大型污水输送泵站的最优控制策略研究

1、同济大学电子与信息工程学院硕士学位论文大型污水输送泵站的最优控制策略研究姓名：刘小莉申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：汪镭20070301摘要摘要本文以合流污水泵站（上海市污水治理二期工程泵站）为对象，针对泵站系统控制存在的问题，提出了一种全新的控制策略。污水泵站中的污水流量具有不确定性、滞后性和非线性等特点。本文以能耗最小和污染最小为系统控制目标，对整个泵站系统提出了智能控制排放污水流量的算法。通过分析污水泵站的运行工况，提出了一系列减少泵站能耗的方法，主要有降低扬程，设置变频泵进行调速运行，优化泵机组合等，重点研究了污水泵站中泵机变频调速的节能机理。针对上海市污水治理二期

2、工程泵站提出了模糊控制器变频调速的控制策略，当中详细介绍了模糊控制器的设计并给出了一定的仿真结果。根据简单遗传算法的特点，提出了改进式遗传算法，并详细介绍了改进式遗传算法在泵站机组启停中的应用，根据仿真结果表明，使用改进式遗传算法来确定泵站机组的启停，在满足泵站流量约束条件下，能使得系统的能耗最小。最后给出了遗传算法控制泵站机组启停的方案及模糊控制器变频调速污水输送泵站的控制方案。关键词：污水泵站，变频调速，模糊控制器，遗传算法胛，（，），凡，：，学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权

3、保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：刘，确年月，日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式

4、标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名：亩小葡姗年月第章综述第章综述污水输送泵站系统简介在人们生产和生活中产生的大量污水，如从城镇住宅、工厂和各种公共建筑中不断排出的各种各样的污水和废弃物，需要及时妥善地排除、处理或利用。排水工程的基本任务是保护环境免受污染，以促进工农业生产的发展和保障人民的健康与正常生活。其主要内容包括：收集各种污水并及时输送至适当地点；将污水妥善处理后排放或再利用。污水输送泵站完成的是前项任务，污水处理厂则完成后一项任务。图所示为城市污水排放系统中的合流污水泵站及排污管网系统示意图。河道图泵站污水管网示意图大型污水输送泵站的主要任务是汇集并提升区域管网集积的

5、污水，排入下级排水系统或污水处理厂。由于系统流量与扬程多变，泵站机泵控制是要确定其在污水外溢污染最小的前提下，系统提升污水重力耗能最少。同时，为排除积水，机泵运行状态必须实现有效控制甜。以上海市污水治理二期工程泵站为例。泵站位于上海浦东新区，是上海市污水治理二期工程的控制中心、监测中心、管理中心。泵站近期主要作用是将来自浦东中线及南线号泵站的合流污水提升后送往下一站的污水第章综述处理厂。远期则主要接纳浦西南市、黄埔区的初期雨水、城市污水及浦东中线服务范围内的城市污水。主泵房内工设置六台主泵（五用一备），四台定速泵（配用鼠笼式三相异步电动机），两台变频泵（配用变频调速电动机），以适应于系统流量的

6、变化和减少开停泵次数。水泵将前池中的污水提升至高位井，高位井的污水通过二根出水箱涵出泵站输向下游污水处理厂。当前污水泵站系统控制中存在的问题及国内外研究技术现状由于污水管网中的水来自各类用户排放的废水及天然降水，其污水流量受人群行为、降雨，乃至管路泄漏等诸多不可测因素影响，不确定因素严重；下雨，特别是下暴雨时，由于区域内部分雨水进入污水管网，使之水量陡增：此外，污水管网中的污水流量受闸、泵等设备影响，非线性严重。目前污水泵站控制的主要问题有：（）极大多数泵机仍然是恒速排水，不能做到进水量与排水量相等，深井泵水造成能量浪费。（）人工应付式的直接排放管理、操作与个人经验和训练程度及责任程度有很大关

