图1  水厂配水控制系统结构图

图2  原有供水压力控制方式

    在基于PID的控制方式下，操作人员通过操作界面设定出厂供水压力，PLC对压力设定值和测量值的偏差进行PID运算，并通过变频器调节配水泵转速，使出厂供水压力保持在设定值。供水压力在配水管网上会产生压力损失ΔP，ΔP与流量Q有下列关系式：
    ΔP=K*Q²
    其中K为阻力系数。因此只要有流量就会有压力损失，流量越大，压力损失也越大。由于配水管网的复杂性，无法计算各用户处的压力损失。为了保证用户的用水压力，操作人员需要根据配水管网各处远端测压点的压力测量值及出厂水流量对出厂供水压力设定值进行调整，当测压点的压力偏低时，需提高出厂供水压力，反之则降低出厂供水压力。这一控制方式实现的是出厂供水压力的恒定，无法实现配水管网远端测压点（用户处）的恒压供水。实际运行结果发现这一控制方式存在以下问题：

?  控制精度不高  由于是人工手动设定恒压供水，控制效果因人而异，无法保证较高精度的恒压供水，造成用户的用水压力波动。
?  适时性差  操作人员不可能时时刻刻盯住各处远端测压点压力，当压力出现波动时就可能造成调整不及时。
?  劳动强度大  为了达到较好的控制效果，操作人员需不断地观察远端压力测量值及出水流量，不断地调整出厂供水压力设定值。
?  影响节能效果  为了满足用户用水压力，操作人员往往需将出厂水压适当调高一些，以避免频繁调整出厂水压设定值。出厂水压调高，能耗也相应增加。

3  恒压供水自动控制原理

    为了解决原有控制方式存在的问题，在单一PID控制的基础上，结合水厂操作人员的经验及对大量运行参数的统计分析，在系统增加一模糊（FUZZY）控制器，形成FUZZY +PID的综合控制方式，使水厂由手动设定恒压供水转变为全自动恒压供水，以实现水厂配水系统的全面自动化。如图3所示。

图3  供水压力综合控制方式

    为了保证用户用水压力在合理的水平，配水系统的控制目标参数必须和置于用户所在地的测压点压力联系起来。由于各测压点所在地的地势不同，管网状况及用水量不同，其压力的表现也不同。对水厂与水站及各测压点之间的压差和供水流量的关系进行统计，建立了压差―流量曲线，如图4所示。在制定配水系统的控制目标参数时，根据各测压点在其中所起作用的不同，为FUZZY控制器建立了控制目标参数―综合压力。综合压力是将出厂压力、各测压点压力进行加权平均得出的，操作人员通过画面可以设定包括出厂压力在内的各测压点的权值为0～100，FUZZY控制器根据各设定的权值计算出各权值所占的百分数，权值0%表示该测压点不参与控制，权值100%表示该测压点等于综合压力。

图4  压差―流量曲线

     有了综合压力这一控制目标参数，自然就引出如何对综合压力进行设定的问题。我们采取的办法是通过设定供水流量最大、中等、最小值，并设定各测压点对应最大、中等、最小流量值的期望值，通过对这些期望值加权平均就能得到综合压力对应最大、中等、最小流量值的期望值，对应实际供水流量值的综合压力设定值可通过插值计算得到。FUZZY控制器对综合压力设定值和综合压力测量计算值进行处理，当测量计算值小于设定值时，FUZZY控制器就增加出厂压力设定值，反之则减小出厂压力设定值。

4  FUZZY控制器程序设计

图5  FUZZY控制器程序框图

在恒压供水控制系统中，FUZZY控制程序非常重要，其系统程序如图5所示，各部分功能如下：

(1)  设定参数

    操作人员通过操作画面对以下参数进行设定。
    其中，Q_H：最大流量设定值；Q_M：中等流量设定值；Q_L：最小流量设定值；P_H0：最大流量下所期望的出厂压力设定值，即出厂压力设定值上限；P_M0：中等流量下所期望的出厂压力设定值；P_L0：最小流量下所期望的出厂压力设定值，即出厂压力设定值下限；P_Hi：最大流量下所期望的测压点压力设定值，其中i=1,2…8；PMi：中等流量下所期望的测压点压力设定值，其中i=1,2…8；P_Li：最小流量下所期望的测压点压力设定值，其中i=1,2…8；K_i：测压点加权设定值，表示在目标参数―综合供水压力中所占的比重，其中i=1,2…8；Kp：出厂供水压力调整比例系数；Tp：出厂供水压力调整时间间隔；Dp：供水压力调整允许偏差。

(2)  数据预处理
    根据测压点加权设定值Ki计算出各权值所占的百分数形式值K_vi，对各测压点的状态进行判断，当某个测压点出现通讯故障或测量值不正常时将该测压点的K_vi置零。

(3)  综合压力计算
    根据设定参数及供水流量测量值Q_V、压力测量值P_vi，分别计算综合压力对应最大、中等、最小流量值的期望值P_Hx、P_Mx、P_Lx，综合压力设定值S_Px，综合压力测量值P_Vx，综合压力偏差值D_Px。

P_Hx＝∑(K_vi×P_Hi) (i=0,1,…8)
P_Mx＝∑(K_vi×P_Mi) (i=0,1,…8)
P_Lx＝∑(K_vi×P_Li) (i=0,1,…8)
S_Px＝P_Lx (当Q_V＜Q_L)
S_Px＝S_CP(Q_V,Q_L,Q_M,P_Lx,P_Mx) (当Q_L≤Q_V＜Q_M)
S_Px＝S_CP(Q_V,Q_M,Q_H,P_Mx,P_Hx) (当Q_M≤Q_V＜Q_H)
S_Px＝P_Hx (当Q_H≤Q_V)
P_Vx＝∑(K_vi × P_Vi) (i=0,1,…8)
D_Px＝S_Px－P_Vx

(4)  出厂压力设定计算
    当|DP_x|>|D_p|，则启动计时器T_x，否则清T_x；
    当T_x>T_p，且处于自动方式，则计算出厂压力设定SP₀：SP₀ = SP₀ + K_p×DP_x
    否则返回调用。

5  应用效果

    通过增设模糊控制器程序，将供水压力控制方式由原来的单一PID控制变为PID控制+模糊控制的综合控制方式，控制目标参数由出厂水压转变综合供水压力，使水厂由原来的手动设定恒压供水转变为全自动恒压供水，保证了用水高、低峰时测压点的综合压力达到标准值，节能效果明显，取得了良好的经济效益。系统运行近一年来的实际效果良好，真正做到了稳压安全运行。