談供水泵站的最佳控制策略論文

　　【摘 要】文章綜述了運動控制的主要方法，并針對供水系統的特性、控制中存在的問題，進行了供水泵站最佳控制策略的選取。

　　【關鍵詞】供水系統；供水泵站；PID控制；人工神經網絡；模糊控制；專家控制；控制策略

　　一、前言

　　隨著自動化程度的不斷提高，運動控制系統可以采用以前很難實現的復雜算法，控制性能也有了很大的提高。運動控制系統中控制器的智能化，為解決那些用傳統方法難以解決的復雜系統的控制提供了有效的理論和方法。運動控制方法較為成熟的有：PID控制算法、人工神經網絡控制、模糊控制、專家控制、仿人智能控制等。

　　二、運動控制的主要方法

　　1．PID控制。PID控制是最早發展起來的、應用領域至今仍然廣泛的控制方法之一，它是基于對象數學模型的方法，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。但對于非線形、時變不確定性系統，難以用常規的PID控制器達到理想的控制效果。而且，在實際生產中，由于受參數整定方法繁雜的困擾，常規的PID參數往往整定不良、性能欠佳。

　　2．人工神經網絡控制。人工神經網絡起源于20世紀40年代，它從某些方面反映了人腦的基本特征，但并不是人腦的真實描寫，而只是它的抽象、簡化和模擬，網絡的信息處理由神經元間的相互作用來實現。神經網絡控制的關鍵是選擇一個合適的神經網絡模型，并對其進行訓練與學習，直至達到要求為止，即尋找最優的神經網絡結構與權值。然而，神經網絡的學習，需要一定的實驗樣本，這些實驗樣本也必須從已知經驗和事先的實驗中獲得。同時，神經網絡的訓練與學習過程，有時較為復雜，需要運行成千上萬次才能獲得最佳結構。有時獲得的是一個局部最優解，而不是全局最優解，因方法的局限性，同樣也難于對所討論的對象實現有效的控制。

　　3．模糊控制。實際工程中，一個非常熟練的操作人員，能憑借自己豐富的實踐經驗，通過對現場的各種現象的判斷取得較滿意的控制效果。如果將憑經驗所采取的措施轉變成相應的控制規則，并且研制一個控制器來代替這些規則，也可實現對復雜工業過程的控制。實踐證明，以模糊控制理論為基礎的模糊控制器(FC)能夠完成這個任務。

　　模糊控制是基于模糊推理和模仿人的思維方法，對難以建立數學模型的對象實施的一種控制。它用模糊數學中的模糊集合來刻畫這些模糊語言，并用產生式規則，即“假如條件成立則執行”語句予以實現。模糊控制技術的應用在國內已取得明顯效果。

　　4．專家控制。專家控制是智能控制的一個重要部分，它在將專家系統的理論和技術同控制理論的理論和方法有機結合的基礎上，在未知環境下模仿專家的智能，實現對系統的有效控制。專家控制的核心是專家系統，它具有處理各種非結構性問題，尤其是處理定性的、啟發式的或不確定性的知識信息，經過各種推理過程達到系統的控制目標。

　　5．仿人智能控制。仿人智能控制(HSIC)經過20年來的努力，已形成了基本理論體系和較系統的設計方法，并在大量的實際應用中獲得成功。其主要內容是總結人的控制經驗，模仿人的控制思想和行為，以產生式規則描述其在控制方面的啟發與直覺推理行為。由于HSIC的基本特點是模仿控制專家的控制行為，因此它的控制算法是多模態控制的，是多種模態控制間的相互交替使用。該算法可以完美地協調控制系統中諸多相互矛盾的控制品質的要求。比如，魯棒性與精確性，快速性與平穩性等。

　　三、供水泵站特點與其控制要求

　　在城市建設的發展過程中，智能建筑已成為人們追求良好居住條件的一個標準，而供水泵站是智能建筑群域不可缺少的環節，合理選擇水泵的控制方式，不僅可以降低工程造價，還能節能。