7、联。（）泵站之问链级制抑相互协调性差，难做到流入、泵出流量平衡，易造成污水外溢、或高扬程大耗能泵水。（）缺乏对系统模型的研究，对污水泵站变扬程、变流量、变压力工况下最佳节电排放等无深入研究，泵机通常处于高耗能运行。鉴于城市污水管网泵站排水中存在的问题，有必要采用先进的控制手段，特别是优化的控制策略。国内外对此问题的研究主要有：年美国的和提出地区的（污水管理模型），年日本东京都下水道局对汤岛泵站进行改造探索，把模糊控制技术用于合流式污水泵站，获得初步成功，并改变了排水领域难以实现自动化的观点。年英国伦敦建立了用可编程控制水泵的地下水排放系统。年日本学者提出了合流式污水泵站模糊控制和遗传算法应用，

8、建立区域排污水系统的数学模型，并进行计算机仿真研究；年俄罗斯进行了莫斯科城市污水管网系统数学模型的研究。总之，发达国家已在做污水最佳控制节电排放的工作，热点集中在算第章综述法和控制策略、实现方法、应用基础研究上。总的来说，美、欧等发达国家在这一领域的研究已从理论型逐步转为实用型，但还未有实用化的污水泵站管网控制系统。我国在年代末，我国开始研究将变频器用于污水泵机获取节电效果，但对整个污水泵站排放系统的深入研究不多见。污水泵站管网系统最优控制策略解决当前污水排放系统存在问题的关键便是控制污水泵站排放系统使流入污水泵站的污水及时排出，即漉漉自。此时如果选择了理想的目标水位（由工况实际调试决定），不

9、仅使水泵实际扬程降低，而且使水泵运行在高效区，则可实现良好的节电效果。同时，由于流入的流量能够被等量的泵出，所以链级效应将不存在，整个污水排放系统处于最佳运行状态，实现动态平衡，即避免污水溢出事故发生又能节电排放。以耗能最小和污染最少为系统控制目标，通过对区域污水流量测控及污水泵站机泵排水量的控制，实现泵站及区域管网流量自动调节，各泵站、管线污水流量进行优化分配，并以最佳扬程排放，得以保证泵站机组在高效率区运行提高节电率。同时，实现对系统泵站水位、流量进行多参数协调控制，避免区域管网的污水从管口、集水井口外溢。现有的大部分污水泵站控制采用单一的水位作为参考量，通过人工值守进行手动控制或简单的水

10、位信号反馈控制，这种控制手段，在有污水突发涌入泵站的情况下如果控制不及时，易造成污水溢出污染，为了防止这一情况发生，泵站都实行低水位高扬程污水排放，造成电能的巨大消耗。在当今电能十分短缺的情况下，这种依靠单纯的以水位作为控制指标的排放方式已很难适应时代发展。污水管网系统，本质上就是对污水进行合理排放分配的系统。由于污水泵站管网系统流量排放主要依靠重力引流，泵站提升加压的方式，因此城市污水管网及各泵站之间具有密切地关联，这就要求管网系统实时控制。即：针对系统各个泵站的污水路径及流量进行更好地再分配，使其达到最优化，从而使管网中泵站之间相互协调运行，减少污水提升输送时泵站泵机系统所消耗的电能。对于

11、如泵站这样定速、变频泵搭配使用的泵站，可以将理想目标水位、第章综述液位、流量作参考信号，把当前的水位及管网污水流量及其变化率通过相关传感器转变成控制信号，调节变频器输出频率，改变泵机转速疗及泵机排水流量。转速刀和流量间的对应关系为：百瓯百一也（）通过改变转速实现排放流量的调节，使漉入线出有效控制污水泵站进水井及管网的水位。由于选了理想目标水位，水泵扬程降低，且水泵运行在高效区，所以节电效果良好。变频调速污水泵站排水节电控制系统通常由、，、，变频器、控制器、传感器、切换接触器及热电保护器等构成。以期尽量使污水泵站进水口污水流量，满足排流要求获取得良好的节电效益。本文主要研究内容本论文通过对污水输

