.3恒壓供水 系統(tǒng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)的模糊輸出量對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行不斷的調(diào)節(jié)。直接通過(guò)1.3.1 模糊PID控制結(jié)構(gòu)編程軟件的內(nèi)部指令進(jìn)行模糊PID的在線(xiàn)整定是非常復(fù)雜的,在恒壓供水系統(tǒng)中,管網(wǎng)壓力是經(jīng)過(guò)加權(quán)后得到的,是-難度太大。在實(shí)際的程序設(shè)計(jì)過(guò)程中,通過(guò)Matlab模糊工具箱個(gè)很重要的控制參數(shù),它的測(cè)量值決定著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定,因?qū)ο到y(tǒng)的模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),得到模糊輸出控制表,將控制此對(duì)于控制精度和實(shí)時(shí)性要求比較高。由于本系統(tǒng)中管網(wǎng)壓表中的元素按照從左到右、從上到下的順序存人STEP7的數(shù)據(jù)力是非線(xiàn)性的,擾動(dòng)量大,采用傳統(tǒng)的PID控制效果不理想，而塊中,根據(jù)輸人變量的模糊化后的模糊量進(jìn)行查表,得到相應(yīng)且存在明顯的滯后現(xiàn)象[4。將模糊控制引入系統(tǒng)與PID控制的輸出結(jié)果,實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)整定”。相結(jié)合,設(shè)計(jì)針對(duì)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力的模糊PID控制器。2.2編程 實(shí)現(xiàn)控制:器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,通過(guò)模糊控制確定PID參數(shù)。模糊PID算法在S7-300 PLC中實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)步驟如圖3所偏差e和偏差的變化率ee作為模糊控制的輸人信號(hào),經(jīng)過(guò)模糊示,通過(guò)FB41得到偏差e與偏差變化率ec ,并將它們存人數(shù)據(jù)化后得到模糊控制量E和EC;E和EC通過(guò)模糊推理得到PID塊DB32中,地址分別為DB32.DBD0和DB32.DBD4，接著要判自整定參數(shù)修改值A(chǔ)K,、AK、AKs; X為壓力測(cè)量值,Y為壓力斷e和ec是否超限,如果超限則將。上限或下限值進(jìn)行模糊化,的反饋值。其設(shè)計(jì)思想是通過(guò)找出偏差e和偏差變化率ec與否則直接將e和ec進(jìn)行模糊化[“PID三個(gè)參數(shù)之間的模糊關(guān)系,并在運(yùn)行計(jì)算過(guò)程中不斷的檢模糊化的過(guò)程采用離散精確輸人量的方法,已知模糊子集測(cè)e和ec的值,再根據(jù)模糊規(guī)則對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修正,實(shí)的語(yǔ)言變量選擇為NB,NM,NS ,Z0, PS, PM, PB},模糊論域?yàn)楝F(xiàn)不同E和EC對(duì)應(yīng)不同參數(shù)控制的要求，使控制對(duì)象具有良. [-6,6],偏差e與偏差變化率ec的變化范圍分別為[ -20,20]好的穩(wěn)定性5]。和[-1,1]。將模糊化集成到子程序功能FC120中,在其中主SReEA EC模糊推理要通過(guò)計(jì)算式求出離散到模糊論域上的不斷變化的偏差變量C KecY和偏差變化率Y2,其存儲(chǔ)地址為DB32.DBD8和DB32.SKp| 0R)|sKdPID控制器一一 管網(wǎng)末端壓力一 TLDBD12。根據(jù)模糊子集的三角形隸屬度函數(shù)曲線(xiàn),將模糊論域?qū)?yīng)的語(yǔ)言變量的隸屬度存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊DB33中,地址從壓力變送器DB33.DBD0- DB33.DBD192。找出Y和Y2在論域上的最大隸屬函數(shù)所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量,該語(yǔ)言變量確定的模糊集合即為模圖2模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)糊化輸人E和EC,它們?nèi)匀淮鎯?chǔ)在DB32.DBD8和DB32.1.3.2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)模糊PID控制主要包括對(duì)模糊輸人量進(jìn)行模糊化模糊推DBD12中。