大型污水輸送泵站的最優(yōu)控制策略研究

1、同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院碩士學(xué)位論文大型污水輸送泵站的最優(yōu)控制策略研究姓名：劉小莉申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：汪鐳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）為對象，針對泵站系統(tǒng)控制存在的問題，提出了一種全新的控制策略。污水泵站中的污水流量具有不確定性、滯后性和非線性等特點。本文以能耗最小和污染最小為系統(tǒng)控制目標(biāo)，對整個泵站系統(tǒng)提出了智能控制排放污水流量的算法。通過分析污水泵站的運行工況，提出了一系列減少泵站能耗的方法，主要有降低揚程，設(shè)置變頻泵進行調(diào)速運行，優(yōu)化泵機組合等，重點研究了污水泵站中泵機變頻調(diào)速的節(jié)能機理。針對上海市污水治理二期

2、工程泵站提出了模糊控制器變頻調(diào)速的控制策略，當(dāng)中詳細介紹了模糊控制器的設(shè)計并給出了一定的仿真結(jié)果。根據(jù)簡單遺傳算法的特點，提出了改進式遺傳算法，并詳細介紹了改進式遺傳算法在泵站機組啟停中的應(yīng)用，根據(jù)仿真結(jié)果表明，使用改進式遺傳算法來確定泵站機組的啟停，在滿足泵站流量約束條件下，能使得系統(tǒng)的能耗最小。最后給出了遺傳算法控制泵站機組啟停的方案及模糊控制器變頻調(diào)速污水輸送泵站的控制方案。關(guān)鍵詞：污水泵站，變頻調(diào)速，模糊控制器，遺傳算法胛，（，），凡，：，學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本人完全了解同濟大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)

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4、標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。簽名：畝小葡姍年月第章綜述第章綜述污水輸送泵站系統(tǒng)簡介在人們生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生的大量污水，如從城鎮(zhèn)住宅、工廠和各種公共建筑中不斷排出的各種各樣的污水和廢棄物，需要及時妥善地排除、處理或利用。排水工程的基本任務(wù)是保護環(huán)境免受污染，以促進工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和保障人民的健康與正常生活。其主要內(nèi)容包括：收集各種污水并及時輸送至適當(dāng)?shù)攸c；將污水妥善處理后排放或再利用。污水輸送泵站完成的是前項任務(wù)，污水處理廠則完成后一項任務(wù)。圖所示為城市污水排放系統(tǒng)中的合流污水泵站及排污管網(wǎng)系統(tǒng)示意圖。河道圖泵站污水管網(wǎng)示意圖大型污水輸送泵站的主要任務(wù)是匯集并提升區(qū)域管網(wǎng)集積的

5、污水，排入下級排水系統(tǒng)或污水處理廠。由于系統(tǒng)流量與揚程多變，泵站機泵控制是要確定其在污水外溢污染最小的前提下，系統(tǒng)提升污水重力耗能最少。同時，為排除積水，機泵運行狀態(tài)必須實現(xiàn)有效控制甜。以上海市污水治理二期工程泵站為例。泵站位于上海浦東新區(qū)，是上海市污水治理二期工程的控制中心、監(jiān)測中心、管理中心。泵站近期主要作用是將來自浦東中線及南線號泵站的合流污水提升后送往下一站的污水第章綜述處理廠。遠期則主要接納浦西南市、黃埔區(qū)的初期雨水、城市污水及浦東中線服務(wù)范圍內(nèi)的城市污水。主泵房內(nèi)工設(shè)置六臺主泵（五用一備），四臺定速泵（配用鼠籠式三相異步電動機），兩臺變頻泵（配用變頻調(diào)速電動機），以適應(yīng)于系統(tǒng)流量的

6、變化和減少開停泵次數(shù)。水泵將前池中的污水提升至高位井，高位井的污水通過二根出水箱涵出泵站輸向下游污水處理廠。當(dāng)前污水泵站系統(tǒng)控制中存在的問題及國內(nèi)外研究技術(shù)現(xiàn)狀由于污水管網(wǎng)中的水來自各類用戶排放的廢水及天然降水，其污水流量受人群行為、降雨，乃至管路泄漏等諸多不可測因素影響，不確定因素嚴(yán)重；下雨，特別是下暴雨時，由于區(qū)域內(nèi)部分雨水進入污水管網(wǎng)，使之水量陡增：此外，污水管網(wǎng)中的污水流量受閘、泵等設(shè)備影響，非線性嚴(yán)重。目前污水泵站控制的主要問題有：（）極大多數(shù)泵機仍然是恒速排水，不能做到進水量與排水量相等，深井泵水造成能量浪費。（）人工應(yīng)付式的直接排放管理、操作與個人經(jīng)驗和訓(xùn)練程度及責(zé)任程度有很大關(guān)