12、送泵站系统及其运行工况等方面的研究，提出了一系列减少污水泵站能耗的方法；并针对泵站的污水流量的不确定性、滞后性和非线性等特点，提出了将模糊控制与遗传算法运用到泵站的控制当中。具体完成的工作有：全面、系统的阐述了污水泵站系统控制中存在的问题、国内外研究现状，简要介绍了污水管网的最优控制策略及其意义。接着，通过分析泵站运行的基本工况，提出了一系列的泵站节能方法。之后，详细介绍了模糊控制与遗传算法在泵站控制中的应用。最后，简单介绍了泵站的最优控制策略及实现方法。本章小结本章主要介绍了污水输送泵站系统，并简单介绍了上海市污水治理二期工程泵站的情况。之后，指出了当前污水泵站系统控制中存在的问题及国内外研

13、究技术现状，简单介绍了污水泵站管网系统最优控制策略。最后介绍了本文的主要研究内容。第章污水泵站运行工况分析及节能机理第章污水泵站运行工况分析及节能机理污水输送泵站运行工况分析市政部门为了满足日常排水需要，一般在同一泵站都配有多台机泵，供不同流量时排水使用（如泵站共有六台机泵，五用一备，四台定速，两台变频调速）。具体工程实施中由于泵站实际流量的不确定性、非线性、难预测性，机泵的简单组态很难做到流入泵站的流量奴漉出最佳的控流情况。实际流量及控制工况可归纳为三种：级漉工况；级入练工况及漉级出工况。这三种运行工况造成污水污染及耗能大小情况和对污水管网的影响各不相同。就各种工况影响分析如下：（）漉工况当

14、流入泵站的实际流量流入出时，将导致泵站进水口污水井及管网中的污水水位升高，随着水位升高，水泵实际扬程变小。（）式（）中，风为静扬程，即机泵进水口和出水口的水位差，为管路中水头损失之总和（包括吸水管水头损失和出水管水头损失）。当扬程降低时，机泵排流量随之增大。但每台机泵在恒速状态下调节流量的能力是很有限的。单台机泵过大的排流量也会引起另一些问题，如围堰结构的机泵排水量的大幅度增加会使围堰出口闸门滞流影响增强，即机泵出水口由于滞流会形成附加水柱，这相当于增加了污水机泵实际扬程，。它产生的压力也可视为水泵管阻的增加。而水泵阻力矩的增大，使得电机加速的有效输出力矩变化，使血转速差增大，使得泵出流量变化

15、增大，这是不利于机泵系统稳定工作的。这种周期性变化的或管阻使机泵工作点摆动，不但增加了排水能量损耗而且也因液流变化带来机泵系统的机振及噪声，同时还会造成气蚀现象趋重，机泵效率下降。简而言之，过高水位运行会造成管网污水流速过缓而滞留，使上一级泵站出水口围堰形成附加水柱，相当于上一级泵站的管阻增大，排流功率加大。以此类推，泵站管网将产生链级效应，使管网第章污水泵站运行丁况分析及悼能机理泵站的效率下降，由于管网水位增高降低了管网容纳峰流的能力，它是造成低海拔标段的污水外溢污染及管子承压破损的直接原因之一。（）漉入巍出工况在该工况下，泵站进水口水井及管网中水位将迅速下降，机泵实际运行扬程将升高。随着扬

16、程升高，机泵每分钟泵出流量会减少，由机泵的曲线可知机泵效率降低。一定条件下，由于扬程可看成正比于流量和时间的积分，即唾，流量、扬程不稳定带来的振动和噪声加剧，机泵将难以正常运行。在级入级工况下，随扬程的升高、从机泵耗能角度分析，根据机泵的一曲线可知，污水机泵功率排水耗能随之增加。（）鲸工况在该工况下，泵站进水井及管网中的水位保持不变。由于选择了理想的目标水位，水泵实际扬程降低，且水位运行在高效区，所以节电效果良好。同时，由于流入的流量能够被等量的泵出，所以链级效应将不存在，整个污水管网泵站处于最佳运行状态，能够达到耗能最小和污染最少的系统控制目标。但是目前在常规液位控制方式下，机泵配置运行很难

