智能恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PID單片的CPU、器、輸入/輸出部件和時(shí)鐘電路等。自問(wèn)世以來(lái)，性能不斷提高和變頻調(diào)速技術(shù)在恒壓供水技術(shù)中模糊控制理論在恒壓供水系統(tǒng)中過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)查找模糊控制表把實(shí)時(shí)的壓力等輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化成輸出，然后通過(guò)模糊決策得到輸出的清晰量，最后系統(tǒng)根據(jù)該清晰量進(jìn)行電頻控制，控制PID在過(guò)去的50年，調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)的方法獲得了極大的發(fā)展。其中有利用開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)信息，如Coon-Cohen響應(yīng) 法的，如Ziegler-Nichols連續(xù)響應(yīng)法。然而這些調(diào)節(jié)方法只識(shí)別了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)。這樣能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整、短的整定時(shí)間、簡(jiǎn)便的操作，改善響應(yīng)特性而推動(dòng)了自整定PID控制技術(shù)的發(fā)展。自整定技術(shù)可追溯到50年代自適應(yīng)控制處于萌芽時(shí)期，60年代國(guó)外有人品化。80年代由于適用的控制理論的完善以及高性能微機(jī)的使用，才使得自整定控制器得以開(kāi)發(fā)，PID控制器參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)設(shè)想已慢慢實(shí)現(xiàn)。PID模糊控制的概念是由加利福尼亞大學(xué)著名教授L.A.Zaden首先提出PIDPIDeeceec對(duì)參數(shù)自整定PIDPID研究?jī)?nèi)容:本設(shè)計(jì)研究了在主為單片機(jī)的模糊PID變頻自動(dòng)控制恒變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展主要介紹其系統(tǒng)的目的和意義，變頻器變頻調(diào)速恒壓水位供水系統(tǒng)的理論原理以及總體方按的設(shè)計(jì)主要是變頻恒壓供水系統(tǒng)的模糊控制器設(shè)計(jì)及仿真研究主要介紹模糊控制的概念和特點(diǎn)以及模糊控制器的設(shè)計(jì)并且運(yùn)用進(jìn)行仿真研應(yīng)用設(shè)計(jì)主要介紹了控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括七大程序，分別是初始化程序、停機(jī)程序、水泵電機(jī)啟動(dòng)程序、電頻/工頻切換程序、圖、程序等。第二章變頻調(diào)速恒壓控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)異步電的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率和極對(duì)數(shù)有關(guān)，改變f就可以平滑的調(diào)效率不下降，這就是V/F控制。V/F控制簡(jiǎn)單，通用性?xún)?yōu)良。M2f

(2-矢量控制是在交流電上模擬直流電控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應(yīng)于直流電的電樞電流的量和勵(lì)磁電流的量，并分別進(jìn)行任意控一、水泵工況點(diǎn)的確定以及變化[4、 圖2-4水泵變速恒壓工 圖2-5變頻調(diào)速恒壓供水水泵工況調(diào)節(jié)通過(guò)改變水泵轉(zhuǎn)速使P0保持恒定。 N60f1s

（2-當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，通過(guò)VVVF降低交流電的頻率，電的轉(zhuǎn)速?gòu)膎1降低HN以相應(yīng)規(guī)律改變。 Q1Q2n1 （2- H1H2n1 （2-P1