7、聯(lián)。（）泵站之問鏈級制抑相互協(xié)調(diào)性差，難做到流入、泵出流量平衡，易造成污水外溢、或高揚程大耗能泵水。（）缺乏對系統(tǒng)模型的研究，對污水泵站變揚程、變流量、變壓力工況下最佳節(jié)電排放等無深入研究，泵機通常處于高耗能運行。鑒于城市污水管網(wǎng)泵站排水中存在的問題，有必要采用先進的控制手段，特別是優(yōu)化的控制策略。國內(nèi)外對此問題的研究主要有：年美國的和提出地區(qū)的（污水管理模型），年日本東京都下水道局對湯島泵站進行改造探索，把模糊控制技術(shù)用于合流式污水泵站，獲得初步成功，并改變了排水領(lǐng)域難以實現(xiàn)自動化的觀點。年英國倫敦建立了用可編程控制水泵的地下水排放系統(tǒng)。年日本學(xué)者提出了合流式污水泵站模糊控制和遺傳算法應(yīng)用，

8、建立區(qū)域排污水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進行計算機仿真研究；年俄羅斯進行了莫斯科城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究?？傊l(fā)達國家已在做污水最佳控制節(jié)電排放的工作，熱點集中在算第章綜述法和控制策略、實現(xiàn)方法、應(yīng)用基礎(chǔ)研究上。總的來說，美、歐等發(fā)達國家在這一領(lǐng)域的研究已從理論型逐步轉(zhuǎn)為實用型，但還未有實用化的污水泵站管網(wǎng)控制系統(tǒng)。我國在年代末，我國開始研究將變頻器用于污水泵機獲取節(jié)電效果，但對整個污水泵站排放系統(tǒng)的深入研究不多見。污水泵站管網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)控制策略解決當(dāng)前污水排放系統(tǒng)存在問題的關(guān)鍵便是控制污水泵站排放系統(tǒng)使流入污水泵站的污水及時排出，即漉漉自。此時如果選擇了理想的目標(biāo)水位（由工況實際調(diào)試決定），不

9、僅使水泵實際揚程降低，而且使水泵運行在高效區(qū)，則可實現(xiàn)良好的節(jié)電效果。同時，由于流入的流量能夠被等量的泵出，所以鏈級效應(yīng)將不存在，整個污水排放系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)，實現(xiàn)動態(tài)平衡，即避免污水溢出事故發(fā)生又能節(jié)電排放。以耗能最小和污染最少為系統(tǒng)控制目標(biāo)，通過對區(qū)域污水流量測控及污水泵站機泵排水量的控制，實現(xiàn)泵站及區(qū)域管網(wǎng)流量自動調(diào)節(jié)，各泵站、管線污水流量進行優(yōu)化分配，并以最佳揚程排放，得以保證泵站機組在高效率區(qū)運行提高節(jié)電率。同時，實現(xiàn)對系統(tǒng)泵站水位、流量進行多參數(shù)協(xié)調(diào)控制，避免區(qū)域管網(wǎng)的污水從管口、集水井口外溢。現(xiàn)有的大部分污水泵站控制采用單一的水位作為參考量，通過人工值守進行手動控制或簡單的水

10、位信號反饋控制，這種控制手段，在有污水突發(fā)涌入泵站的情況下如果控制不及時，易造成污水溢出污染，為了防止這一情況發(fā)生，泵站都實行低水位高揚程污水排放，造成電能的巨大消耗。在當(dāng)今電能十分短缺的情況下，這種依靠單純的以水位作為控制指標(biāo)的排放方式已很難適應(yīng)時代發(fā)展。污水管網(wǎng)系統(tǒng)，本質(zhì)上就是對污水進行合理排放分配的系統(tǒng)。由于污水泵站管網(wǎng)系統(tǒng)流量排放主要依靠重力引流，泵站提升加壓的方式，因此城市污水管網(wǎng)及各泵站之間具有密切地關(guān)聯(lián)，這就要求管網(wǎng)系統(tǒng)實時控制。即：針對系統(tǒng)各個泵站的污水路徑及流量進行更好地再分配，使其達到最優(yōu)化，從而使管網(wǎng)中泵站之間相互協(xié)調(diào)運行，減少污水提升輸送時泵站泵機系統(tǒng)所消耗的電能。對于

11、如泵站這樣定速、變頻泵搭配使用的泵站，可以將理想目標(biāo)水位、第章綜述液位、流量作參考信號，把當(dāng)前的水位及管網(wǎng)污水流量及其變化率通過相關(guān)傳感器轉(zhuǎn)變成控制信號，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，改變泵機轉(zhuǎn)速療及泵機排水流量。轉(zhuǎn)速刀和流量間的對應(yīng)關(guān)系為：百甌百一也（）通過改變轉(zhuǎn)速實現(xiàn)排放流量的調(diào)節(jié)，使漉入線出有效控制污水泵站進水井及管網(wǎng)的水位。由于選了理想目標(biāo)水位，水泵揚程降低，且水泵運行在高效區(qū)，所以節(jié)電效果良好。變頻調(diào)速污水泵站排水節(jié)電控制系統(tǒng)通常由、，、，變頻器、控制器、傳感器、切換接觸器及熱電保護器等構(gòu)成。以期盡量使污水泵站進水口污水流量，滿足排流要求獲取得良好的節(jié)電效益。本文主要研究內(nèi)容本論文通過對污水輸