17、做到这一工况，因此，需要就系统和单机综合控制方法展开研究。综上分析，污水泵站机泵摊水节电运行，应当使机泵进水口水位升高到机泵设计的最佳扬程内，而后根据管网中实际流量的大小，跟踪流量排水才是理想的控制方式。这种控制方式既能保证机泵高效运行，又能兼顾在管网吸纳洪峰流量能力情况下，实现最佳扬程排水节电】。污水泵站节能机理的研究降低扬程，减少泵水耗能水泵抽水能耗大小主要由扬程决定，扬程越高，泵机提升等量污水做功越多，耗能也越大。因此、在运行条件许可的情况下应尽可能减小运行扬程。减小运行扬程的方法一般有以下几种：（）提高泵站前池运行水位。第章污水泵站运行工况分析及节能机理（）设法将高位井围堰设为可调堰门

18、。当后级泵站排水不畅或流入流量较大时，排水池口会出现污水水位上升，从而形成污水倒流的现象，此时需要提升围堰闸高度以防污水倒流。当流量较小且后级泵站排水合理，即排水池不会出现污水回流时，围堰闸没有必要保持在较高高度，可调整降低其高度甚至可以降到最低，以免无效扬程导致耗能增多。因此，围堰闸的高度应根据实际流量大小及后级泵站水位现况协调控制。（）避免附加扬程。目前大多数污水泵站泵机仍采用恒速排水方式，该种方式下往往会出现过量排流情况，因此，在进水流量较小时，避免恒速运行以避免高位井水位升高导致扬程升高造成不必要的能耗损失。但是在提高前池运行水位的时候，由于前池进水具有一定的波动性，容易引起前池中污水

19、溢出。在建立污水泵站系统最优控制模型的时候，不仅要使能耗最小，还要求管网污水溢出的概率最小。因此提高前池运行水位存在一定的风险。避免恒速运行以减少泵机的启停次数，减少磨损，现采用的方法主要就是引进变频装置。单位时间内泵机提升污水重力耗能如式（）所示：旦【日为扬程。如果扬程减小，由式（）得单位时间内泵水耗能可减少：（）其中，为进水池截面积，为流量，为污水的密度，为重力加速度，（）减少扬程的主要办法有：在前池不发生外溢的前提下，适当提高泵站前池运行水位；避免后池水位过高，形成附加扬程。目前大多数泵站仍采用恒速排水方式，这种方式下往往会出现过量排流的情况，即当流入流量减小时继续大流量排水，导致排水池

20、出现污水滞留现象，使得排水池水位升高，形成附加扬程。设置变频泵，调速运行，提高运行效率调速运行是指水泵在可调速的电机驱动下，通过改变转速来改变水泵装置的工况点。如果说对定速运行工况，考虑的是泵在固定的单一转速条件下，如何充分利用其一日曲线上的高效工作“段”，那么，对调速运行工况，将着眼第章污水泵站运行工况分析及节能机理于在城市管网用水量逐时变动的情况下，如何充分利用通过变速而形成的泵的一日曲线的高效工作“区”。因此，调速运行大大地扩展了泵的有效工作范围，是泵站运行中十分合理的调节方式。众所周知，由水泵特性曲线可以推算出水泵在一定流量情况下效率达到最大值。这就意味着，在恒速运行状态下，排水流量会

21、很快偏离高效运行区，效率便会迅速下降，即高效运行区是非常有限的。设置变频泵有助于解决此问题，调速运行便于实现泵出的污水流量等于流入的污水流量；同时，泵机在高效区运行，即根据流量变化进行调速，可以使机泵始终保持在高效率区运行。再者，受资金额度等条件的限制，污水排放总管主干网建成后，相应配套的污水收集系统并未建造或未完善，大量污水无法通过污水支管网正常集中到泵站总管中，造成泵站实际流量与设计前期的调查水量严重不符。这一客观事实对设计阶段如何正确选择水泵单机容量产生了影响。如果选择大、小水泵结合的办法，虽然能部分地解决泵站投运初期水量不足问题，但由于水泵容量不统一，造成运行管理和备品备件困难，还会造

