【導(dǎo)讀】近年來我國中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1990年到1998. 升，增長了%[1]，與此同時(shí)我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期時(shí)供水量普遍不足，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動(dòng)較大。手動(dòng)調(diào)節(jié)很難及時(shí)有效的達(dá)到目的。這種情況造成用水高峰期時(shí)水位達(dá)不到要求,供水壓。如壓力過高容易造成爆管事故）。例如清水池水位、電機(jī)運(yùn)行時(shí)間、耗電量等都是由值班人員定時(shí)記錄。發(fā)展，城區(qū)居民生活用水和工業(yè)用水量大幅度上升。經(jīng)過改造和擴(kuò)建，供水廠目前的日?；钣盟嫉谋壤容^大，用水量的需求具有時(shí)變性。達(dá)不到要求高度,管網(wǎng)壓力達(dá)不到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力，造成高層建筑斷水。管網(wǎng)壓力經(jīng)常超過規(guī)定的壓力上限，極易造成爆管事故并且能源損耗嚴(yán)重。此外，水廠作為城市供水系統(tǒng)的重要組成部。月報(bào)表、年報(bào)表的統(tǒng)計(jì)匯總等工作。系統(tǒng)對(duì)控制水位的模糊控制進(jìn)行研究。恒壓、供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國內(nèi)幾乎所有供水

　　

【正文】 數(shù)據(jù)量過大以致無法判斷它們的兼容性、一 些復(fù)雜可變的被控對(duì)象等場合是非常合適的。在傳統(tǒng)控制器中，參數(shù)或控制輸出的調(diào)整是根據(jù)對(duì)由一組微分方程描述的過程模型的狀態(tài)分析和綜合來進(jìn)行的，而模糊控制器參數(shù)或控制輸出是從過程函數(shù)的邏輯模型產(chǎn)生的規(guī)則來進(jìn)行的，改善模糊控制性能的最有效方法是優(yōu)化模糊控制規(guī)則。通常，模糊控制規(guī)則是通過將有關(guān)控制人員和專家的控制經(jīng)驗(yàn)及指示轉(zhuǎn)化為模糊語言形式獲取的，因此模糊控制屬于智能控制的范疇。 模糊控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上的。模糊控制具有以下特點(diǎn) [18,19]： 1)無需知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。 2)具有良好的適應(yīng)性和較 強(qiáng)的魯棒性。模糊控制是一種非線性控制，主要采用比例因子進(jìn)行參數(shù)整定的控制，有利于實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自適應(yīng)，具有較強(qiáng)的魯棒穩(wěn)定性。 3)控制規(guī)則容易理解。模糊控制是一種反應(yīng)人類思維的智能控制，其控制規(guī)則是以人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)為基礎(chǔ)建立起來的，容易理解和接受。 4)容易實(shí)現(xiàn)。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與一般的數(shù)字控制系統(tǒng)大致相同，模糊控制算法通過軟件實(shí)現(xiàn)。 模糊控制系統(tǒng)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識(shí)表示和和模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。模糊邏輯控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 51 所示。 模糊系統(tǒng)的主要部件是模糊化過程、知識(shí)庫（含數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫）、推理決策和精確化計(jì)算。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本類似，主要區(qū)別在于它的控制器采用了模糊控制器。因此模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心。 模糊控制器的一般結(jié)構(gòu) 模糊控制器 (Fuzzy Controller, FC)又稱為模糊邏輯控制器 (Fuzzy Logic Controller, FLC)。由于模糊控制規(guī)則用模糊條件語句來描述，有時(shí)也稱為模糊語言控制器。模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖 51 的虛線框部分，主要有四個(gè)部分組成 [26,27]：模糊化接口，知識(shí)庫、推理機(jī)以及解模糊接口。 (Fuzzification Interface) 由于推理機(jī)運(yùn)用輸入量的模糊值 (模糊子集 )和輸入輸出間的模糊關(guān)系進(jìn)行模糊推理，因此需要把輸入量由精確量轉(zhuǎn)化為模糊子集，這個(gè)轉(zhuǎn)化過程稱為模糊化。模糊化接口的功能概括起來有以下兩個(gè)方面： 21 1).量程轉(zhuǎn)換：把輸入信號(hào)的數(shù)值映射到相應(yīng)的輸入論域上； 2).模糊化：把精確量轉(zhuǎn)化為模糊量。 (Knowledge Base) 知識(shí)庫包含應(yīng)用領(lǐng)域方面 的知識(shí)，主要有數(shù)據(jù)庫和模糊規(guī)則庫組成。 1).數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫提供所有必要的定義。所有輸入、輸出變量所對(duì)應(yīng)的論域以及這些論域上所定義的規(guī)則庫中所使用的全部模糊子集的定義都存放在數(shù)據(jù)庫中。如果論域是離散形式，則模糊子集在數(shù)據(jù)庫中存放的是它在各個(gè)離散點(diǎn)上的隸屬度；如果論域是連續(xù)的，模糊子集在數(shù)據(jù)庫中存放它的隸屬度函數(shù)。在模糊控制器推理過程中，數(shù)據(jù)庫向推理機(jī)提供必要的數(shù)據(jù)。 2).模糊規(guī)則庫 模糊規(guī)則庫存放模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則是基于手動(dòng)操作人員長期積累的控制經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域?qū)＜业挠嘘P(guān)知識(shí)，它是被控對(duì)象進(jìn)行控制的一個(gè) 知識(shí)模型。這個(gè)模型建立的是否準(zhǔn)確，將決定模糊控制器控制性能的好壞。 (Inference Mechanism) 推理機(jī)采用某種模糊推理方法，由采樣時(shí)刻的輸入和模糊控制規(guī)則推導(dǎo)出模糊控制器的控制輸出。在模糊推理過程中有三種模糊邏輯運(yùn)算： AND 運(yùn)算、合成運(yùn)算 (o)和蘊(yùn)含運(yùn)算 (→ )，這些運(yùn)算由模糊隸屬度函數(shù)進(jìn)行操作。 (Defuzzication Interface) 解模糊與模糊化相反，是由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)換過程。計(jì)算機(jī)在執(zhí)行模糊控制算法時(shí)，從模糊推理中得到的模糊控制作用必須轉(zhuǎn)化為執(zhí)行 機(jī)構(gòu)所能接受的精確量。解模糊化接口主要由兩個(gè)功能： 1).量程轉(zhuǎn)換：把輸出作用的論域轉(zhuǎn)化為輸出物理量的變化范圍，在運(yùn)行時(shí)解模糊求模糊化接口 解模糊接口推理決策被控對(duì)象知識(shí)庫數(shù)據(jù)庫 規(guī)則庫 圖 51 模糊邏輯控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 22 得的輸出論域上的點(diǎn)轉(zhuǎn)化為輸出的物理量的值； 2).解模糊：把由推理機(jī)得到的模糊的控制作用轉(zhuǎn)化為一個(gè)精確的控制量，這個(gè)控制量時(shí)輸出論域上的一個(gè)點(diǎn)。 由于模糊控制器是采用數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的，因此模糊控制器的設(shè)計(jì)問題就是模糊化過程、知識(shí)庫（含數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫）、推理決策和精確化計(jì)算四部分的設(shè)計(jì)問題。 模糊控制器的設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的控制理論是 建立在一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的，因而控制理論給人們的印象是越精確越好，容不得半點(diǎn)含糊。但在控制工程中有一些復(fù)雜的系統(tǒng)或控制過程難于用已有的物理及化學(xué)規(guī)律來描述。由于無適當(dāng)?shù)臏y試手段或測試儀器，或無法進(jìn)入被測區(qū)來檢測所需要的參數(shù)，以至于難以建立準(zhǔn)確的學(xué)模型；還有一些復(fù)雜的系統(tǒng)，由于存在嚴(yán)重的非線性，或參數(shù)間的強(qiáng)耦合，要想得到其數(shù)學(xué)模型必須做一些忽略或近似；還有一些系統(tǒng)本身就是非線性系統(tǒng)。這些系統(tǒng)用傳統(tǒng)的控制理論很難取得滿意的控制效果，而使用迷惑控制則往往可以取得滿意的控制效果。 模糊控制是依據(jù)模糊控制規(guī)則 進(jìn)行控制，而模糊控制規(guī)則是熟練工作人員或控制專家經(jīng)長期實(shí)踐，有意或無意地綜合考慮各種因素，通過操作者的學(xué)習(xí)，測驗(yàn)及長期經(jīng)驗(yàn)積累的出的控制策略。它可以通過自然語言描述，這種自然語言用的是定性的、不準(zhǔn)確的模糊條件語句。