基于模糊PID的循环水站恒压供水系统的设计与仿真

2016年仪表技术与传感器2016第3期Instrument Technique and Sens(No.3基于模糊PID的循环水站恒压供水系统的设计与仿真王继,袁宇浩(南京工业大学自动化与电气学院,江苏南京211816)摘要:通过分析恒压供水控制系统在工业上的实际应用状况,根据总管管网压力存在非线性和大滯后性的特点,设计基于整个供水闭环控制系统的模糊PID控制,并分析其控制原理和优点。利用Matlab对系统的PID控制.模糊控制和模糊PID控制进行仿真实验,得出模糊PID控制具有更好的控制效果,能够使系统的运行更加稳定。该控制系统在实际项目的应用中取得不错的效果，而且运行稳定,节能显著。关键词:恒压供水;闭环;模糊PID;控制系统;Matlab;仿真分析中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号: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。系统的结构图如图1所示。循环水站恒压供水系统在工业上应用极为广泛,尤其是化S7- 30PLC ]= t DCS|工、石油、钢铁厂及火力发电厂等一些工业用水大户,而且为了节约成本，实现节能减排,目前控制要求越来越严格。由于传[报警}[变频器统的供水系统对水资源的浪费十分严重,已对循环水控制系统d泵[ 压力传感器]的稳定产生了很大的影响，因此它不能再满足循环水系统的控制要求”。本系统设计的恒压供水采用的是一台变频泵带动多台工控泵,引用变频调速技术,根据检测的管网压力变化，并b泵通过模糊PID控制器调节恒压供水系统的闭环控制回路,保持综合泵站p文h循环总管管网压力的恒定,实现恒压供水[ 21。吸水池1循环水站恒压供水 系统的设计1.1 系统结构图1系统结构循环水站的恒压供水系统是由1台变频器和4台水泵(a，.2 工作原理b,c,d)组成,其中水泵d为变频泵,可以通过变频器的变频调综合泵站将生产用水送入吸水池,作为循环用水的来源，速实现水泵的变频控制,另外3台水泵(a,b,c)为工控水泵,通而且通过S7-300 PLC控制阀门的开度大小来控制吸水池的液过S7-300PLC控制循环水的管网压力实现水泵的自由切换,位。另外PLC将安装在循环总管管网末端的压力传感器所检当变频泵的频率开到最大,压力变送器将测得的管网压力传送测的管网压力与预先设定的压力值进行比较,通过得出的压力给S7-300 PLC,如果管网压力值达不到给定的压力值就控制开差来控中国煤化工4台循环水泵电动机的定启工控水泵,按照a、b、c的顺序依次开启。测量的数据送给子温度MYHCNMH G锁停机和报警,当定子的DCS做监控, S7-300 PLC与DCS之间要做主从站的通讯,采用温度超遇145 C,抽本血皮超过y C ,两者满足其一一时,就强Modbus RTU协议,通过STEP7的编程实现数据的传输。每台制停止相应的工作泵,从而有效地保证水泵电机和现场环境的循环水泵通过S7-300PLC设计报瞥功能并在组态上显示报安全,延长水泵的使用寿命,减少企业的经济损失。变频器可以通过S7-300PLC的模糊PID控制算法来控制输出，通过比收稿日期:2014-11-04例-微分-积分调节,从而控制变频泵d的转速，调节管网的压)8Instrument Technique and SensorMar. 2016力保持恒定,实现恒压供水和节能的目的5件进行相关的编程,通过编程实现模糊推理过程,并利用得到1.3恒压供水 系统模糊PID控制器设计的模糊输出量对PID的3个参数进行不断的调节。直接通过1.3.1 模糊PID控制结构编程软件的内部指令进行模糊PID的在线整定是非常复杂的,在恒压供水系统中,管网压力是经过加权后得到的,是-难度太大。在实际的程序设计过程中,通过Matlab模糊工具箱个很重要的控制参数,它的测量值决定着整个系统的稳定,因对系统的模糊控制器进行设计,得到模糊输出控制表,将控制此对于控制精度和实时性要求比较高。由于本系统中管网压表中的元素按照从左到右、从上到下的顺序存人STEP7的数据力是非线性的,扰动量大,采用传统的PID控制效果不理想，而块中,根据输人变量的模糊化后的模糊量进行查表,得到相应且存在明显的滞后现象[4。