12、送泵站系統(tǒng)及其運行工況等方面的研究，提出了一系列減少污水泵站能耗的方法；并針對泵站的污水流量的不確定性、滯后性和非線性等特點，提出了將模糊控制與遺傳算法運用到泵站的控制當(dāng)中。具體完成的工作有：全面、系統(tǒng)的闡述了污水泵站系統(tǒng)控制中存在的問題、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，簡要介紹了污水管網(wǎng)的最優(yōu)控制策略及其意義。接著，通過分析泵站運行的基本工況，提出了一系列的泵站節(jié)能方法。之后，詳細介紹了模糊控制與遺傳算法在泵站控制中的應(yīng)用。最后，簡單介紹了泵站的最優(yōu)控制策略及實現(xiàn)方法。本章小結(jié)本章主要介紹了污水輸送泵站系統(tǒng)，并簡單介紹了上海市污水治理二期工程泵站的情況。之后，指出了當(dāng)前污水泵站系統(tǒng)控制中存在的問題及國內(nèi)外研

13、究技術(shù)現(xiàn)狀，簡單介紹了污水泵站管網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)控制策略。最后介紹了本文的主要研究內(nèi)容。第章污水泵站運行工況分析及節(jié)能機理第章污水泵站運行工況分析及節(jié)能機理污水輸送泵站運行工況分析市政部門為了滿足日常排水需要，一般在同一泵站都配有多臺機泵，供不同流量時排水使用（如泵站共有六臺機泵，五用一備，四臺定速，兩臺變頻調(diào)速）。具體工程實施中由于泵站實際流量的不確定性、非線性、難預(yù)測性，機泵的簡單組態(tài)很難做到流入泵站的流量奴漉出最佳的控流情況。實際流量及控制工況可歸納為三種：級漉工況；級入練工況及漉級出工況。這三種運行工況造成污水污染及耗能大小情況和對污水管網(wǎng)的影響各不相同。就各種工況影響分析如下：（）漉工況當(dāng)

14、流入泵站的實際流量流入出時，將導(dǎo)致泵站進水口污水井及管網(wǎng)中的污水水位升高，隨著水位升高，水泵實際揚程變小。（）式（）中，風(fēng)為靜揚程，即機泵進水口和出水口的水位差，為管路中水頭損失之總和（包括吸水管水頭損失和出水管水頭損失）。當(dāng)揚程降低時，機泵排流量隨之增大。但每臺機泵在恒速狀態(tài)下調(diào)節(jié)流量的能力是很有限的。單臺機泵過大的排流量也會引起另一些問題，如圍堰結(jié)構(gòu)的機泵排水量的大幅度增加會使圍堰出口閘門滯流影響增強，即機泵出水口由于滯流會形成附加水柱，這相當(dāng)于增加了污水機泵實際揚程，。它產(chǎn)生的壓力也可視為水泵管阻的增加。而水泵阻力矩的增大，使得電機加速的有效輸出力矩變化，使血轉(zhuǎn)速差增大，使得泵出流量變化

15、增大，這是不利于機泵系統(tǒng)穩(wěn)定工作的。這種周期性變化的或管阻使機泵工作點擺動，不但增加了排水能量損耗而且也因液流變化帶來機泵系統(tǒng)的機振及噪聲，同時還會造成氣蝕現(xiàn)象趨重，機泵效率下降。簡而言之，過高水位運行會造成管網(wǎng)污水流速過緩而滯留，使上一級泵站出水口圍堰形成附加水柱，相當(dāng)于上一級泵站的管阻增大，排流功率加大。以此類推，泵站管網(wǎng)將產(chǎn)生鏈級效應(yīng)，使管網(wǎng)第章污水泵站運行丁況分析及悼能機理泵站的效率下降，由于管網(wǎng)水位增高降低了管網(wǎng)容納峰流的能力，它是造成低海拔標(biāo)段的污水外溢污染及管子承壓破損的直接原因之一。（）漉入巍出工況在該工況下，泵站進水口水井及管網(wǎng)中水位將迅速下降，機泵實際運行揚程將升高。隨著揚

16、程升高，機泵每分鐘泵出流量會減少，由機泵的曲線可知機泵效率降低。一定條件下，由于揚程可看成正比于流量和時間的積分，即唾，流量、揚程不穩(wěn)定帶來的振動和噪聲加劇，機泵將難以正常運行。在級入級工況下，隨揚程的升高、從機泵耗能角度分析，根據(jù)機泵的一曲線可知，污水機泵功率排水耗能隨之增加。（）鯨工況在該工況下，泵站進水井及管網(wǎng)中的水位保持不變。由于選擇了理想的目標(biāo)水位，水泵實際揚程降低，且水位運行在高效區(qū)，所以節(jié)電效果良好。同時，由于流入的流量能夠被等量的泵出，所以鏈級效應(yīng)將不存在，整個污水管網(wǎng)泵站處于最佳運行狀態(tài)，能夠達到耗能最小和污染最少的系統(tǒng)控制目標(biāo)。但是目前在常規(guī)液位控制方式下，機泵配置運行很難