理調(diào)用由專(zhuān)家和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來(lái)的模糊規(guī)則庫(kù)、就可以得到PID通過(guò)Matlab模糊工具箱設(shè)計(jì)系統(tǒng)的模糊控制器,在離線(xiàn)的自整定參數(shù)修改值A(chǔ)Kp、AK;、AK,最后去模糊化，整個(gè)模糊條件下可以通過(guò)計(jì)算得到AK。OK;、AK,3個(gè)輸出變量的模糊PID的設(shè)計(jì)就包括這幾個(gè)過(guò)程?？刂撇樵?xún)表,并分別將它們按照從上到下按順序依次存人編程恒壓供水系統(tǒng)控制回路中管網(wǎng)壓力偏差e和偏差的變化軟件STEP7的數(shù)據(jù)塊DB34. DB35 和DB36中。為了便于地址率ec作為輸人量,PID控制器的3個(gè)控制參數(shù)的變化率OK。、的查詢(xún),以防尋址過(guò)程中出現(xiàn)負(fù)值的情況,將模糊論域[-6,6]OK, .AK,作為輸出量,管網(wǎng)壓力給定值X= 500K,e=Y-X。e轉(zhuǎn)換為[0,12] ,然后采用基址+變址的尋址方式進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún),和ec是輸入量偏差e和偏差的變化率ec的模糊變量,它們的論其中基址為輸出值的對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊首地址,變址是利用每次采域都取為[ -6,6];PID三個(gè)輸出控制參數(shù)的論域取為[-1,1]。樣的e和ec,根據(jù)算式ecx13+e計(jì)算得到。尋址后便可得到根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和處理方便,e、ec 、OK。OK;和△K,模糊子集的語(yǔ)△K。、AK,、AK。,最后根據(jù)相應(yīng)的公式便可得出最終的PID輸出言變量值都選擇7檔,為{NB,NM,NS, Z0, PS,PM,PB}。選擇量,對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)行變頻控制,并反饋回新的管網(wǎng)壓力,進(jìn)行下三角形作為輸人輸出模糊子集的隸屬函數(shù)的方法[0]。根據(jù)現(xiàn)循環(huán)的計(jì)算。場(chǎng)的操作人員經(jīng)驗(yàn)和不斷仿真的實(shí)驗(yàn)，最終確定3個(gè)輸出參數(shù)3 MATLAB 仿真分析AKp、AK;、AK.的模糊控制規(guī)則表。模糊推理是利用系統(tǒng)的模3.1 構(gòu)建模糊推理系統(tǒng)糊輸人量e和ec,調(diào)節(jié)PID的3個(gè)參數(shù),實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)自整定,映射通過(guò)計(jì)管機(jī)信直共術(shù)能夠非當(dāng)有效而且直觀的去分析控過(guò)程為eXec→OKpxOK;x△K。去模糊化的過(guò)程選用輸出結(jié)果制系統(tǒng)中國(guó)煤化工'很大的便利,具有非常重更為平滑的加權(quán)平均值法,可以得到清晰輸出值△K。要的實(shí)MHCN M H G明工具箱構(gòu)建模糊推理系2模糊PID控制算法的實(shí)現(xiàn)統(tǒng),通過(guò)Matlab的圖形可視化工具,可以對(duì)整個(gè)推理過(guò)程進(jìn)行2.1設(shè)計(jì)思 路分析最后得到如圖4所示的曲面觀察器,通過(guò)曲面觀察器,可循環(huán)水站恒壓供水系統(tǒng)是通過(guò)S7-300進(jìn)行控制的,將模以從整體.上觀察輸入輸出量的立體曲面及變化情況,更直觀的糊PID控制的算法應(yīng)用在S7-300PLC中,需要通過(guò)STEP7軟看到模糊控制的過(guò)程”。第3期王繼等:基于模糊PID的循環(huán)水站恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真99初始化.口Surface Viewers 管同壓力控制↓組織塊OB35調(diào)用士調(diào)用FB41并設(shè)置調(diào)公公相天將輸入量e和ec存入DB32「xopan道gnse和ec.將超限值設(shè)為超限?上限或下限RethetChseR模糊化并將模糊化后的圖4曲面觀察界面3.2模糊PID的仿真模糊推理得到通過(guò)Matlab中的Simulink工具建立分別PID控制、模糊控Kp AK、AK。_制和模糊PID控制系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)模型,其中模糊PID控制系計(jì)算當(dāng)前的Kp.K. K。