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 52 所示。 將精確量模糊化以后，根據(jù)模糊控制規(guī)則的出模糊控制量，將其解模糊可得精確控制量，施加到被控制對(duì)象上可達(dá)到控制目的。因模糊控制規(guī)則是操作者經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，因而如模糊控制實(shí)際得合理，控制效果可以像由操作者控制一樣。模糊控制器體現(xiàn)了模糊集合理論語言變量 及模糊推理在不具有數(shù)學(xué)模型的情況下，控制策略以語言形式定性描述實(shí)現(xiàn)控制的過程。 設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器要解決以下三個(gè)問題： （ 1） 精確量的模糊化。把語言變量的語言值化為適當(dāng)?shù)恼撚螯c(diǎn)的模糊子集。 （ 2） 模糊控制算法設(shè)計(jì)。通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則。 （ 3） 輸出量的模糊判決。由輸入量和控制規(guī)則決定輸出量并轉(zhuǎn)化為精確量。 圖 52 所示的模糊控制系統(tǒng)方框圖中，虛線內(nèi)為模糊控制器， E 和 E 為誤差及誤差的變化率 e 和 e1 的模糊化量。 U為輸出 u的模糊化量，模糊化為精確量的模糊化，模糊判決為模糊量的精確化。模糊控制算法為根據(jù)輸入和控制規(guī)則 的模糊推理過程。實(shí)驗(yàn)證明，模糊控制系統(tǒng)不僅能成功地實(shí)現(xiàn)控制，且能模仿人的思維方法，對(duì)一些無法構(gòu)造模型的被控過程實(shí)施有效控制。 控制對(duì)象輸出判決算法c化 誤差d /d t給定反饋控制器圖 52 模糊控制系統(tǒng)方框圖 23 一、 模糊化 從沒，模糊控制器 FLC 的結(jié)果圖沙鍋內(nèi)可以看出，模糊控制器的輸入與輸出都是精確量。對(duì)輸入而言，要進(jìn)行模糊化處理將精確值變?yōu)槟：?；模糊控制器的輸出則是將依據(jù)模糊控制規(guī)則得出的模糊值精確化，即解模糊。在模糊化過程中要解決幾個(gè)問題：論域離散化、確定量化因子和比例因子，確定語言變量以及語言變量的子集。 一個(gè)精確量模糊化的前提是將精確量大小分檔。假如一個(gè)水位控制系統(tǒng)輸入的變化范圍為 200cm～ 200cm 分為 n 檔， n取 4～ 8，這時(shí)量化因子 K 定義為 K=n/e 如 n=4 則 K=4/400=。水位變化率 e的變化范圍為 10～ 10， n 取 4，則 K=4/20=。對(duì)輸出而言基于量化因子的概念定義一個(gè)比例因子，如輸出確定量 u的范圍為 0～ 5，取n=10，則 K=u/n=5/10=,說明 u 變化分 5 檔。比例因子 K取得過大則會(huì)造成阻尼程度下降，反應(yīng)靈敏，易造成輸出震蕩，過小則被控過程反應(yīng)遲鈍。 為了確保被控對(duì)象在過程中保持最佳，對(duì)一些響應(yīng)過程長的大慣性 系統(tǒng)可以用幾組量化因子 /比例因子，在控制過程的不同狀態(tài)使用不同的因子，以取得滿意的效果。語言變量的選擇常常根據(jù)人們的習(xí)慣將同類事物分為大中小，一般在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)常選用正大（ PB） ,正中（ PM） ,正小 (PS)零 (0)小負(fù) (NS)負(fù)中 (NM)負(fù)大（ NB）。取模糊隸屬函數(shù)如圖 52 所示。 語言變量論域上的模糊子集，通過總結(jié)操作者的經(jīng)驗(yàn)或由其它方法得到上面離散化 e的情況為 {6， 5， 4， 3， 2， 1， 0， +0， +1， +2， +3， +4， +5， +6}，取八位語言變量值 PB， PM， PS， P0， N0， NS， NM， NB，取模糊隸屬函數(shù)如圖 52所示。 確定隸屬函數(shù)應(yīng)注意幾個(gè)方面。一是隸書函數(shù)的尖銳程度，較尖銳則控制的靈敏度高；較平緩則控制的靈敏度低，控制特性較平緩。二是 PB， PM， PS， … 對(duì)論域的覆蓋程度。在論域中任取一點(diǎn)，這一點(diǎn)應(yīng)屬于某一隸書函數(shù)且對(duì)應(yīng)。對(duì)應(yīng)的隸書函數(shù)不能太小，如在論域某一點(diǎn)隸書函數(shù)覆蓋不到或值太小則會(huì)出現(xiàn)失控。三是集合間的交叉程度，交叉程度高被控過程參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好，但交叉程度過大，兩語言的變量值又難以區(qū)分。 24 6 4 圖 52 模 糊控制系統(tǒng)方框圖 模糊控制算法 模糊控制算法或稱模糊控制規(guī)則，是將操作者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)而得到的一條條的模糊條件語句。常見控制規(guī)則有如下幾中形式。 （一） 單輸入單輸出模糊控制器 如圖 53 所示。 