利用虚拟仪器解决城市供水系统难题

　　引言

　　在城市中，关乎民生的问题总是会成为关注焦点，例如城市供水。由于能源的紧缺，水资源缺乏也成为城市化进程中的一个很大障碍。传统的泵组供水系统存在较多缺陷，如水压高低不稳定，能源大量浪费。而工厂的大量建立，使得工厂用电也成为城市的问题，每到用电高峰时节，城市供电矛盾为紧张。为了使城市能源利用化，设计师们针对城市供水系统提出了各种方法，但每种方法大都需要大量的设备投入和复杂编程，而且无法实现控制方式的自动化。本文在传统的控制方法基础上改进，应用虚拟仪器模糊控制技术来实现恒压供水，设计简单，操作界面美观大方，而且控制可靠，即保证了供水压力的稳定性，节约了能源，同时也为将来城市供水网络化管理提供了有效解决方案。

　　1 虚拟仪器控制简介

　　1.1 虚拟仪器

　　虚拟仪器，就是利用计算机为硬件平台，由用户设计定义虚拟面板，测控功能由软件实现的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用的测控仪器。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统的控制面板，以多种形式表达输出结果，利用计算机强大的软件功能实现数据的运算、分析、处理和保存，利用I/O接口设备完成信号采集、测量与控制。

　　1.2 虚拟仪器模糊控制器

　　虚拟仪器的模糊逻辑工具箱用于设计基于规则的模糊控制器，主要应用领域为工业过程控制及系统。它有如下4个子VI组成：

　　1.2.1 模糊逻辑控制器设计VI

　　它提供了友好的人机交互界面，由模糊隶属函数编辑器、模糊规则库编辑器和输入输出性能测试三部分组成。

　　1.2.2 加载模糊控制器VI

　　通过它将存于扩展名为FC的文件中的所有模糊控制器参数加载到模糊控制器VI中。

　　1.2.3 模糊控制器VI

　　它可以将设计好的模糊控制器作为一个功能模块添加到Labview的框图程序中。

　　1.2.4 测试模糊控制器VI

　　模糊化单元的作用在于，能将实数论域上的量转化成模糊逻辑系统所能处理的模糊量。使用Labview的模糊逻辑工具箱，不但可以在友好的图形化界面下设计模糊控制器，而且还可以利用Labview各种函数库（尤其是与数据采集设备等硬件相连接），迅速构建所需的控制系统，进行模糊控制器的实际仿真。

　　2 城市供水模糊控制原理

　　2.1 城市供水原理

　　整个控制系统由4台泵组成，由一台变频器切换控制泵的启、停、调速。通过编程使水泵按照一定的工艺要求来工作，在工作过程中，4台水泵依照水压的变化而依次启动，遵循的原则是先启，先停，如图1所示。

　　2.2 恒压供水控制原理

　　当系统开始工作时，首先在设定水压值，之后启动系统。系统首先启动M1水泵，M1水泵的转速开始增加，水管水压逐渐增大，压力检测仪检测水管压力，实时传给计算机，计算机通过实时计算来判断用户用水量大小，如果在经过T时间达不到设定值系统此时判断用水量大，于是将M1泵由变频控制转为普通的工频控制，实现全功率启动，再将M2水泵变频启动，水泵的转速增加，水压进一步加大，直到当前的水压值达到设定值，根据以上原理，在用水量增多时，则依次开启水泵，反之，当用水量减少，变频减小水泵的转速到下限值时，则依开启的顺序关闭水泵，使压力稳定在设定值，实现了恒压供水，整个控制过程是动态的，同时是自调整的，不需人为控制。

　　3 应用实例

　　3.1 控制系统的硬件组成

　　基于虚拟仪器的模糊控制系统采用一台PXI总线计算机，PXI6259模拟采集卡，信号调理，西门子变频器和水泵组成。整个控制都在计算机上通过Labview8.2编程实现。

　　3.2 Labview软件控制界面设计

　　使用Labview编程语言开发控制系统过程可分成两步：

　　（1）开发仪器面板、数据报表、板卡驱动程序、数据分析程序等；

　　（2）根据用户需求生成具有仪器面板，相应的数据分析管理功能的虚拟仪器。

　　基于虚拟仪器的模糊控制系统，如图2所示。

　　3.3 基于Labview编程的模糊控制器设计

　　以水压给定值SV和实际的水压测量值PV的误差e及e的变化率ec为控制器的输入，经模糊化后转为用模糊语言描述，通过模糊控制法则来判断控制量的真实值，之后此值通过PXI6259模板采集，来控制变频器，进而控制水泵的转速。该系统取5个模糊集合来描述水压的误差e，误差变化率ec和控制量u，在域{-4，4）上模糊集如下[NL，NB，NM，NS，0，PS，PM，PB，PL]。

　　在Labview环境下运行模糊逻辑控制器设计VI，通过隶属函数编辑器设置输入输出变量语言值和相应的隶属函数，为了使模糊控制器在目标范围下快速反映，同时也为了减小噪音的影响，增强控制器的鲁棒性，选取三角形隶属函数。 在Labview环境下运行FCT，打开FuzzyLog-icControlDesign模块，并通过具有交互式界面的FuzzySetEditor设计输入、输出变量的论域范围及各个语言变量的隶属函数形状等参数。3个变量e、ec和u的隶属函数为三角形，论域均离散为[-4，-3，-2-1，0，1，2，3，4]9级，通过Labview模糊集合编辑器可以直观方便地进行各项参数的设计和修改。通过Labview及其模糊逻辑工具包提供的交互式的图形编程环境，可以方便高效地进行基本模糊控制器的设计。

　　整个控制简单、实用，界面简捷、直观，便于操作，将保存的数据进行定期分析，来优化系统参数，达到能源使用化。整个设计能够满足实际城市供水系统的要求，同时能够达到节能化。

　　4 结论

　　基于虚拟仪器模糊控制恒压供水系统投入工作以后，在实际应用过程中，可以明显看到其节能效果。遇到用水高峰时，投入1到2台工频和1台变频调速；在用水低谷时，用1台变频即可满足用户的要求。同时不断对系统采集的数据进行分析、优化。此套控制系统与传统控制系统相比，平均节电达到30%～35%，大大提高了节电率。