模糊控制在排水泵站应用的可行性

郑 玏

（武汉市排水泵站管理处，湖北 武汉 430015）

模糊控制是模仿人的思维方式和人的控制经验来实现的一种控制。控制工程是模糊逻辑的一个主要应用领域，最适合应用于非线性、时变和无法定义的控制系统。模糊逻辑理论具有描述不精确状态的语句，根据有经验的操作员或者专家的经验和知识定出相应的模糊控制规则。对控制规则进行形式化处理后存入计算机，然后再模仿人的模糊逻辑推理过程确定推理方法，控制器根据制定的模糊控制规则和事先确定好的推理方法进行模糊推理，得到模糊输出量，即模糊输出隶属函数。根据模糊推理得到的输出模糊隶属函数，用不同的方法找到一个具有代表性的精确值作为控制量，加到执行器上去实现控制。

模糊逻辑技术的应用已经成熟，许多工业控制软件含有这些功能，有些产品还具有专门的模糊控制模块，如果在泵站工程中把已经取得的“经验策略”通过软件的设计应用到生产运行、故障诊断、节能降耗中，无疑会使控制系统变得更“聪明”。

对于城市排水泵站，传统的控制方法是这样实现的：假设泵站安装有3用1备的水泵，根据工艺理论，管道充满度与流量具有一定的对应关系，因此，按进水管口径设定4个水位标高，如 H0、H1、H2、H3。当水位在 H1时，认为管道充满度对应的管道流量等于一台水泵的流量，此时开起1号水泵（运行一台水泵）；当水位到达H2时，认为管道充满度对应的管道流量等于两台水泵的流量，开起2号水泵（运行两台水泵）；当水位到达H3时，开起3号水泵（运行三台水泵），此时泵站达到预期的满负荷运转。反之，水位下降到H2时，关闭3号水泵（运行两台水泵），水位下降到H1时，关闭2号水泵（运行一台水泵），水位下降到H0时，关闭1号水泵（水泵全停）。

泵站的模糊控制可以采用PLC（可编程序逻辑控制器）实现。在实际应用中，用PLC构成模糊控制器有两种方式，一是使用专用的PLC模糊控制单元，另一种方式是采用与其他数字控制器相同的硬件结构，即用常规PLC等来组成硬件部分，而在软件上用模糊算法取代原来的数字控制器的数字控制算法（如PID），这种模糊控制器本质上只是一种模糊算法而已，并不需要变更泵站的数据采集、通讯网络及大多数设备，显然这种作法组成简单、开销少、灵活性高、应用范围广，是目前工业控制中常用的方法之一。

图1 模糊控制示意图

模糊规则的选择是模糊控制器的核心，一般分为三个部分，即选择适当的模糊语言变量，确定各语言变量的隶属度函数，最后建立模糊控制规则。

1 选定模糊控制器输入输出变量

在泵站中，模糊控制器考虑为两输入单输出的结构，通过传感器把要监测的物理量变成电量，再通过模数转换器把它转换成精确的数字量。这些物理量包括水位、水位变化率、出水流量等。模糊控制过程中，同时要把系统与设定值的偏差和偏差变化率作为模糊控制量，这不仅能保证系统控制的稳定性，而且还可以减少超调量和振荡现象。为了反映人的思维方式，转换后的物理量划分为有用的模糊集合，其中输入变量的模糊集合为：

水位 H＝｛NB：很低，NS：偏低，ZE：中，PS：偏高，PB：很高｝

水位变化率dH＝｛NM：下降，ZE：稳定，PM：上涨｝

输出变量的模糊集合为：

出水流量（水泵开起数量）Q＝｛ZE：全停，PS：开一台，PM：开两台，PB：开三台｝

2 确定输入输出变量的语言值域（模糊取值及其相应的隶属度函数）

通常控制总是用系统的实际输出值与设定的期望值相比较，得到一个偏差值，控制器根据这个偏差值来决定如何对系统加以调整控制。要采用模糊控制技术就必须首先把它们转化为模糊集合的隶属函数，即模糊化。为了便于工程实现，通常把输入范围人为地定义成离散的若干级，所定义级数的多少取决于所需输入量的分辨率，为了简化计算，现在最常用的是三角形。

3 建立控制率（模糊规则）

规则是模糊控制的真正灵魂，规则不仅用简单的术语描述水泵的工作，而且还能抓住富于技巧并且可以表现其专长的操作者的经验，这些规则可以使水泵对语言指令而不是数字指令作出响应。

排水泵站在运行中，操作人员根据泵站的特性和个人经验能够熟练地控制水泵，并且还能兼顾其他条件的影响，从整体上合理的运行泵站，这些技能、经验或约束都能以规则的语言形式表示出来，任何人都可以明白这些规则，而且增删容易。

模糊控制规则的基本形式为：

R：if（条件1 and/or条件2…）then（结论1 and/or结论2…）

假设泵站的控制规则如下，按照上述形式描述水泵控制的规则：

规则一：如果水位很低且不上涨，那么水泵全停。

规则二：如果水位偏低且不上涨，那么水泵开一台。

规则三：如果水位偏低且上涨，那么水泵开两台。

规则四：如果水位中且下降，那么水泵开一台。

规则五：如果水位中且稳定，那么水泵开两台。

规则六：如果水位中且上涨，那么水泵开三台。

规则七：如果水位偏高且下降，那么水泵开两台。

规则八：如果水位偏高且不下降，那么水泵开三台。

规则九：如果水位很高且不下降，那么水泵开三台。

规则十：如果水位中且水位上涨，那么水泵开两台。

4 结束语

综上所述，模糊逻辑理论正在越来越深入地走入各个领域，甚至人们日常的家庭生活，模糊控制技术也正在现代工业中得到广泛应用，其以人为本的优势已经为更多的人们所接受。排水泵站采用模糊控制技术将会更加适合自身特点，提高适应能力，并向无人职守化的管理模式靠近。

[1]窦振中编著.模糊逻辑控制技术及其应用（第一版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，1995.

[2]何克忠，李伟编著.计算机控制系统（第一版）[M].北京：清华大学出版社，1998.