将模糊控制引入系统与PID控制的输出结果,实现对PID参数进行实时整定”。相结合,设计针对系统管网压力的模糊PID控制器。2.2编程 实现控制:器的结构如图2所示,通过模糊控制确定PID参数。模糊PID算法在S7-300 PLC中实现的设计步骤如图3所偏差e和偏差的变化率ee作为模糊控制的输人信号,经过模糊示,通过FB41得到偏差e与偏差变化率ec ,并将它们存人数据化后得到模糊控制量E和EC;E和EC通过模糊推理得到PID块DB32中,地址分别为DB32.DBD0和DB32.DBD4，接着要判自整定参数修改值AK,、AK、AKs; X为压力测量值,Y为压力断e和ec是否超限,如果超限则将。上限或下限值进行模糊化,的反馈值。其设计思想是通过找出偏差e和偏差变化率ec与否则直接将e和ec进行模糊化[“PID三个参数之间的模糊关系,并在运行计算过程中不断的检模糊化的过程采用离散精确输人量的方法,已知模糊子集测e和ec的值,再根据模糊规则对3个参数进行在线修正,实的语言变量选择为NB,NM,NS ,Z0, PS, PM, PB},模糊论域为现不同E和EC对应不同参数控制的要求，使控制对象具有良. [-6,6],偏差e与偏差变化率ec的变化范围分别为[ -20,20]好的稳定性5]。和[-1,1]。将模糊化集成到子程序功能FC120中,在其中主SReEA EC模糊推理要通过计算式求出离散到模糊论域上的不断变化的偏差变量C KecY和偏差变化率Y2,其存储地址为DB32.DBD8和DB32.SKp| 0R)|sKdPID控制器一一 管网末端压力一 TLDBD12。根据模糊子集的三角形隶属度函数曲线,将模糊论域对应的语言变量的隶属度存储在数据块DB33中,地址从压力变送器DB33.DBD0- DB33.DBD192。找出Y和Y2在论域上的最大隶属函数所对应的语言变量,该语言变量确定的模糊集合即为模图2模糊PID 控制器结构糊化输人E和EC,它们仍然存储在DB32.DBD8和DB32.1.3.2 模糊PID控制器设计模糊PID控制主要包括对模糊输人量进行模糊化模糊推DBD12中。理调用由专家和经验总结而来的模糊规则库、就可以得到PID通过Matlab模糊工具箱设计系统的模糊控制器,在离线的自整定参数修改值AKp、AK;、AK,最后去模糊化，整个模糊条件下可以通过计算得到AK。OK;、AK,3个输出变量的模糊PID的设计就包括这几个过程。控制查询表,并分别将它们按照从上到下按顺序依次存人编程恒压供水系统控制回路中管网压力偏差e和偏差的变化软件STEP7的数据块DB34. DB35 和DB36中。为了便于地址率ec作为输人量,PID控制器的3个控制参数的变化率OK。、的查询,以防寻址过程中出现负值的情况,将模糊论域[-6,6]OK, .AK,作为输出量,管网压力给定值X= 500K,e=Y-X。e转换为[0,12] ,然后采用基址+变址的寻址方式进行数据查询,和ec是输入量偏差e和偏差的变化率ec的模糊变量,它们的论其中基址为输出值的对应的数据块首地址,变址是利用每次采域都取为[ -6,6];PID三个输出控制参数的论域取为[-1,1]。样的e和ec,根据算式ecx13+e计算得到。寻址后便可得到根据专家经验和处理方便,e、ec 、OK。OK;和△K,模糊子集的语△K。、AK,、AK。,最后根据相应的公式便可得出最终的PID输出言变量值都选择7档,为{NB,NM,NS, Z0, PS,PM,PB}。选择量,对循环水泵进行变频控制,并反馈回新的管网压力,进行下三角形作为输人输出模糊子集的隶属函数的方法[0]。根据现循环的计算。场的操作人员经验和不断仿真的实验，最终确定3个输出参数3 MATLAB 仿真分析AKp、AK;、AK.的模糊控制规则表。模糊推理是利用系统的模3.1 构建模糊推理系统糊输人量e和ec,调节PID的3个参数,实现在线自整定,映射通过计管机信直共术能够非当有效而且直观的去分析控过程为eXec→OKpxOK;x△K。去模糊化的过程选用输出结果制系统中国煤化工'很大的便利,具有非常重更为平滑的加权平均值法,可以得到清晰输出值△K。