n2 （2-2 HKQ2 式2-6是頂點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線(xiàn)族的方程在這種拋物線(xiàn)上的各點(diǎn)具fn，從而改變水泵性能曲線(xiàn)得以實(shí)現(xiàn)的。其工況調(diào)節(jié)過(guò)程可由圖2-5來(lái)說(shuō)明。由圖2-5可見(jiàn)，設(shè)定壓力值（揚(yáng)程）為H0，初始用水量為QA，初始工況點(diǎn)為A，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n1，工作點(diǎn)A的軸功率即為AH0QA四點(diǎn)所圍的面積。當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，壓力升高，壓力傳感器將檢測(cè)到升高壓力轉(zhuǎn)換成4-20A電流信號(hào)送往模糊調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個(gè)令變頻器頻率降低的信號(hào)，從而降低電機(jī)轉(zhuǎn)速至n2 減小。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在H0,因此水泵工作點(diǎn)又沿著轉(zhuǎn)速n2所對(duì)應(yīng)CHCQC四點(diǎn)所圍的面積。水泵的效率曲線(xiàn)-Q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也換。如圖2-6所示:動(dòng)；2)電機(jī)工頻運(yùn)行；3)電機(jī)不運(yùn)行。一般情況下，水泵電機(jī)都處于這三種工的電采用軟起動(dòng)，在頻率未達(dá)到工頻頻率（f50HZ）的情況下水泵電增至工頻f0（即50HZ），模糊控制器發(fā)出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD定值；水管水壓高于設(shè)定水壓上限Pk時(shí),在模糊控制器控制下電機(jī)停止運(yùn)行。在頻率不大于工頻頻率（f050HZ）的情況下水泵電機(jī)在變頻器的拖動(dòng)下變電機(jī)工作過(guò)程流程圖如下不能通過(guò)有效的測(cè)量來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，PIPDPID關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。(2)的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微模糊控制理，模糊控制部件—模糊控制器及其設(shè)計(jì)。模糊控制的基模糊控制系統(tǒng)通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)控制系統(tǒng)，是具有智能型的模糊控制器。據(jù)此，實(shí)際應(yīng)用中，模糊控制器有兩種組成形式:一種是由模糊邏輯組論系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，先定性的分析一下三大部件的設(shè)計(jì)。定義。通常選用三角形和梯形函數(shù)的隸屬度函數(shù)。的是定性的、確的模糊條件語(yǔ)句。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。的變化范圍為-200～200n，n4～8，K定義為Kn (3-u的范0～5，取n=10，則K=u/n=5/10=0.5k,u變化5檔。比例因子的效果。語(yǔ)言變量的選擇常常根據(jù)人們的將同類(lèi)事物分為大中小，一般在設(shè)中(NM)，負(fù)大（NB）。取模糊隸屬函數(shù)如圖3-2所示。散化e的情況為{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，取七位語(yǔ)言變量值PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB，取模糊隸屬函數(shù)如圖3-2所示。靈敏度高；較平緩則控制的靈敏度低，控制特性較平緩。二是PB，PM，PS，…3-2e和ec并將它們作為控制器的輸入，由控制器根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)參數(shù)進(jìn)行將KP、KI和KD作為模糊控制器的輸出。NB NM N

ZO PM P—0.15－0. －0.0

00 0.1 015EE 0 圖3-4KP隸屬度函數(shù)曲 圖3-5KI隸屬度函數(shù)曲KP、KIKDZO,PS,PM,PBKP量化到區(qū)域(10,100)內(nèi)，KI量化到區(qū)域(4,6)內(nèi)，KD量化到區(qū)域(0,3)KP、KIKD的隸屬函數(shù)曲線(xiàn)分別如圖3-3、3-4、3-5所示。c根據(jù)參數(shù)KP、KI和KD對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響情況，可以得到對(duì)于不同的偏差e和偏差變化率e時(shí)，參數(shù)的自整定原則：[7~10]c瞬間變大，需要取較大的KP為了防止積分飽和，應(yīng)取較小的KI，同時(shí)為了防止微分飽和，避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)去掉微分作用，即KD＝0。e*ec>0，說(shuō)明誤差在向絕對(duì)值增大的方向變化。當(dāng)偏差|e|和偏差變化率|ec|時(shí)為中等大小，系統(tǒng)處于跟隨階段，為了使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減小，KP、KI和KD都不能太大，需要取較小的KP值，KI和KD的值大小要適中，以保證系統(tǒng)KPKIKD值，KPKIKD值，以提高系統(tǒng)的e*ec>0，說(shuō)明誤差在向絕對(duì)值減小的方向變化。若偏差|e|較大，則應(yīng)KP,同時(shí)可取較小的KI和中等KPKI的值，同時(shí)為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近振蕩，并考慮系統(tǒng)的性能，適當(dāng)選取KD的值，通常為中等大小。eee 1、2、3T1=1，T2=4；T13，T2=8；T1=5，T2=12的特性曲線(xiàn)。圖3-6常規(guī)PID控制特性曲 3-63-7系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制。常規(guī)PID控制器強(qiáng)，但上升時(shí)間改善不大。給水行業(yè)為《城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》中“二供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行段。較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。但被控制的系統(tǒng)特點(diǎn)是非線(xiàn)性、大慣性的系統(tǒng)，現(xiàn)代在壓力范圍較小時(shí)采用PID來(lái)保持靜態(tài)精度。系統(tǒng)統(tǒng)組成示意圖如圖4-1所示。速的方式，控制器控制泵站投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)及變量泵運(yùn)行工況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)可減小電的沖擊電流，沖擊電流會(huì)造成電局部溫升過(guò)大，降低電壽命，可減小硬起動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械沖力，沖力加速所帶來(lái)的傳械（軸，齒合齒輪行。軟起動(dòng)使堤岸可以起停自如，減少空轉(zhuǎn)，提高作業(yè)率，因而有節(jié)能作用?？键c(diǎn)的水壓檢測(cè)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換成4~20mv的電信號(hào)，再將此信號(hào)傳A/D進(jìn)行處理。系統(tǒng)1、恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)白呢感和電的機(jī)械使用。4、水泵呢感電采用軟啟動(dòng)發(fā)誓，按設(shè)定的加速時(shí)間加速，避免電N60f1s （4-n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為定子供電頻率，s為轉(zhuǎn)差率（s0.02），p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。由公式可見(jiàn)，水泵轉(zhuǎn)速n‘=n正比于供電頻率，因此，連續(xù)地改變電機(jī)定子的供電頻率就可以平滑改變電的轉(zhuǎn)由流體力學(xué)知：壓力P，流量Q和功率N的關(guān)系為N=PQ，而功率與水泵n2n族曲線(xiàn)為不同功率（轉(zhuǎn)速）P=F（Q）2Q= 2管阻時(shí)的P=F（Q）曲線(xiàn)，同一曲線(xiàn)上的不同點(diǎn)，其功率是不同的。Q1，打開(kāi)閥門(mén)（t~0），管阻將突然變化，點(diǎn)4-4所示。PP0P2由管阻變化時(shí)間和系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間決定。 圖4-2水泵的特性曲 圖4-3恒壓過(guò)程分析4-4轉(zhuǎn)速，使輸出壓力始終保持在恒定壓力。其閉環(huán)控制原理如圖4-5所示。4-5整個(gè)系統(tǒng)電控部分以ATMEL公司的AT89C52為，這種內(nèi)置有