17、做到這一工況，因此，需要就系統(tǒng)和單機綜合控制方法展開研究。綜上分析，污水泵站機泵攤水節(jié)電運行，應(yīng)當(dāng)使機泵進水口水位升高到機泵設(shè)計的最佳揚程內(nèi)，而后根據(jù)管網(wǎng)中實際流量的大小，跟蹤流量排水才是理想的控制方式。這種控制方式既能保證機泵高效運行，又能兼顧在管網(wǎng)吸納洪峰流量能力情況下，實現(xiàn)最佳揚程排水節(jié)電】。污水泵站節(jié)能機理的研究降低揚程，減少泵水耗能水泵抽水能耗大小主要由揚程決定，揚程越高，泵機提升等量污水做功越多，耗能也越大。因此、在運行條件許可的情況下應(yīng)盡可能減小運行揚程。減小運行揚程的方法一般有以下幾種：（）提高泵站前池運行水位。第章污水泵站運行工況分析及節(jié)能機理（）設(shè)法將高位井圍堰設(shè)為可調(diào)堰門

18、。當(dāng)后級泵站排水不暢或流入流量較大時，排水池口會出現(xiàn)污水水位上升，從而形成污水倒流的現(xiàn)象，此時需要提升圍堰閘高度以防污水倒流。當(dāng)流量較小且后級泵站排水合理，即排水池不會出現(xiàn)污水回流時，圍堰閘沒有必要保持在較高高度，可調(diào)整降低其高度甚至可以降到最低，以免無效揚程導(dǎo)致耗能增多。因此，圍堰閘的高度應(yīng)根據(jù)實際流量大小及后級泵站水位現(xiàn)況協(xié)調(diào)控制。（）避免附加揚程。目前大多數(shù)污水泵站泵機仍采用恒速排水方式，該種方式下往往會出現(xiàn)過量排流情況，因此，在進水流量較小時，避免恒速運行以避免高位井水位升高導(dǎo)致?lián)P程升高造成不必要的能耗損失。但是在提高前池運行水位的時候，由于前池進水具有一定的波動性，容易引起前池中污水

19、溢出。在建立污水泵站系統(tǒng)最優(yōu)控制模型的時候，不僅要使能耗最小，還要求管網(wǎng)污水溢出的概率最小。因此提高前池運行水位存在一定的風(fēng)險。避免恒速運行以減少泵機的啟停次數(shù)，減少磨損，現(xiàn)采用的方法主要就是引進變頻裝置。單位時間內(nèi)泵機提升污水重力耗能如式（）所示：旦【日為揚程。如果揚程減小，由式（）得單位時間內(nèi)泵水耗能可減少：（）其中，為進水池截面積，為流量，為污水的密度，為重力加速度，（）減少揚程的主要辦法有：在前池不發(fā)生外溢的前提下，適當(dāng)提高泵站前池運行水位；避免后池水位過高，形成附加揚程。目前大多數(shù)泵站仍采用恒速排水方式，這種方式下往往會出現(xiàn)過量排流的情況，即當(dāng)流入流量減小時繼續(xù)大流量排水，導(dǎo)致排水池

20、出現(xiàn)污水滯留現(xiàn)象，使得排水池水位升高，形成附加揚程。設(shè)置變頻泵，調(diào)速運行，提高運行效率調(diào)速運行是指水泵在可調(diào)速的電機驅(qū)動下，通過改變轉(zhuǎn)速來改變水泵裝置的工況點。如果說對定速運行工況，考慮的是泵在固定的單一轉(zhuǎn)速條件下，如何充分利用其一日曲線上的高效工作“段”，那么，對調(diào)速運行工況，將著眼第章污水泵站運行工況分析及節(jié)能機理于在城市管網(wǎng)用水量逐時變動的情況下，如何充分利用通過變速而形成的泵的一日曲線的高效工作“區(qū)”。因此，調(diào)速運行大大地擴展了泵的有效工作范圍，是泵站運行中十分合理的調(diào)節(jié)方式。眾所周知，由水泵特性曲線可以推算出水泵在一定流量情況下效率達到最大值。這就意味著，在恒速運行狀態(tài)下，排水流量會

21、很快偏離高效運行區(qū)，效率便會迅速下降，即高效運行區(qū)是非常有限的。設(shè)置變頻泵有助于解決此問題，調(diào)速運行便于實現(xiàn)泵出的污水流量等于流入的污水流量；同時，泵機在高效區(qū)運行，即根據(jù)流量變化進行調(diào)速，可以使機泵始終保持在高效率區(qū)運行。再者，受資金額度等條件的限制，污水排放總管主干網(wǎng)建成后，相應(yīng)配套的污水收集系統(tǒng)并未建造或未完善，大量污水無法通過污水支管網(wǎng)正常集中到泵站總管中，造成泵站實際流量與設(shè)計前期的調(diào)查水量嚴(yán)重不符。這一客觀事實對設(shè)計階段如何正確選擇水泵單機容量產(chǎn)生了影響。如果選擇大、小水泵結(jié)合的辦法，雖然能部分地解決泵站投運初期水量不足問題，但由于水泵容量不統(tǒng)一，造成運行管理和備品備件困難，還會造