22、成泵站正常运行后不必要的基建浪费，而且事实上也无法预知小容量水泵对应的投运初期的确切污水流量，因此不宜采纳。相对来说，在正确实施设计前期的污水量调查的基础上，按设计流量选择统一容量的多台水泵，并对其中至少二台水泵采用变频装置进行交替切换运行，则能圆满解决上述问题【】。优化泵机组合通常每一污水泵站中有配置有多台不同容量的机泵，单凭人工经验很难实现任一流量情况下泵站泵机机组的最佳运行方式，即实现进出水流量相等，保持运行水位不变】【“，因为泵站的进水流量受天气，人群行为等不确定因素的影响，很难预测。并且仅通过前池水位来控制泵的启停很容易造成机泵频繁启停，况且由于进水流量的不确定性与波动性，将造成机泵

23、磨损大，能耗高，终端的污水处理厂进水流量不稳定，需寻找一套优化控制切换方案，根据泵站当前水位、进水流量、流量变化等参数，优化运行机泵组合，减少机泵起停频率，可以进一步减少无效耗能。因此，本文研究的主要工作就是采用智能控制的方法，对上海市污水治理二期工程泵站的六台机泵进行合理的启停控制，对变频机泵进行调速控制，以减少扬程，并使机泵尽量运行在高效区，从而达到降低能耗的目的。污水泵站泵机变频调速节能机理研究通过泵机工作特性及流量、扬程、转速、功率诸参数相互关系的研究，可获得泵机调速节能的一般机理【”】。把相似定律应用于以不同转速运行的同一台叶片泵，就可以得到如下相似关系：鱼。堕吃甍（薏晓，瓮笥以上关

24、系式中：，水泵的流量（所）；日，皿水泵的扬程（）；，水泵轴功率（）；惕，吗水泵转速（）泵站中选用的水泵为上海公司所生产的型号的混流泵。在混流泵的作特性曲线图上可读出如下表所示数据：表￥混流泵工作特性曲线点表（）（）（）（）每个点都有，日，叩四个数据才能全面反映该点的工作状况。如果在某些工作点上不能同时读出日，四个数据，可按以下方法计算。水泵的效率：打；对。（一一）由式（）利用表中的数据，可以求出，进而可以求得要求各点的数据。七：丛（）由相似定律公式（）可以求出不同转速下，对应于额定转速（行）曲线上的个点的不同的一玎值，这样就可以做出一日，一，一，图。选取转速：、（）。不同转速下对应点的效率，由

25、式（）及式（）可得：，育：（）（前式中，凰，为某点的，值。从上可知，在不同转速下，各个对应点的效率不因转速的改变而改变。表，各个转速下水泵工作性能表（）（）（）（）（）（）（）（）第章污水泵站运行：况分析及竹能机理续表各个转速水泵一：作性能表（）（）（）（）（）（）（）（）将所得数据绘成曲线，如图、所示：量工群辗图一日曲线第章污水泵站运行：况分析及节能机理图一曲线图曲线由图可知：在定速运行状态下，扬程越大流量越小；水泵的转速越低，可调节的流量和扬程范围越小。由图可知：在定速运行状态下，达到一定流量之后，流量越大消耗的泵机功率反倒越少。由图可知：水泵在定速运第章污水泵站运行：况分析及节能机理行状

26、态下只有有限流量范围的高效区，离开了高效区，水泵效率迅速下降；基准转速曲线上不在高效区的流量，降低水泵转速，可以使该流量处于水泵运行高效区。由污水泵站的工况分析可知，要使水泵工作在最佳工况，必须在理想水位下使流入泵站进水井的流量等于水泵泵出流量。但是流入泵站进水井的流量受自然条件和人为因素的影响，变化比较大，用一般配置方法很难保证泵机的最佳运行工况。在定速运行状态下，泵机运行的高效区是有限的，达到流入流量等于泵出流量的同时往往不能保证水泵始终处在高效区运行，也就是说，在定速运行状态下保证流入进水井流量等于泵出流量，泵机的运行能耗是比较高的。在调速运行状态下，降低水泵的转速，使流入流量等于泵出流

