簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 程培嘉
Pei - chia Cheng
論文名稱: 雨水抽水站監控系統之模糊控制研究
The Application of Fuzzy Control on Rain Water Pumping Station Monitoring System
指導教授: 黃緒哲
Shiuh-Jer Huang
口試委員: 黃安橋
An-Chyau Huang
蔡明忠
Ming-Jong Tsai
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 156
中文關鍵詞: 雨水抽水站前池尖峰水位模糊控制理論模糊滑動理論
外文關鍵詞: rain water pumping station, peak water level of pumping station basin, fuzzy control theory, fuzzy slide mode control
相關次數: 點閱:360下載:1
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

雨水抽水站是都市防洪最重要的一環,若能更安全及有效率的運轉,對市區防汛安全將有莫大的助益。傳統雨水抽水站的控制方法,稱之為固定水位控制模式,係以預設之前池水位來決定抽水機之啟動、停止時機。但是在颱風豪雨期間因天候降雨之不確定性,抽水站流入量、雨水到達時間及前池水位會隨著降雨強度而急遽變化,故實務上常需要依賴現場人員之經驗,彈性調整操作方式,因此如何提高抽水站之運轉效能,發展較佳的抽水站控制模式,是非常重要之課題。
本研究參考日本電氣學會論文,應用模糊控制理論來設計適合台北市抽水站之控制方法,並以台北市新長安抽水站為研究對象,收集其近年實際運轉紀錄與數據做模擬分析。本文依前池尖峰水位、抽水機開關次數、前池平均水位等三項評估指標,將所設計之模糊控制方法與傳統固定水位控制方法作性能比較分析,以驗證其適用性。另為縮減記憶體容量與即時控制之計算量,本研究亦應用模糊滑動理論,將二維變數減化為一維進行模糊控制器設計,以達到簡化效果。
經由實際水文資料模擬分析結果得知,利用模糊控制理論及模糊滑動理論所建構之控制方法,可使雨水抽水站之抽水機組更安全及有效率地運轉,對降低颱風豪雨期間市區淹水災害情形,有良好效果。


The rain-water pumping station is one of the most important parts of city flooding preventing system. The method of conventional rain-water pumping station is called fixed water level control, in which each pump start and stop operation depend on the preset water level of pumping station basin. Since the inflow, the rain-water reaching time and the water level of pumping station are changing rapidly with respect to different rainfall intensity during the typhoon or storm period, operators need to adjust the control situation manually based on their actual experience. In order to improve the pump running efficiency, develop a better control method is a very important topic.
In this thesis, the fuzzy control theory is employed to design an appropriate control method for a rain-water pumping station in Taipei city. The actual operation records and hydrology data of new Chang-an pumping station in recent years are chosen to simulate and analyze the control performance. The performance of fuzzy control method is compared with that of the conventional control method based on the following aspects, i.e., the peak water level of pumping station basin, the times of pumps on/off , and the mean water level of pumping station basin.
Based on the practical hydrology data simulation results, the proposed fuzzy control and fuzzy slide mode control methods can operate the rain-water pumping station pumps effectively and safety. It should be helpful for decreasing the possibility of flooding damage during typhoon or storm period.

摘 要I ABSTRACTII 誌 謝III 目錄IV 圖表目錄VIII 第一章 緒論1 1.1 前言1 1.2 文獻回顧2 1.3 研究動機5 1.4 本文架構6 第二章 雨水抽水站簡介與控制系統架構7 2.1 雨水抽水站簡介7 2.1.1 抽水站基本配置8 2.1.2 主要設備8 2.2 抽水站控制系統架構12 2.2.1 抽水站操作規則13 2.2.2 抽水站流入量計算15 2.2.3 抽水機抽水量計算18 2.2.4 重力閘門排水量計算21 2.2.5 系統動態方程式與輸入輸出關係22 第三章 模糊控制理論23 3.1 模糊控制(Fuzzy control)23 3.1.1 模糊控制理論23 3.1.2 模糊控制理論基礎24 3.2 滑動模式控制(Sliding mode control)29 3.2.1 滑動模式控制理論29 3.2.2 滑動模式控制基礎30 3.3 模糊滑動模式控制(Fuzzy Sliding Mode Control , FSMC)33 3.3.1 基本模糊滑動模式控制器設計33 第四章 研究方法與抽水站模擬分析之建模35 4.1 研究對象35 4.2 歷年重要颱風豪雨事件37 4.3 固定水位控制模式46 4.4 模糊控制模式47 4.4.1 輸入輸出變數48 4.4.2 正規化及逆正規化48 4.4.3 模糊化49 4.4.4 模糊規則表50 4.4.5 模糊推論53 4.4.6 解模糊化54 4.5 模糊滑動控制模式55 4.6 模擬分析之建模56 4.6.1 流入量計算模式57 4.6.2 固定水位控制模式60 4.6.3 模糊控制模式61 4.6.4 模糊滑動控制模式62 4.6.5 模擬參數之調整(k值)62 4.7 評估指標63 4.7.1 前池尖峰水位63 4.7.2 抽水機開關次數63 4.7.3 前池平均水位63 第五章 模擬結果64 5.1 固定水位控制模式模擬結果64 5.2 模糊控制模式模擬結果68 5.2.1 A組模糊規則表及調整參數K=1.068 5.2.2 A組模糊規則表及調整參數K=1.574 5.2.3 A組模糊規則表及調整參數K=2.078 5.2.4 B組模糊規則表及調整參數K=1.082 5.2.5 B組模糊規則表及調整參數K=1.588 5.2.6 B組模糊規則表及調整參數K=2.092 5.3 模糊滑動控制模式模擬結果96 5.3.1調整參數K=1.096 5.3.2調整參數K=1.5102 5.3.3調整參數K=2.0106 第六章 結果比較與討論111 6.1 模糊控制模式之A組模糊規則表(Fuzzy A table)111 6.1.1前池尖峰水位比較與討論111 6.1.2抽水機開關次數比較與討論113 6.1.3前池平均水位比較與討論115 6.2 模糊控制模式之B組模糊規則表(Fuzzy B table)117 6.2.1前池尖峰水位比較與討論117 6.2.2抽水機開關次數比較與討論119 6.2.3前池平均水位比較與討論121 6.3 模糊滑動控制模式(FSMC)123 6.3.1前池尖峰水位比較與討論123 6.3.2抽水機開關次數比較與討論125 6.3.3前池平均水位比較與討論127 6.4 Fuzzy Control與FSMC之比較與討論129 6.4.1 950910 豪雨事件比較與討論129 6.4.2 960304 豪雨事件比較與討論132 6.4.3 960623 豪雨事件比較與討論136 6.4.4 960711 豪雨事件比較與討論140 6.4.5 960804 豪雨事件比較與討論143 6.4.6 961006科羅莎颱風事件比較與討論147 第七章 結論及建議151 7.1 結論151 7.2 未來建議153 參考文獻154