統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中step1表示單位階躍函數(shù),Fvi2y conttrol 表示兩輸入三輸出模糊控制模塊, Interpreter表示PID輸出對(duì)循環(huán)積分,Derivative表示微分,Gain表示放大倍數(shù),Product表示乘水泵進(jìn)行變頻控制積,TransterFcn表示系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，TranspertDelay表示延時(shí),Swpe1表示濾器利用模糊控制模塊和PID相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)PID圖3自適應(yīng)模糊PID在PLC中的編程實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自整定,仿真相應(yīng)曲線(xiàn)如圖6所示。ki_一cc kaghProduetFuzzy control92.37SteplGain0L 182.08+11Productl+ ++10.05>Transfer Fen TransferScopelx- AddDelayIntegrator Gainl地Product2→+du/dt +25Derivative Gain2圖5模糊PID仿真結(jié)構(gòu)圖14廠線(xiàn)的超調(diào)量明顯變小，上升時(shí)間縮短,調(diào)節(jié)時(shí)間加快,系統(tǒng)穩(wěn)定.2-性更好。另外自適應(yīng)模糊PID控制更是解決了恒壓供水過(guò)程中壓力頻繁波動(dòng)的情況,壓力范圍較大時(shí),可以通過(guò)較快的響.0應(yīng)速度迅速的維持壓力的恒定,壓力波動(dòng)較小時(shí),可以改變PID地0.參數(shù)降低調(diào)節(jié)的速度,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的調(diào)節(jié)。80.4結(jié)束語(yǔ)哥通過(guò)分析循環(huán)水系統(tǒng)供水部分的結(jié)構(gòu)、工作原理和控制要0.4-求,設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)。根據(jù)供水系統(tǒng)存在的大擾動(dòng)和大滯后性等特盧設(shè)計(jì)檔糊PIP控制器利甲Matlab的模糊控制工具中國(guó)煤化工，箱建立'ID控制器下進(jìn)行仿真實(shí)1002003004005006007008009001000單位階躍信號(hào)驗(yàn),得出.MHCNM H G更穩(wěn)定.超調(diào)小調(diào)節(jié)時(shí)間短,響應(yīng)速度快。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于新疆某硅業(yè)公司,系圖6模糊PID 的仿真曲線(xiàn)統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定而且效果顯著,基本達(dá)到預(yù)期節(jié)能減排的目標(biāo)。模糊控制與PID相結(jié)合的技術(shù)有效的改善了響應(yīng)速度、調(diào)參考文獻(xiàn):節(jié)時(shí)間與超調(diào)三者之間的矛盾關(guān)系,模糊PID控制下的仿真曲(下轉(zhuǎn)第104頁(yè))104Instrument Technique and SensorMar. 2016旦失效,就提前運(yùn)行FLCHE方案。仿真結(jié)果表明，提出的tending cluster lifetime using backup cluster heads in cluster basedFLCHE方案能夠有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。wireless sensor networks[ C] .in IEEE 6th Intemational Conference on參考文獻(xiàn):Wirelessand Mobile Computing, Networking and Communications[1]沈艷霞,薛小松.無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)路徑優(yōu)化策略[J].傳( WiMob) ,2010:479-485.感器與微系統(tǒng),2012,31(12) :42-46.9] HUSSAIN E ,ZHANG X ,CHAO L.Fuzxy based smart seletion of elus-[2]歸奕紅.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)HEDSA數(shù)據(jù)聚合研究[J].