恒压供水控制系统自适应模糊PID控制器设计及仿真

摘 要：恒压供水系统中控制系统复杂多变，控制参数测定不精确；本文提出了把PID控制与自适应模糊控制结合在一起的一种自适应模糊PID控制器应用恒压供水系统中，借助于PID参数的在线模糊自整定，实时修改PID参数，通过Matlab仿真实验发现该控制系统的响应速度加快，超调量减小，过渡过程时间大大缩短，振荡次数少，系统在运行过程中始终处于优化状态。自适应模糊PID控制器在恒压供水系统中的应用既可以提高系统控制性能，又能最大限度地节约供水系统能源。

关键词：自适应模糊控制；PID控制；恒压供水；系统仿真

中图分类号：TP273.4 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 06-0049-02

一、引言

随着人们生活品质的提高，人们对生活饮用水的要求也在不断地提高，恒压供水系统在多层及高层住宅用水和消防供水中得到了越来越广泛地应用。现代的恒压供水系统中主要由水泵、变频器及调节环节构成，整个控制系统控制复杂多变，控制参数一般不能精确测定。水泵作为一种典型的非线性负载，在运行的过程中其旋转的速度与给定的信号之间具有滞后、惯性较大的特点。

如果采用常规的PID控制，在系统运行过程中因不能可靠地调整PID参数而无法实现管道压力精确恒定控制，而且响应速度比较慢。而模糊控制对数学模型的依赖性较弱，不需要建立过程的精确模型，它可以把人们的经验转化为控制策略，对时变的、非线性的、滞后的、高阶的大惯性的被控制对象，能获得良好的动态特性。

基于以上原因，本文提出了模糊控制系统与传统的PID控制相结合，设计了一种自适应模糊PID控制器，借助于PID参数的在线模糊自整定，实时修改PID参数，确保系统在运过程中始终处于优化状态，既提高了系统控制性能，又能最大限度地节约供水系统能源。

二、自适应模糊PID的概念

根据PID控制器的Kp、Ki、Kd的三个参数与偏差e和偏差的变化率ec之间的模糊关系，在运行时不断检测e及ec，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线自动修改控制器PID参数。因为参数可自动调整，所以自适应模糊PID控制能解决系统的非线性问题。

常规PID控制只能利用一组固定参数进行控制，这些参数不能兼顾动态性能和静态性能之间、设定值和抑制扰动之间的矛盾。因此，将模糊推理引入控制系统，在PID初值基础上通过增加修正参数进行整定，可以改善系统动态性能。

三、自适应模糊PID控制器设计

（一）恒压供水系统数学模型的建立

在二级泵房中，水泵由初始状态向管网供水的变频调速恒压系统，一般可分为零压过程和压力上升过程。而零压过程中，水泵把水从清水池送到管网中，压力基本上可以认为保持为零，是一个纯滞后过程；压力上升过程，水泵把水充满整个管路，压力逐渐增加直至达到稳定，可以认为是一个。因此，水泵管道系统的数学模型可以等效为带有纯滞后环节的一阶惯性环节，系统中其它的控制和检测环节，如变频调节、继电器控制转换、压力检测等的时间常数和滞后时间，与供水系统水压上升或下降的时间常数和滞后时间相比，可以忽略不计。由此可得供水系统的近似模型：

五、结论

本文结合恒压供水系统中水泵控制的特点，设计了一种自适应模糊PID控制器，该控制器在管道压力较大偏差的范围内采用模糊推理控制，根据偏差e及偏差变化率ec适时调整PID参数，在压力偏差范围内采用PID精确控制输出，综合了模糊控制和PID控制的优点。仿真结果表明，这种自适应模糊PID控制器具有动态性能好、稳态精度高以及对参数时变的适应能力强等特点，该控制器模型规则明确，实时计算工作量小，如果采用本系统进行高楼恒压供水完全可以替代现有的恒压供水装置，大大提高了恒压供水系统中管道压力的恒定性，节能非常明显，极具推广和应用价值。

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