一種基于模糊控制的恒壓供水系統(tǒng)

一種基于模糊控制的恒壓供水系統(tǒng) [日期：2006-1-4] 來源：電子技術(shù)應(yīng)用 作者：姜義初 王豪才 陳志云 [字體：變頻調(diào)速恒壓控制系統(tǒng)的控制原理、軟硬件設(shè)計及仿真結(jié)果。 關(guān)鍵詞：模糊控制 恒壓供水 變頻調(diào)速 單片機在傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式中，由于揚水較高且電機一直高速運行，造成的電能消耗比較大，幾乎占到水費成本的一半以上。變頻調(diào)速是一項有效的節(jié)能降耗技術(shù)，節(jié)電率很高，一般可節(jié)20%～40%。由于其具有高速精度高、功率因數(shù)高等特點，采用它可以提高出水質(zhì)量、降低物科和設(shè)備的損耗，同時也能減少機械磨損和噪聲。小區(qū)用水具有以下幾個特點：（1）用水變化量大；（2）對水壓的要求比較高；（3）流量基本上由用戶控制。針對這些特點，本文提出一種基于模糊控制理論的新型恒壓供水系統(tǒng)。它與傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)相比，不但可使水壓保持恒定、節(jié)電節(jié)水，而且靈活性高、占地面積小、投資省、操作方便、運行可靠、具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

1 系統(tǒng)的控制原理本系統(tǒng)具備同時控制多臺水泵的功能。根據(jù)不同場合、不同需要可以采取多臺水泵同時運行、定時換泵等多種工作方式。泵電機全部軟啟動，以先啟先停為原則。本系統(tǒng)具有變頻器頻率顯示和實時壓力顯示；具有變頻器故障、遠傳表故障、欠壓超時和水位報警批示。本系統(tǒng)以單片機為核心，在水泵的出水管道上安裝一個壓力傳感器，用于檢測管道壓力，并把其壓力信號變成0～5V的模擬電信號，送到單片機系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器輸入端，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變成相應(yīng)的數(shù)字信號，送入單片機進行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)單片機運算后的壓力值 與設(shè)定的壓力值進行比較，得出偏差值，再經(jīng)PID調(diào)節(jié)得出控制參數(shù)，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變成0～10 V的模擬信號，送入變頻器控制其輸出頻率的大小，以此改變水泵的電機轉(zhuǎn)速，從而達到控制管道壓力的目的。當實際管道壓力小于給定壓力時，變頻器輸出頻率升高，電機轉(zhuǎn)速加快，管道壓力升高；反之，變頻器頻率降低，電機轉(zhuǎn)速減小，管道壓力降低。如此上下調(diào)整多次，直到偏差值為零為止。這樣，實際壓力值圍繞設(shè)定壓力值上下波動而穩(wěn)定，從而保持供水壓力恒定。2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計基于單片機的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以AT89C52單片機作為整個系統(tǒng)的控制核心，應(yīng)用其*的接口功能，構(gòu)成整個恒壓供水控制的硬件系統(tǒng)。

本系統(tǒng)硬件主要由A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、鍵盤、顯示系統(tǒng)、電源、故障檢測電路以及時鐘系統(tǒng)等幾部分組成。各模塊的主要功能如下：（1）A/D轉(zhuǎn)換器的功能是把水管的壓力信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成0～5V的模擬電壓信號，再變成數(shù)字信號，然后送入單片機；（2）D/A轉(zhuǎn)換器的功能是把實際水壓與設(shè)定壓力之差經(jīng)單片機處理后而輸出的數(shù)據(jù)（8位立即數(shù)）轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，用以控制變頻器的輸出頻率，從而控制電機的轉(zhuǎn)速，達到控制水壓的目的；（3）鍵盤用于通過人機對話的方式監(jiān)控系統(tǒng)，例如改變系統(tǒng)的壓力設(shè)定值等參換水泵的時間、水泵的工作方式等；（4）顯示系統(tǒng)用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如設(shè)定的水壓值、實際水壓值、缺水和漏水警報等；（5）故障檢測電路用于監(jiān)測變頻器、水泵以及蓄水池的狀態(tài)。3 模糊控制器設(shè)計由于供水系統(tǒng)管網(wǎng)較長，流量變化緩慢，水壓的調(diào)節(jié)有較大的滯后性，所以難以建立一個精確的數(shù)學模型，用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器難以獲得滿意的效果。模糊PID控制是結(jié)合PID控制和模糊控制而得出的一種新型控制方式。模糊控制器的優(yōu)點是不要求掌握受控對象的精確的數(shù)學模型。筆者對模糊PID調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器進行了Matlab仿真比較，如圖2所示。其中曲線1是PID調(diào)節(jié)器的仿真曲線，曲線2是模糊PID調(diào)節(jié)器的仿真曲線。從圖2中可以看出，曲線2的動態(tài)響應(yīng)要比曲線1快得多，而且靜態(tài)誤差也比較小。因此，模糊PID控制器在控制過程的前期階段具有模糊控制器的優(yōu)點（動態(tài)響應(yīng)快），而在控制過程的后期階段又具有PID調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢（靜態(tài)誤差小）。故本文采用的模糊PID調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢（靜態(tài)誤差小）