其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4-6所示。硬件原理框圖恒壓變頻控制恒壓控制板設(shè)計(jì)主要包括基于AT89C52的單片機(jī)主控制電路設(shè)計(jì)、人機(jī)界面單片機(jī)主控制電路以AT89C52單片機(jī)作為可以變成微控制器在外部晶振提供的12MHZ工作頻率下開(kāi)始工作，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)模糊PID控制。外部電路5次，本設(shè)計(jì)采用技術(shù)成熟，穩(wěn)定性能價(jià)比極高的AT89C52足已滿(mǎn)足性能要求。C52單片機(jī)資源比較豐富，包適：8K的片內(nèi)ROM，256個(gè)字節(jié)的RAM32根I/O并口1個(gè)種處理和算法的子程序及控制表。4-74-8基于系統(tǒng)集成的考慮，該數(shù)字模塊可以用VHDL實(shí)現(xiàn)。由于該數(shù)字模塊設(shè)計(jì)18255A器和B組控制器，數(shù)據(jù)緩沖器及讀寫(xiě)控制邏輯。2.8255A控制總線(xiàn)6條：RESET：復(fù)位線(xiàn)，高電平有效。CS：片上述控制線(xiàn)對(duì)8255A端口和工作方式的選擇見(jiàn)表4-14-18255A3.8255A8255AC口單一置復(fù)位控制字。用戶(hù)通過(guò)程序可以把這兩個(gè)控制字送到8255A的控制字寄存器(AlA0=11B)，以設(shè)定8255A的工作模式和C端口的工作模式和C端口各位狀態(tài)。這兩個(gè)控制字以D7位狀態(tài)作為標(biāo)8255A有三種工作模式：模式0(Mode0)、模式1(Mode1)和模式2(Mode2)，8255A8255A根據(jù)本系統(tǒng)的具體要求，8255AA口用于輸出設(shè)定壓力值到顯示端、B口于輸出適時(shí)壓力變化量到顯示端和C口于各種控制線(xiàn)等均為輸出模式因此選擇8255A的工作模式為模式0。所以8255A的模式控制字為80H控制字寄存器選口地址為FF03H，初始化程序如下：MOVDPTR，#0FF03H7DPTRMOVA，#0801；工作模式控制字送AMOVX@DPTR，A；工作模式控制字送控制寄存器由于c52資源的不足需擴(kuò)展內(nèi)存，93C46提供1024位串行EEPROM，它8PDIP，8JEOEEIAJS0IC8PIDP封裝如圖4-10所示。相連時(shí)，組態(tài)為128*8位。用來(lái)保存開(kāi)機(jī)設(shè)定時(shí)的原始參數(shù)，這樣當(dāng)行于掉電前的狀態(tài)。如果不使用PlugandPlay方式，那么從12h到7fh地址空間可以用來(lái)用戶(hù)自己的數(shù)據(jù)。用戶(hù)可以在12-7f里寫(xiě)入任何的數(shù)據(jù)。這樣就可以節(jié)省用戶(hù)自己的EEPROM。圖4-10 圖4-11 NE555的2引腳為高電平，起動(dòng)復(fù)位。 圖4-12瑣存電路 圖4-13繼電器與MC1413接口電3~18V200mA，由于輸入阻抗高，1ｕA10MHZ。[20]MC1413形成簡(jiǎn)單的“0-1”裝置（如圖2-13所示）來(lái)控制水泵電機(jī)的起停和信號(hào)。人機(jī)4-14C：手動(dòng)交替指示D：AE：BF：Alarm1 G：Alarm2H：交替切換鈕