27、量，同时可以使水泵运行处于高效区。由式（）可知，对于同一台水泵，当转速发生变化时，流量比等于转速比，扬程之比等于转速比的平方，功率之比等于转速比的立方。当转速降低时，流量与转速降低比例相同，而功率却下降很大。比如，当流入流量下降到原来的时，调节泵机的速度下降到原来的，泵出流量也下降到原来的，泵出流量等于流入流量，而功率却下降到原来的功率的，节电效果相当可观【“。综上所述，调速运行比常规定速运行节电。泵站运行工艺的确定最佳运行水位的选取要达到最小耗能、最小污染的目标，最佳的方案是使水位保持在最佳能耗水位，同时使流入流量等于泵出流量，这样泵站达到最佳运行工况。进水井目标水位越高，扬程越小，所需轴功

28、率越小。但是，水位高对进水管的压力就大，有可能引起管道破裂；此时泵水流量要求比较大，同时，水位冗余度小，在流量突然增大的情况下，容易使下级泵站污水溢出，从而造成环境污染。但目标水位设置过低，使扬程增大，相同流量下，轴功率越大，会造成不必要的电能浪费。因此，确定一个合适的运行水位是十分重要的。第章污水泵站远行一：况分析及节能机理最佳运行水位的选取是指在经过系统调试和实际运行经验总结后，适当抬高泵站前池的运行水位，在此水位条件下，扬程维持在一个较小值，机泵运行效率高，且可通过机泵调速运行来稳定水位，达到节能的目的。应该指出的是。最佳运行水位不能取得过高，一是因为要保证箱涵和泵站有一定的蓄水能力以应

29、对突发事件，二是保证污水不冒溢。运行控制工艺的确定污水泵站最优运行控制策略的前提是实现环境污染最小、能量消耗最小，也即在一定条件下流入管网的流量被等量的泵出。这就要求系统泵站协调控制每个链级泵站流入流量要等于泵出流量，但是在单个泵站控制中，被控对象机理复杂，具有非线性、慢时变、滞后性等特点，采用常规的控制很难获得满意的控制效果【“。模糊控制器不需要建立被控对象的精确数学模型，并且结构简单，具有良好的控制鲁棒性。因此，应用神经网络、模糊控制和蚁群算法等模糊自学习控制方案以及预测控制方案可以较好地实现这一目标，获得系统的最佳节能效果。本章小结本章主要分析了污水泵站的运行工况，当中详细介绍了流入与流

30、出流量关系的三种工况。通过泵站节能机理的研究，提出了三种节能方法。之后，详细介绍了污水泵站变频调速节能机理的研究。最后介绍了泵站运行工艺的确定。第章模糊控制器的设计第章模糊控制器的设计污水输送最优控制策略的前提是实现环境污染最少、能量消耗量最小，也即在一定条件下流入泵站的流量被等量的泵出。在单个泵站控制中，被控对象机理复杂，具有非线性、慢时变、滞后性等特点，采用常规的控制很难获得满意的控制效果。控制理论经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三阶段。经典控制理论和现代控制理论对于存在数学模型的领域发挥了非常大的作用，并取得了令人满意的控制效果。但是对于那些不具有数学模型的被控对象，往往无

31、能为力。人工智能【心是用除了数学式子以外的方法，把人们的思维过程模式化，并利用计算机来模仿人的智能的科学，它的应用更广泛，主要包括有判断、推理、预测、识别、规划、决策、学习和问题求解等。在自动控制向智能控制发展的过程中，模糊控制理论具有了广泛的应用前景。模糊控制器【】【捌不需要建立被控的精确数学模型，并且结构简单，具有良好的控制鲁棒性。因此，采用模糊控制器作为污水输送泵站系统的主要控制器是比较合适的。模糊控制及模糊控制器年教授发表了模糊集合论论文，提出用“隶属函数”来描述现象差异的中间过渡，从而突破了古典集合论中属于或不属于的绝对关系。这一开创性的工作，标志了数学的一个新的分支模糊数学的诞生。