22、成泵站正常運行后不必要的基建浪費，而且事實上也無法預(yù)知小容量水泵對應(yīng)的投運初期的確切污水流量，因此不宜采納。相對來說，在正確實施設(shè)計前期的污水量調(diào)查的基礎(chǔ)上，按設(shè)計流量選擇統(tǒng)一容量的多臺水泵，并對其中至少二臺水泵采用變頻裝置進行交替切換運行，則能圓滿解決上述問題【】。優(yōu)化泵機組合通常每一污水泵站中有配置有多臺不同容量的機泵，單憑人工經(jīng)驗很難實現(xiàn)任一流量情況下泵站泵機機組的最佳運行方式，即實現(xiàn)進出水流量相等，保持運行水位不變】【“，因為泵站的進水流量受天氣，人群行為等不確定因素的影響，很難預(yù)測。并且僅通過前池水位來控制泵的啟停很容易造成機泵頻繁啟停，況且由于進水流量的不確定性與波動性，將造成機泵

23、磨損大，能耗高，終端的污水處理廠進水流量不穩(wěn)定，需尋找一套優(yōu)化控制切換方案，根據(jù)泵站當(dāng)前水位、進水流量、流量變化等參數(shù)，優(yōu)化運行機泵組合，減少機泵起停頻率，可以進一步減少無效耗能。因此，本文研究的主要工作就是采用智能控制的方法，對上海市污水治理二期工程泵站的六臺機泵進行合理的啟?？刂?，對變頻機泵進行調(diào)速控制，以減少揚程，并使機泵盡量運行在高效區(qū)，從而達到降低能耗的目的。污水泵站泵機變頻調(diào)速節(jié)能機理研究通過泵機工作特性及流量、揚程、轉(zhuǎn)速、功率諸參數(shù)相互關(guān)系的研究，可獲得泵機調(diào)速節(jié)能的一般機理【”】。把相似定律應(yīng)用于以不同轉(zhuǎn)速運行的同一臺葉片泵，就可以得到如下相似關(guān)系：魚。墮吃甍（薏曉，甕笥以上關(guān)

24、系式中：，水泵的流量（所）；日，皿水泵的揚程（）；，水泵軸功率（）；惕，嗎水泵轉(zhuǎn)速（）泵站中選用的水泵為上海公司所生產(chǎn)的型號的混流泵。在混流泵的作特性曲線圖上可讀出如下表所示數(shù)據(jù)：表￥混流泵工作特性曲線點表（）（）（）（）每個點都有，日，叩四個數(shù)據(jù)才能全面反映該點的工作狀況。如果在某些工作點上不能同時讀出日，四個數(shù)據(jù)，可按以下方法計算。水泵的效率：打；對。（一一）由式（）利用表中的數(shù)據(jù)，可以求出，進而可以求得要求各點的數(shù)據(jù)。七：叢（）由相似定律公式（）可以求出不同轉(zhuǎn)速下，對應(yīng)于額定轉(zhuǎn)速（行）曲線上的個點的不同的一玎值，這樣就可以做出一日，一，一，圖。選取轉(zhuǎn)速：、（）。不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)點的效率，由

25、式（）及式（）可得：，育：（）（前式中，凰，為某點的，值。從上可知，在不同轉(zhuǎn)速下，各個對應(yīng)點的效率不因轉(zhuǎn)速的改變而改變。表，各個轉(zhuǎn)速下水泵工作性能表（）（）（）（）（）（）（）（）第章污水泵站運行：況分析及竹能機理續(xù)表各個轉(zhuǎn)速水泵一：作性能表（）（）（）（）（）（）（）（）將所得數(shù)據(jù)繪成曲線，如圖、所示：量工群輾圖一日曲線第章污水泵站運行：況分析及節(jié)能機理圖一曲線圖曲線由圖可知：在定速運行狀態(tài)下，揚程越大流量越小；水泵的轉(zhuǎn)速越低，可調(diào)節(jié)的流量和揚程范圍越小。由圖可知：在定速運行狀態(tài)下，達到一定流量之后，流量越大消耗的泵機功率反倒越少。由圖可知：水泵在定速運第章污水泵站運行：況分析及節(jié)能機理行狀