要的实MHCN M H G明工具箱构建模糊推理系2模糊PID控制算法的实现统,通过Matlab的图形可视化工具,可以对整个推理过程进行2.1设计思 路分析最后得到如图4所示的曲面观察器,通过曲面观察器,可循环水站恒压供水系统是通过S7-300进行控制的,将模以从整体.上观察输入输出量的立体曲面及变化情况,更直观的糊PID控制的算法应用在S7-300PLC中,需要通过STEP7软看到模糊控制的过程”。第3期王继等:基于模糊PID的循环水站恒压供水系统的设计与仿真99初始化.口Surface Viewers 管同压力控制↓组织块OB35调用士调用FB41并设置调公公相天将输入量e和ec存入DB32「xopan道gnse和ec.将超限值设为超限?上限或下限RethetChseR模糊化并将模糊化后的图4曲面观察界面3.2模糊PID的仿真模糊推理得到通过Matlab中的Simulink工具建立分别PID控制、模糊控Kp AK、AK。_制和模糊PID控制系统的仿真结构模型,其中模糊PID控制系计算当前的Kp.K. K。统的仿真结构如图5所示。其中step1表示单位阶跃函数,Fvi2y conttrol 表示两输入三输出模糊控制模块, Interpreter表示PID输出对循环积分,Derivative表示微分,Gain表示放大倍数,Product表示乘水泵进行变频控制积,TransterFcn表示系统的传递函数，TranspertDelay表示延时,Swpe1表示滤器利用模糊控制模块和PID相结合,实现PID图3自适应模糊PID在PLC中的编程实现参数的自整定,仿真相应曲线如图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图5模糊PID仿真结构图14厂线的超调量明显变小，上升时间缩短,调节时间加快,系统稳定.2-性更好。另外自适应模糊PID控制更是解决了恒压供水过程中压力频繁波动的情况,压力范围较大时,可以通过较快的响.0应速度迅速的维持压力的恒定,压力波动较小时,可以改变PID地0.参数降低调节的速度,保证系统稳定运行,实现自适应的调节。80.4结束语哥通过分析循环水系统供水部分的结构、工作原理和控制要0.4-求,设计恒压供水系统。根据供水系统存在的大扰动和大滞后性等特卢设计档糊PIP控制器利甲Matlab的模糊控制工具中国煤化工，箱建立'ID控制器下进行仿真实1002003004005006007008009001000单位阶跃信号验,得出.MHCNM H G更稳定.超调小调节时间短,响应速度快。目前,该系统已经应用于新疆某硅业公司,系图6模糊PID 的仿真曲线统运行稳定而且效果显著,基本达到预期节能减排的目标。模糊控制与PID相结合的技术有效的改善了响应速度、调参考文献:节时间与超调三者之间的矛盾关系,模糊PID控制下的仿真曲(下转第104页)104Instrument Technique and SensorMar. 2016旦失效,就提前运行FLCHE方案。仿真结果表明，提出的tending cluster lifetime using backup cluster heads in cluster basedFLCHE方案能够有效延长网络寿命。wireless sensor networks[ C] .in IEEE 6th Intemational Conference on参考文献:Wirelessand Mobile Computing, Networking and Communications[1]沈艳霞,薛小松.无线传感网络移动信标节点路径优化策略[J].传( WiMob) ,2010:479-485.感器与微系统,2012,31(12) :42-46.9] HUSSAIN E ,ZHANG X ,CHAO L.Fuzxy based smart seletion of elus-[2]归奕红.无线传感器网络HEDSA数据聚合研究[J].计算机工程,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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