【1】羅俊昇,”都市防洪排水策略”,新世紀治水策略研討會論文集, 2002.
【2】“台北市雨水下水道資料建檔電腦系統整體規劃報告書”, 台北市政府工務局養護工程處,2001.
【3】“抽水站管理作業手冊”, 台北市政府工務局水利工程處, 2006.
【4】Takahiro Shamoto, Yukinobu Terao, Akihiro Nagaiwa, Yukio Hiraoka, Atsushi Nari, and Yukio Hatsushika, “Practical Use of a Pump Control System Using Fuzzy Control”, Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan (IEE, Japan) ,2001.
【5】Akihiro Nagaiwa, Yukio Hiraoka, Atsushi Nari, and Yukio Hatsushika, “Rain Water Pump Control System Using Fuzzy Control Method”, Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan (IEE, Japan) ,2000.
【6】T. Shamoto, Y. Terao, Y. Wakasugi, S. Watanabe, Y. Hiraoka, A. Nagaiwa, A. Nari, N. Imai, and Y. Hatsushika, “Rain Water Pump Control System Using Fuzzy Control Method.”, Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan (IEE, Japan) ,1999.
【7】J. G. Ziegler, and N. B. Nichols,“Optimum Settings for Automatic Controllers,” Transaction of the ASME, vol.64, pp.759~768, 1942.
【8】L. A. Zadeh, “Fuzzy Sets“ Inform.Contr.,vol.8, pp. 338~353, 1965.

【9】G.C. Huang and S.C. Lin, “A Stability Approach to Fuzzy Control Design for Nonlinear System,” Fuzzy Set and System.,vol. 48, Issue 3, pp.279-287, 1992.
【10】“台北市抽水站自動化系統規劃報告書”, 台北市政府工務局養護工程處, 2004.
【11】“台北市下水道工程設施標準”, 台北市政府, 1990.
【12】“Introduction of Toshiba’s technologies for urban drainage”, Toshiba corporation, 2006.
【13】蘇宗智,”實用防洪泵浦設計”,新源出版社, 1974.
【14】C.C.Heald,“CAMERON HYDRAULIC DATA”, Eighteenth Edition Second Printing, Ingersoll-Dresser PUMP, 1995.
【15】“台北市新長安抽水站抽水機出廠測試報告書”, 台北市政府工務局養護工程處, 2000.
【16】朱佳仁,”工程流體力學”, 科技圖書股份有限公司, 2005.
【17】V. I. Utkin, “Variable structure system with sliding modes,” IEEE Trans. Automatic Control, Vol.AC-22, No.2. pp. 212-222, April 1977.
【18】V. I. Utkin, “Sliding Modes and Their Application in Variable Structure Systems, ” MIR Publishers, Moscow, 1978.
【19】J.-J. E. Slotine, “Tracking Control of Nonlinear Systems using Sliding Surfaces, ”Doctoral Dissertation, Massachusetts Institute of Technology, 1983.
【20】J.-J. E. Slotine, “Sliding Controller Design for Nonlinear Systems,” Int. Journal of Control, Vol.40, No.2, pp.421-433, 1984.
【21】J.-J. E. Slotine and W.Li, “Applied nonlinear control,” Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1991.
【22】黃安橋教授, “非線性系統上課講義”, 國立台灣科技大學機械工程研究所, 2004.
【23】“台北市排水系統檢討規劃報告書(第一分區)”, 台北市政府工務局養護工程處, 2004.
【24】“新長安抽水站操作及維護手冊”, 台北市政府工務局養護工程處, 2001。
【25】李允中,王小璠,蘇木春,”模糊理論及其應用”, 全華科技圖書股份有限公司, 2003.
【26】“Using Simulink”, The MathWork, Inc., 2000.
【27】“Simulink Basic”, 鈦思科技公司, 2006.
【28】張智星,”Matlab 程式設計與應用”, 清蔚科技股份有限公司, 2004.
【29】李宜達,”控制系統設計與模擬”, 全華科技圖書股份有限公司, 2004.
【30】“Fuzzy Logic Toolbox User’s Guide version2”, The MathWork, Inc., 2000.

無法下載圖示 全文公開日期 2011/06/16 (校內網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
QR CODE