26、態(tài)下只有有限流量范圍的高效區(qū)，離開了高效區(qū)，水泵效率迅速下降；基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速曲線上不在高效區(qū)的流量，降低水泵轉(zhuǎn)速，可以使該流量處于水泵運行高效區(qū)。由污水泵站的工況分析可知，要使水泵工作在最佳工況，必須在理想水位下使流入泵站進水井的流量等于水泵泵出流量。但是流入泵站進水井的流量受自然條件和人為因素的影響，變化比較大，用一般配置方法很難保證泵機的最佳運行工況。在定速運行狀態(tài)下，泵機運行的高效區(qū)是有限的，達到流入流量等于泵出流量的同時往往不能保證水泵始終處在高效區(qū)運行，也就是說，在定速運行狀態(tài)下保證流入進水井流量等于泵出流量，泵機的運行能耗是比較高的。在調(diào)速運行狀態(tài)下，降低水泵的轉(zhuǎn)速，使流入流量等于泵出流

27、量，同時可以使水泵運行處于高效區(qū)。由式（）可知，對于同一臺水泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，流量比等于轉(zhuǎn)速比，揚程之比等于轉(zhuǎn)速比的平方，功率之比等于轉(zhuǎn)速比的立方。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，流量與轉(zhuǎn)速降低比例相同，而功率卻下降很大。比如，當(dāng)流入流量下降到原來的時，調(diào)節(jié)泵機的速度下降到原來的，泵出流量也下降到原來的，泵出流量等于流入流量，而功率卻下降到原來的功率的，節(jié)電效果相當(dāng)可觀【“。綜上所述，調(diào)速運行比常規(guī)定速運行節(jié)電。泵站運行工藝的確定最佳運行水位的選取要達到最小耗能、最小污染的目標(biāo)，最佳的方案是使水位保持在最佳能耗水位，同時使流入流量等于泵出流量，這樣泵站達到最佳運行工況。進水井目標(biāo)水位越高，揚程越小，所需軸功

28、率越小。但是，水位高對進水管的壓力就大，有可能引起管道破裂；此時泵水流量要求比較大，同時，水位冗余度小，在流量突然增大的情況下，容易使下級泵站污水溢出，從而造成環(huán)境污染。但目標(biāo)水位設(shè)置過低，使揚程增大，相同流量下，軸功率越大，會造成不必要的電能浪費。因此，確定一個合適的運行水位是十分重要的。第章污水泵站遠行一：況分析及節(jié)能機理最佳運行水位的選取是指在經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試和實際運行經(jīng)驗總結(jié)后，適當(dāng)抬高泵站前池的運行水位，在此水位條件下，揚程維持在一個較小值，機泵運行效率高，且可通過機泵調(diào)速運行來穩(wěn)定水位，達到節(jié)能的目的。應(yīng)該指出的是。最佳運行水位不能取得過高，一是因為要保證箱涵和泵站有一定的蓄水能力以應(yīng)

29、對突發(fā)事件，二是保證污水不冒溢。運行控制工藝的確定污水泵站最優(yōu)運行控制策略的前提是實現(xiàn)環(huán)境污染最小、能量消耗最小，也即在一定條件下流入管網(wǎng)的流量被等量的泵出。這就要求系統(tǒng)泵站協(xié)調(diào)控制每個鏈級泵站流入流量要等于泵出流量，但是在單個泵站控制中，被控對象機理復(fù)雜，具有非線性、慢時變、滯后性等特點，采用常規(guī)的控制很難獲得滿意的控制效果【“。模糊控制器不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，并且結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的控制魯棒性。因此，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和蟻群算法等模糊自學(xué)習(xí)控制方案以及預(yù)測控制方案可以較好地實現(xiàn)這一目標(biāo)，獲得系統(tǒng)的最佳節(jié)能效果。本章小結(jié)本章主要分析了污水泵站的運行工況，當(dāng)中詳細介紹了流入與流

30、出流量關(guān)系的三種工況。通過泵站節(jié)能機理的研究，提出了三種節(jié)能方法。之后，詳細介紹了污水泵站變頻調(diào)速節(jié)能機理的研究。最后介紹了泵站運行工藝的確定。第章模糊控制器的設(shè)計第章模糊控制器的設(shè)計污水輸送最優(yōu)控制策略的前提是實現(xiàn)環(huán)境污染最少、能量消耗量最小，也即在一定條件下流入泵站的流量被等量的泵出。在單個泵站控制中，被控對象機理復(fù)雜，具有非線性、慢時變、滯后性等特點，采用常規(guī)的控制很難獲得滿意的控制效果?？刂评碚摻?jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三階段。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論對于存在數(shù)學(xué)模型的領(lǐng)域發(fā)揮了非常大的作用，并取得了令人滿意的控制效果。但是對于那些不具有數(shù)學(xué)模型的被控對象，往往無

31、能為力。人工智能【心是用除了數(shù)學(xué)式子以外的方法，把人們的思維過程模式化，并利用計算機來模仿人的智能的科學(xué)，它的應(yīng)用更廣泛，主要包括有判斷、推理、預(yù)測、識別、規(guī)劃、決策、學(xué)習(xí)和問題求解等。在自動控制向智能控制發(fā)展的過程中，模糊控制理論具有了廣泛的應(yīng)用前景。模糊控制器【】【捌不需要建立被控的精確數(shù)學(xué)模型，并且結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的控制魯棒性。因此，采用模糊控制器作為污水輸送泵站系統(tǒng)的主要控制器是比較合適的。模糊控制及模糊控制器年教授發(fā)表了模糊集合論論文，提出用“隸屬函數(shù)”來描述現(xiàn)象差異的中間過渡，從而突破了古典集合論中屬于或不屬于的絕對關(guān)系。這一開創(chuàng)性的工作，標(biāo)志了數(shù)學(xué)的一個新的分支模糊數(shù)學(xué)的誕生。