　　1．供水系統特性。針對特定對象，用戶用水最突出的特點是隨機性，哪個用戶用水、用多少水、什么時候用水等，都具有很大的不確定性。從宏觀角度考慮，供水系統特性主要表現在以下幾個方面：

　　（1）系統參數的未知性、時變性、隨機性和分散性；

　　（2）系統滯后的未知性和時變性；

　　（3）系統嚴重的非線性；

　　（4）系統各變量間的關聯性；

　　（5）環境干擾的未知性、多樣性和隨機性。

　　2．控制中存在的問題。上述特性，屬于不確定性的復雜對象(或過程)的控制問題，傳統控制已經無能為力，主要表現在：

　　（1）不確定性問題。供水系統中的很多控制問題具有不確定性，用傳統方法難以建模，因而也無法實現有效的控制。

　　（2）高度非線性。在供水系統中有大量的非線性問題存在，傳統控制理論中，非線性理論遠不如線性理論成熟，因方法過分復雜而難以應用。

　　（3）半結構化與非結構化問題。傳統控制理論無法解決供水系統中的半結構化與非結構化問題。

　　（4）供水系統復雜性問題。復雜系統中各子系統間關系錯綜復雜，各要素間高度耦合，互相制約，外部環境又極其復雜，傳統控制缺乏有效的解決方法。

　　（5）可靠性問題。常規的基于數學模型的控制問題傾向于是一個相互依賴的整體，對簡單系統的控制的可靠性問題并不突出。而對供水系統，如果采用上述方法，則(下轉第18頁）（上接第16頁）可能由于條件的改變使整個控制系統崩潰。

　　由此可見，用傳統的方法不能對這類系統進行有效的控制，必須探索更有效的控制方法。

　　3．控制要求。無論采用什么樣的控制手段，都要滿足用戶用水需求(即維持一定的水壓)、保護環境不受噪聲污染，此外還要考慮節能。因此，控制要求可以確定為在滿足用戶對供水要求的前提下，盡可能減少環境污染和節約能源。

　　四、控制策略的選取

　　控制策略選取與被控對象特性是緊密相關的，錯誤或不當的控制策略往往會導致控制效果極差，甚至導致系統失控。

　　目前，在現代的供水泵站中為了節能都普遍采用了變頻器，為提高控制品質創造了良好條件。

　　變頻器里一般都有PID控制模塊，但對不確定性的供水復雜系統，用PID算法并不恰當。

　　人工神經網絡，因方法的局限性，同樣也難于對所討論的對象實現有效的控制。

　　專家控制系統(ECS)，由于特征信息的采集、特征信息的表達以及完備知識庫的建立實現難度大，采用專家控制系統也不一定是—個好的選擇。

　　以模糊控制理論為基礎的模糊控制器(FC)能夠實現對復雜工業過程的控制。其控制品質和效果還是令人滿意的，是一種可供選擇的策略。

　　仿人智能控制，專家分別采用HISC與FC控制策略對不確定性復雜對象(或過程)作過仿真研究，雖然兩者都是基于誤差和誤差變化率等來計算控制量，但因系統復雜、不確定性因素多、關聯性特強(強耦合)的特點，經現場試驗比較，HISC與FC都能實施有效控制，但控制品質與魯棒性前者更好，因此采用HSIC完成對不確定性供水系統的控制，是—種較理智的選擇。

　　五、結語

　　智能控制已廣泛應用于工業、農業、軍事等多個領域，已經解決了大量的傳統控制無法解決的實際控制應用問題，呈現出強大的生命力和發展前景，隨著基礎理論研究和實際應用的擴展，智能控制將會實現控制領域的一個大的飛躍。

　　【參考文獻】

　　[l]李太福，楊志，盛朝強，等．不確定性系統控制的相關問題分析[J]．重慶大學學報（自然科學版)，2002，25(2)．

　　[2]李士勇．模糊控制、神纖控制和智能控制論[M]．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2002．

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