計(jì)算機(jī)工程,ter head with backup support in wireless sensor network[C] .in 8th In-2011 ,37(7):160- 164.termational Conference on Computing and Networking Technology (I[3] IZADI D, ABAW AKU J, GHANAVATI S.Quality control of sensor net-CNT) ,2012:235-239.work da[J]J]n Advanes in Automation and Robotics ,2012,3(1): [10] IADI P D, ABAWAJY J.CHANAVATI S.A new enery eficientecluster- Hhead and backup selection scheme in WSN[ C]. in IEEE467-480.4] CHENGCT,TSE C K,LAU F C.A clustring algorithm for wireles14th Intermational Conference on Information Reuse and Integration( IRI) ,San Francisco , 2013 :408-415.sensor networks based on social insect colonies [ J ] . 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Recent Advances in Computer Science and數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和示功圖繪制,降低了抽油機(jī)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的建Information Enginering ,2012, 192:339- 344.3]王凱. 基于模糊PID的恒壓供水系統(tǒng):[D].淄博:山東理工大學(xué),設(shè)難度和成本,具有廣泛的應(yīng)用前景。2009.[1]鄭長(zhǎng)明,張加勝,朱辰星,等.抽油機(jī)變頻節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的一-種功能[4] Al-GHAMDI A S.Performance Analysis of Automated Control System forCondenser Water Treatment Unit [J]. Engineering ,2012, 4(1):35-39.擴(kuò)展和通訊控制結(jié)構(gòu):CN204166336U[P].2015-02-18.2]沈建良, 賈玉坤,周芬芬,等.STM32F10X系列ARM微控制器入門(mén)[5]謝仕宏,朱曉聰,姜麗波.模糊PID控制算法在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 25(2): 109-112.與提高[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2013.3]曲剛,孫永興.抽油機(jī)智能化變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].陜西師范大[6] XIA s. Constant Pressure Water Supply System Based on Fuzzy PID學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ,2005 ,S1:241-243.Contro[J]. Applied Mechanies and Materials , 2011,4( 1):3459 -[4]姜玉葉,丁保華,趙志科,等.基于0PC和GPRS的空壓機(jī)遠(yuǎn)程通3462.信狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(3):107- 110.[7] 黃衛(wèi)華,方康玲.模糊控制系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版5]王雅薈,楊雷鵬,范蟠果.基于ZigBee技術(shù)的油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的社,2012.設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2013(2) :374-376.中國(guó)煤化工的循環(huán)水站控制系統(tǒng)[J].儀表[6]姜建勝,林立，由宏君,等有桿抽油系統(tǒng)無(wú)級(jí)調(diào)沖次工藝研究[J].CNMH G.石油學(xué)報(bào),2005(2):111-114.[9] 石平氏，中亞舊.厭閘工則儀共IMuAiLAB仿真[M].北京:清華大作者簡(jiǎn)介:陳瑞(1992- ) ,碩士研究生,主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏﹄娮优c電學(xué)出版社,2008.氣傳動(dòng)。Emil:cherui012@ foxmail.com作者簡(jiǎn)介:王繼(1989- -). 碩t,主要研究方向?yàn)楣I(yè)過(guò)程控制。張加勝(1957-) ,教授,博士,主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏﹄娮优c電E mail: wangil 1989627@ sina.com氣傳動(dòng).電力系統(tǒng)分析與應(yīng)用。E-mail: zjsycy2003@ 126.com袁字浩(1976--),博士,副教授,研究方向?yàn)楣I(yè)過(guò)程控制。