32、模糊自動控制是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的，以其不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型、魯棒性好等特點，從誕生到現(xiàn)在的多年時間里，得到了迅速發(fā)展。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)，基于被控系統(tǒng)的物理特征，模擬人的思維方式和人的控制經(jīng)驗來實現(xiàn)的一種智能控制。它能有效地利用來自專家用語言表達的信息，并將其與傳感器獲得的定量信息結(jié)合起來，從而降低了復(fù)雜系統(tǒng)控制器的設(shè)計難度。模糊邏輯控制器（）簡稱為模糊控制器（），因為模糊控制器的控制規(guī)則是基于模糊條件語句描述的語言控制規(guī)第章模糊控制器的設(shè)計則，所以模糊控制器又稱為模糊語言控制器。模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動控制系統(tǒng)的主

33、要標(biāo)志。模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖所示。它包括有；輸入量模糊化接口、推理機和輸出模糊化接口，其中推理機包含規(guī)則化和模糊關(guān)系綜合兩部分【。模，模糊解饃，糊廠規(guī)則關(guān)糊化化系處理一推；理嘰一一一一一一一一一圖模糊控制器的結(jié)構(gòu)模糊控制器的輸入必須通過模糊化才能用于模糊控制輸出的求解。模糊化接口主要是將真實的確定輸入轉(zhuǎn)換成一個模糊矢量。模糊控制器的設(shè)計方法模糊控制器在模糊自動控制系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，因此在模糊控制系統(tǒng)中，設(shè)計和調(diào)整模糊控制器的工作是很重要的。但是，模糊控制器的設(shè)計方法與經(jīng)典控制器不同，它不是建立在對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析基礎(chǔ)上的，而是先根據(jù)經(jīng)驗來確定它的各個參數(shù)和控制規(guī)則，然后在實際系統(tǒng)中進行調(diào)

34、整。模糊控制器的設(shè)計包括以下幾項內(nèi)容：（）確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量（即控制量）；（）設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則；（）確定模糊化和非模糊化（又稱解模糊）的方法；（）選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)：（）編制模糊控制算法的應(yīng)用程序；（）合理選擇模糊控制算法的采樣時間。第章模糊控制器的設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。究競選擇哪些變量作為模糊控制器的信息量，還必須深入研究在手動控制過程中，人如何獲取、輸出信息，因為模糊控制器的控制規(guī)則歸根到底還是要模擬人腦的思維決策方式。在手動控制過程中，人所能獲取的信息量基本上

35、為三個：（）誤差；（）誤差的變化；（）誤差變化的變化，即誤差變化的速率。人對誤差、誤差的變化以及誤差變化的速率的敏感程度是有差異的。一般說來，人對誤差最敏感，其次是誤差的變化，再次是誤差變化的速率。由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)人的手動控制規(guī)則提出的，所以模糊控制器的輸入變量也可以有三個，即誤差、誤差的變化及誤差變化的速率，輸出變量一般選擇控制量的變化。通常將模糊控制器的輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制的維數(shù)。模糊控制器的結(jié)構(gòu)對整個系統(tǒng)的性能有較大的影響，必須根據(jù)被控對象的具體情況，合理選擇。模糊控制器一般有以下幾種結(jié)構(gòu)：（）一維模糊控制器這是一種最為簡單的模糊控制器，輸入輸出變量均就一個。假設(shè)模糊

36、輸入變量為，輸出控制量為，此時，模糊控制規(guī)則有如下形式：鱒九，（）二維模糊控制器為方便起見，文中所指的二維是指模糊控制器的輸入變量有兩個，輸出就一個。這類模糊控制器的規(guī)則的一般形式為：文越（）多維模糊控制器多維模糊控制器可以同時把系統(tǒng)的誤差、誤差的變化及誤差變化的速率分別作為模糊控制器的輸入變量。一維控制器的特點是簡單明了，但是往往控制效果不佳。只要誤差相同，第章模糊控制器的設(shè)計不論目前的誤差是在快速增加還是在快速減小，采取的控制行為卻是相同的，這必然導(dǎo)致控制性能變差。一般的來說，模糊控制器的維數(shù)越高，則控制精度也越高。但是維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法的實現(xiàn)就相當(dāng)困難，因此，多