32、模糊自动控制是以模糊数学为基础的，以其不依赖于对象的数学模型、鲁棒性好等特点，从诞生到现在的多年时间里，得到了迅速发展。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础，基于被控系统的物理特征，模拟人的思维方式和人的控制经验来实现的一种智能控制。它能有效地利用来自专家用语言表达的信息，并将其与传感器获得的定量信息结合起来，从而降低了复杂系统控制器的设计难度。模糊逻辑控制器（）简称为模糊控制器（），因为模糊控制器的控制规则是基于模糊条件语句描述的语言控制规第章模糊控制器的设计则，所以模糊控制器又称为模糊语言控制器。模糊控制器是模糊控制系统的核心，也是模糊控制系统区别于其他自动控制系统的主

33、要标志。模糊控制器的结构如图所示。它包括有；输入量模糊化接口、推理机和输出模糊化接口，其中推理机包含规则化和模糊关系综合两部分【。模，模糊解馍，糊厂规则关糊化化系处理一推；理叽一一一一一一一一一图模糊控制器的结构模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制输出的求解。模糊化接口主要是将真实的确定输入转换成一个模糊矢量。模糊控制器的设计方法模糊控制器在模糊自动控制系统中具有举足轻重的作用，因此在模糊控制系统中，设计和调整模糊控制器的工作是很重要的。但是，模糊控制器的设计方法与经典控制器不同，它不是建立在对系统的数学分析基础上的，而是先根据经验来确定它的各个参数和控制规则，然后在实际系统中进行调

34、整。模糊控制器的设计包括以下几项内容：（）确定模糊控制器的输入变量和输出变量（即控制量）；（）设计模糊控制器的控制规则；（）确定模糊化和非模糊化（又称解模糊）的方法；（）选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数：（）编制模糊控制算法的应用程序；（）合理选择模糊控制算法的采样时间。第章模糊控制器的设计模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。究竞选择哪些变量作为模糊控制器的信息量，还必须深入研究在手动控制过程中，人如何获取、输出信息，因为模糊控制器的控制规则归根到底还是要模拟人脑的思维决策方式。在手动控制过程中，人所能获取的信息量基本上

35、为三个：（）误差；（）误差的变化；（）误差变化的变化，即误差变化的速率。人对误差、误差的变化以及误差变化的速率的敏感程度是有差异的。一般说来，人对误差最敏感，其次是误差的变化，再次是误差变化的速率。由于模糊控制器的控制规则是根据人的手动控制规则提出的，所以模糊控制器的输入变量也可以有三个，即误差、误差的变化及误差变化的速率，输出变量一般选择控制量的变化。通常将模糊控制器的输入变量的个数称为模糊控制的维数。模糊控制器的结构对整个系统的性能有较大的影响，必须根据被控对象的具体情况，合理选择。模糊控制器一般有以下几种结构：（）一维模糊控制器这是一种最为简单的模糊控制器，输入输出变量均就一个。假设模糊

36、输入变量为，输出控制量为，此时，模糊控制规则有如下形式：鳟九，（）二维模糊控制器为方便起见，文中所指的二维是指模糊控制器的输入变量有两个，输出就一个。这类模糊控制器的规则的一般形式为：文越（）多维模糊控制器多维模糊控制器可以同时把系统的误差、误差的变化及误差变化的速率分别作为模糊控制器的输入变量。一维控制器的特点是简单明了，但是往往控制效果不佳。只要误差相同，第章模糊控制器的设计不论目前的误差是在快速增加还是在快速减小，采取的控制行为却是相同的，这必然导致控制性能变差。一般的来说，模糊控制器的维数越高，则控制精度也越高。但是维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现就相当困难，因此，多

