一种基于模糊控制的恒压供水系统

摘要：介绍了小区模糊变频调速恒压控制系统的控制原理、软硬件设计及仿真结果。 关键词：模糊控制 恒压供水 变频调速 单片机 在传统的小区供水方式中，由于扬水较高且电机一直高速运行，造成的电能消耗比较大，几乎占到水费成本的一半以上。变频调速是一项有效的节能降耗技术，节电率很高，一般可节20%～40%。由于其具有高速精度高、功率因数高等特点，采用它可以提高出水质量、降低物科和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪声。 小区用水具有以下几个特点：（1）用水变化量大；（2）对水压的要求比较高；（3）流量基本上由用户控制。针对这些特点，本文提出一种基于模糊控制理论的新型恒压供水系统。它与传统的供水系统相比，不但可使水压保持恒定、节电节水，而且灵活性高、占地面积小、投资省、操作方便、运行可靠、具有良好的经济和社会效益。 1 系统的控制原理 本系统具备同时控制多台水泵的功能。根据不同场合、不同需要可以采取多台水泵同时运行、定时换泵等多种工作方式。泵电机全部软启动，以先启先停为原则。本系统具有变频器频率显示和实时压力显示；具有变频器故障、远传表故障、欠压超时和水位报警批示。 本系统以单片机为核心，在水泵的出水管道上安装一个压力传感器，用于检测管道压力，并把其压力信号变成0～5V的模拟电信号，送到单片机系统的A/D转换器输入端，经A/D转换后变成相应的数字信号，送入单片机进行数据处理。经单片机运算后的压力值 与设定的压力值进行比较，得出偏差值，再经PID调节得出控制参数，然后经A/D转换后变成0～10 V的模拟信号，送入变频器控制其输出频率的大小，以此改变水泵的电机转速，从而达到控制管道压力的目的。当实际管道压力小于给定压力时，变频器输出频率升高，电机转速加快，管道压力升高；反之，变频器频率降低，电机转速减小，管道压力降低。如此上下调整多次，直到偏差值为零为止。这样，实际压力值围绕设定压力值上下波动而稳定，从而保持供水压力恒定。 2 控制系统的硬件设计 基于单片机的变频恒压供水控制系统的硬件结构框图如图1所示。系统以AT89C52单片机作为整个系统的控制核心，应用其强大的接口功能，构成整个恒压供水控制的硬件系统。 本系统硬件主要由A/D转换器、D/A转换器、键盘、显示系统、电源、故障检测电路以及时钟系统等几部分组成。各模块的主要功能如下：（1）A/D转换器的功能是把水管的压力信号经传感器转换成0～5V的模拟电压信号，再变成数字信号，然后送入单片机；（2）D/A转换器的功能是把实际水压与设定压力之差经单片机处理后而输出的数据（8位立即数）转换成模拟电压信号，用以控制变频器的输出频率，从而控制电机的转速，达到控制水压的目的；（3）键盘用于通过人机对话的方式监控系统，例如改变系统的压力设定值等参换水泵的时间、水泵的工作方式等；（4）显示系统用于显示系统的工作状态，如设定的水压值、实际水压值、缺水和漏水警报等；（5）故障检测电路用于监测变频器、水泵以及蓄水池的状态。 3 模糊控制器设计 由于供水系统管网较长，流量变化缓慢，水压的调节有较大的滞后性，所以难以建立一个精确的数学模型，用传统的PID调节器难以获得满意的效果。模糊PID控制是结合PID控制和模糊控制而得出的一种新型控制方式。模糊控制器的优点是不要求掌握受控对象的精确的数学模型。笔者对模糊PID调节器与传统的PID调节器进行了Matlab仿真比较，如图2所示。其中曲线1是PID调节器的仿真曲线，曲线2是模糊PID调节器的仿真曲线。从图2中可以看出，曲线2的动态响应要比曲线1快得多，而且静态误差也比较小。因此，模糊PID控制器在控制过程的前期阶段具有模糊控制器的优点（动态响应快），而在控制过程的后期阶段又具有PID调节器的优势（静态误差小）。故本文采用的模糊PID调节器的优势（静态误差小）。故本文采用的模糊PID控制器比传统PID调节器具有优越的性能。 图3 从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数越高，模糊控制规则变的越复杂，控制算法实现起来越困难。基于以上分析，本文采用二维模糊控制器，输入量为误差量（E）和误差的变化量（EC），输出量为控制量的变化（U）。 E、EC和U的论域被划分为15个等级，即为： E={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7} EC={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7} U={-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7} 模糊子集的划分及其赋值： 确定描述E、EC和U的模糊语言变量为：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。用符号表示为：NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。即 E=EC=U={NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB} 根据小区实际供水情况和操作人员的实践经验，总结出模糊控制规则表，由控制规则按模糊推理合成规则求出相应的控制决策U，再按隶属度最大值的原则得到相应的控制量，经计算机离线计算并反复调试修正，最后得到实际应用的模糊控制表，将该表存于单片机中，系统运行时先根据输入数据计算出E、EC，然后将它们量化求出模糊量的论域值，接着查找模糊控制表获得控制量，再乘以比例系数即可得到输出量，最后将其送到D/A转换器转换成模拟量去控制变频器。系统的模糊控制原理图如图3所示，具体的模糊控制子程序流程图如图4所示。