37、維模糊控制器在控制系統(tǒng)中并不常用。目前被廣泛采用的均為二維模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差的變化作為輸入變量，以控制量的變化作為輸出變量。在本系統(tǒng)中我們采用二維模糊控制器，輸入變量采用兩種方式。首先，將前池液位的實際水位與目標(biāo)水位的控制誤差和控制誤差的變化作為輸入變量。其次，將前池液位與高位井液位作為輸入變量。輸出變量都選擇泵站的泵出流量。模糊控制規(guī)則的設(shè)計模糊規(guī)則的選擇過程可以簡單的分成三部分：確定語言變量，確定語言變量的隸屬度函數(shù)，最后建立模糊控制規(guī)則。（）選擇描述輸入和輸出變量的詞集模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞匯（如“正大”、“負(fù)

38、小”等）的集合，稱為這些變量的詞集（亦可以稱為變量的模糊狀態(tài)）。由于人的行為在正、負(fù)兩個方向的判斷基本上是對稱的，將大、小再加上正、負(fù)兩個方向并考慮變量的零狀態(tài)，共有五個詞匯，即：負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大用符號（英文縮寫）表示則為：，）選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定控制規(guī)則方便，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得復(fù)雜。選擇詞匯過少，使得描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變壞。一般情況下，選擇五個詞匯，但也可以根據(jù)實際系統(tǒng)需要選擇三個或七個語言變量。描述輸入、輸出變量的詞匯都具有模糊特性，可用模糊集合來表示。因此，模糊概念的確定問題就直接轉(zhuǎn)化為求取模糊集合隸屬度函數(shù)的問題。（）定義各模糊變量的

39、模糊子集定義一個模糊子集，實際上就是要確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的形狀。將墨！童垡塑絲塑墨竺堡鹽確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個點上的隸屬度，使構(gòu)成一個相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。隸屬函數(shù)曲線表示論域中的元素對模糊變量的隸屬程度。隸屬度函數(shù)曲線形狀較尖的模糊子集其分辨率較高，控制靈敏度也較高；相反，隸屬函數(shù)曲線形狀較緩，控制特征也較平緩，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。因此，在選擇模糊變量的模糊集的隸屬度時，在誤差較大的區(qū)域采用低分辨率的模糊集，在誤差較小的區(qū)域采用較高分辨率的模糊集，當(dāng)誤差接近于零時選用高分辨率的模糊集。控制規(guī)則條數(shù)的多少視輸入及輸出物理量數(shù)目及所需的控制精度而定。對于常用的二輸入，一輸

40、出控制過程，若每個輸入量分成級，那么相應(yīng)就有：條規(guī)則。在該系統(tǒng)中，將每個輸入量分成了個等級，故相應(yīng)的就有條規(guī)則。雙輸入單輸出模糊控制器設(shè)計模糊控制器結(jié)構(gòu)雙輸入一單輸出控制器原理圖如圖所示。在實際運用中，人們一般是用系統(tǒng)輸出的偏差和算出的偏差的變化率作為輸入信息，而把控制量的變化作為控制器的輸出，這樣就確定了模糊控制器的結(jié)構(gòu)。其中疋，表示量化因子，毛表示比例因子。圖雙輸入一單輸出模糊控制系統(tǒng)第章模糊控制器的設(shè)計精確量的模糊化將精確量（數(shù)字量）轉(zhuǎn)換為模糊量的過程稱為模糊化（），或稱為模糊量化。經(jīng)計算機計算出的控制變量均為精確量，須經(jīng)過模糊量化處理，變?yōu)槟：?，以便實現(xiàn)模糊控制算法。模糊化一般采用如

41、下兩種方法：（）把精確量離散化，如把在卜，】之間變化的連續(xù)量分為七個檔次，每一個檔次對應(yīng)一個模糊集，這樣處理使模糊化過程簡單。否則，將每一精確量對應(yīng)一個模糊子集，有無窮過個模糊子集，使模糊化過程復(fù)雜化。如果精確量的實際變化范圍為【，】，將】區(qū)間的精確變量轉(zhuǎn)換為【，】區(qū)間的變量，采用如下公式：生型糊量），則。，一般情況，如果把【口，】區(qū)間的精確量轉(zhuǎn)換為【吲，叫區(qū)間的離散量，（模（）一掣，型（）（）第二種方法更為簡單，它是將在某區(qū)間的精確量模糊化成這樣的一個模糊子集，它在點處隸屬度為，除點外其余各點的隸屬度均為。模糊控制規(guī)則的構(gòu)成對于雙輸入單輸出的模糊控制器，其控制規(guī)則可寫成下列形式：、文龜。實踐表明，操作者對一個工業(yè)過程控制的經(jīng)驗可以總結(jié)為一系列推理語言規(guī)則【筇。如果將這一系列推理語言規(guī)則用表格形式表示出來，這個表實際是控制規(guī)則的模糊條件語句的綜合表達形式，它被稱為模糊控制規(guī)則表，其確定方法如下：第章模糊控制器的設(shè)計例如誤差為負(fù)的情況，當(dāng)誤差為負(fù)大（），誤差變化率為負(fù)或零時，為盡快消除偏差應(yīng)當(dāng)使控制量增加得快，所以控制量的變化取正大（）；一旦誤差變化率為正，誤差有減小的趨勢，可以取較