37、维模糊控制器在控制系统中并不常用。目前被广泛采用的均为二维模糊控制器，这种控制器以误差和误差的变化作为输入变量，以控制量的变化作为输出变量。在本系统中我们采用二维模糊控制器，输入变量采用两种方式。首先，将前池液位的实际水位与目标水位的控制误差和控制误差的变化作为输入变量。其次，将前池液位与高位井液位作为输入变量。输出变量都选择泵站的泵出流量。模糊控制规则的设计模糊规则的选择过程可以简单的分成三部分：确定语言变量，确定语言变量的隶属度函数，最后建立模糊控制规则。（）选择描述输入和输出变量的词集模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入输出变量状态的一些词汇（如“正大”、“负

38、小”等）的集合，称为这些变量的词集（亦可以称为变量的模糊状态）。由于人的行为在正、负两个方向的判断基本上是对称的，将大、小再加上正、负两个方向并考虑变量的零状态，共有五个词汇，即：负大，负小，零，正小，正大用符号（英文缩写）表示则为：，）选择较多的词汇描述输入、输出变量，可以使制定控制规则方便，但是控制规则相应变得复杂。选择词汇过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器的性能变坏。一般情况下，选择五个词汇，但也可以根据实际系统需要选择三个或七个语言变量。描述输入、输出变量的词汇都具有模糊特性，可用模糊集合来表示。因此，模糊概念的确定问题就直接转化为求取模糊集合隶属度函数的问题。（）定义各模糊变量的

39、模糊子集定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。将墨！童垡塑丝塑墨竺堡盐确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，使构成一个相应的模糊变量的模糊子集。隶属函数曲线表示论域中的元素对模糊变量的隶属程度。隶属度函数曲线形状较尖的模糊子集其分辨率较高，控制灵敏度也较高；相反，隶属函数曲线形状较缓，控制特征也较平缓，系统稳定性较好。因此，在选择模糊变量的模糊集的隶属度时，在误差较大的区域采用低分辨率的模糊集，在误差较小的区域采用较高分辨率的模糊集，当误差接近于零时选用高分辨率的模糊集。控制规则条数的多少视输入及输出物理量数目及所需的控制精度而定。对于常用的二输入，一输

40、出控制过程，若每个输入量分成级，那么相应就有：条规则。在该系统中，将每个输入量分成了个等级，故相应的就有条规则。双输入单输出模糊控制器设计模糊控制器结构双输入一单输出控制器原理图如图所示。在实际运用中，人们一般是用系统输出的偏差和算出的偏差的变化率作为输入信息，而把控制量的变化作为控制器的输出，这样就确定了模糊控制器的结构。其中疋，表示量化因子，毛表示比例因子。图双输入一单输出模糊控制系统第章模糊控制器的设计精确量的模糊化将精确量（数字量）转换为模糊量的过程称为模糊化（），或称为模糊量化。经计算机计算出的控制变量均为精确量，须经过模糊量化处理，变为模糊量，以便实现模糊控制算法。模糊化一般采用如

41、下两种方法：（）把精确量离散化，如把在卜，】之间变化的连续量分为七个档次，每一个档次对应一个模糊集，这样处理使模糊化过程简单。否则，将每一精确量对应一个模糊子集，有无穷过个模糊子集，使模糊化过程复杂化。如果精确量的实际变化范围为【，】，将】区间的精确变量转换为【，】区间的变量，采用如下公式：生型糊量），则。，一般情况，如果把【口，】区间的精确量转换为【吲，叫区间的离散量，（模（）一掣，型（）（）第二种方法更为简单，它是将在某区间的精确量模糊化成这样的一个模糊子集，它在点处隶属度为，除点外其余各点的隶属度均为。模糊控制规则的构成对于双输入单输出的模糊控制器，其控制规则可写成下列形式：、文龟。实践表明，操作者对一个工业过程控制的经验可以总结为一系列推理语言规则【筇。如果将这一系列推理语言规则用表格形式表示出来，这个表实际是控制规则的模糊条件语句的综合表达形式，它被称为模糊控制规则表，其确定方法如下：第章模糊控制器的设计例如误差为负的情况，当误差为负大（），误差变化率为负或零时，为尽快消除偏差应当使控制量增加得快，所以控制量的变化取正大（）；一旦误差变化率为正，误差有减小的趋势，可以取较