圖 53 模糊控制器方框圖 （二） 雙輸入輸出模糊控制器 如圖 54 所示 U模糊控制器Rc 54 模糊控制器方框圖 模糊控制器R 25 （三） 多輸入單輸出模糊控制器 如圖 55 所示 U模糊控制器R 55 模糊控制器方框圖 （四）雙輸入多輸出模糊控制器 （五）復(fù)雜型輸出模糊控制器 模糊控制 偏差 e 和偏差變化率 ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷的檢測 e 和 ec并將它們作為控制器的輸入，由控制器根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足不同 e 和 ec對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。 (1)輸入輸出變量的確立 由以上分析，本系統(tǒng)將 偏差 e 和偏差變化率 ec作為模糊控制器的輸入。 將電流或電壓信號(hào)作為模糊控制器的輸出。 (2)輸入變量的模糊化 控制器控制水池水位是通過改變變頻器的輸出從而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。水池水位通過水位傳感器檢測送回 PLC，由 PLC 進(jìn)行相應(yīng)的模糊運(yùn)算后控 制變頻器的輸出。因此系統(tǒng)的輸入量是水池水位的變化偏差和偏差變化率。 相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，輸入變量 e 和 ec的 隸屬函數(shù)曲線如圖 53 所示 (3) 輸出變量的模糊化 模糊控制是通過實(shí)時(shí)調(diào)整模糊控制器的控制參數(shù)，然后由 PLC 中的模糊控制指令來實(shí)現(xiàn)最終的調(diào)整控制的。變頻器中的模糊參數(shù)都有它的設(shè)定范圍 .。 設(shè)定輸出量 KP、 KI和 KD的模糊子集為 {零，正小，正中，正大 }，簡記為10110040 70 KpZO PS PM PB 圖 54 KP 隸屬度函數(shù)曲線 － 0 . 1 5 － 0 . 1 － 0 . 0 5NB NM NS E 或 E PSZO1 PM PB 圖 3 4 輸入變量隸屬度函數(shù)圖 圖 53 輸入變量隸屬度函數(shù)曲線 1 ZO PS PM PBKi4 60圖 55KI隸屬度函數(shù)曲線 26 { ZO,PS,PM,PB}，并將 KP量化到區(qū)域 (10,100)內(nèi)， KI量化到區(qū)域 (4,6)內(nèi)， KD量化到區(qū)域 (0,3)內(nèi)。建立數(shù)輸出變量的隸 屬度函數(shù)后，輸出變量 KP、 KI和 KD的 隸屬函數(shù)曲線分別如圖所示。 (4)模糊規(guī)則的確立 三個(gè)參數(shù)的 作用是各自獨(dú)立的，互不影響的。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。顯然，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)使用上面任意一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。 根據(jù)參數(shù) KP、 KI和 KD對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響情況，可以得到對(duì)于不同的偏差 e 和偏差變化率 ec時(shí)，參數(shù)的自整定原則 [26,27,28,29]： 1)當(dāng) 偏差 |e|較大，系統(tǒng)處于響應(yīng)階段，為加快響應(yīng)速度并防止開始時(shí) 偏差 |e|瞬間變大，需要取較大的 KP。為了防止積分飽和，應(yīng)取較小的 KI，同時(shí)為了防止微分飽和，避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)去掉微分作用，即 KD＝ 0。 2)若 e*ec 0，說明誤差在向絕對(duì)值增大的方向變化。 當(dāng)偏差 |e|和偏差變化率 |ec|時(shí)為中等大小，系統(tǒng)處于跟隨階段，為了使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減小， KP、 KI和 KD都不能太大，需要取較小的 KP值， KI和 KD的值大小要適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 若 偏差 |e|較大，則應(yīng)實(shí)施較強(qiáng)的控制，以改變誤差的變化趨勢，并迅速減小誤差絕對(duì)值，可取較大的 KP值 ，同時(shí)可取較小的 KI 和中等的 KD 值 ，以提高動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn) 態(tài)性能。若 偏差 |e|較小，可實(shí)施一般控制，以改變誤差的變化趨勢，可取中等的 KP 值 ，同時(shí)取較大的 KI 值 和較小的 KD值 ，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，避免產(chǎn)生振蕩。 3)若 e*ec 0，說明誤差在向絕對(duì)值減小的方向變化。若 偏差 |e|較大，則