4-15該出現(xiàn)的噪聲。為了消除按鍵的不良噪聲，又由于一般人的按鍵速度最多10次/秒，即一次按鍵的時(shí)間1~lOOms，所以按下的時(shí)間估算為50ms，如果取樣信號(hào)8msDDOD1RSRS時(shí)輸出為0。只有兩次取樣值不變才能輸出，否則保持原先狀態(tài)：從而得到經(jīng)消前向輸入通道和后向輸由于系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度并不快，因此系統(tǒng)A/D輸入采用8位串行TLC0831逐次近模數(shù)轉(zhuǎn)換器(如圖4-18所示)，這樣可以節(jié)省AT89C52的I/0口，并可D/A輸出電路采用了光耦式D/A輸出，并采用了LM358雙運(yùn)放組電機(jī)控制電路4-20大器虛短、虛斷原理，有(4-3)R1Ut和電壓U10共同決定，由歐姆定理得(4-4)式。U12U9IP6U12U10R1WU12UA

(4-(4-(4-通過(guò)上式，可以看出當(dāng)RA電阻值非常大時(shí)(幾十千歐)A、C通路中電流近0。不難推出U12U10RA,RBRD，根據(jù)放大倍數(shù)有Ut2U10根故障檢測(cè)電路中斷信號(hào).圖4-21al,a2,a3不會(huì)吸和，A,B端與地端斷開(kāi)，輸出為高電平;當(dāng)水泵工作時(shí)，圖中的熱ABA,B分別代表了水泵1和水泵2。A,B哪一端輸出電平為低就說(shuō)明哪一個(gè)水泵發(fā)生了故障A,B89C52相連，輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)89C52判斷、輸出如果排除故障。此時(shí)熱繼電器使電短電，從而保護(hù)電。壓力檢測(cè)電路壓力檢測(cè)部分電路主要由傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成。(見(jiàn)圖4-22)傳器，直流電橋、差分放大器作為信號(hào)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路。圖中SR變阻器為調(diào)零電阻。當(dāng)水壓為00V，但有時(shí)因?yàn)槠渌螂姌?Rh0V。設(shè)滑動(dòng)變阻器U0U1

(2-(2-SRR48SRSRR47Rh (2-第五章系統(tǒng)的設(shè)本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功此交替時(shí)間0~24小時(shí)可調(diào)。繼續(xù)偵測(cè)20秒，均與此狀況相同時(shí)，代表己經(jīng)開(kāi)始不用水，則控制器發(fā)出停車(chē)(一般設(shè)定15秒)，己達(dá)到緩沖停止目的，免除水鐘的沖擊，而停車(chē)后壓力則穩(wěn)定于設(shè)定壓力值的5%。漏水偵測(cè)停車(chē)補(bǔ)償功能：在極小情況下，如管路泄漏滴水情況導(dǎo)將壓力補(bǔ)足至設(shè)定值，此段的百分比為0~100%可調(diào)。前述某百分比則為0~100%可調(diào)。20秒后，控制器將中斷輸出使水泵馬達(dá)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)故障燈亮(此故障點(diǎn)為設(shè)定值之0~100RESET(復(fù)位)鍵或本系統(tǒng)中單片機(jī)內(nèi)的資C52RAMRAMRAM不夠用等各種意想不片內(nèi)RAM規(guī)劃如下:00H-1FH32RAM8RAM單兀，分別用代R0-R7PSWRS1RS020H-2FH位尋址區(qū)，這16個(gè)RAM單元具有雙重功能。它們既可以像普通RAMRAM單兀中的任何一位單獨(dú)存取。本系統(tǒng)30H-31H；(4)32H-33H(5) P參數(shù)值 (6) I參數(shù)值(7) D參數(shù)值 (8) 輸出的控制量(9) 控制字 (10)39H-40H水泵交替時(shí)間(11) 停車(chē)時(shí)間 (12)41H-60H系統(tǒng)運(yùn)算過(guò)程中數(shù)據(jù)緩存區(qū)5-1圖5-2故障檢測(cè)流程 圖5-3鍵盤(pán)處理流程按鍵擊的關(guān)鍵是一次按鍵只讓它響應(yīng)一次，該鍵不就不執(zhí)行第二次。圖5-4壓力測(cè)量流程 圖5-5水泵故障檢測(cè)流程模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D壓 圖5-6模糊控制流程 圖5-7模數(shù)轉(zhuǎn)化流程器。本的研究主要完成了以下內(nèi)容:通過(guò)對(duì)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的工作原[4].80c51系列微控制器系統(tǒng)原理、功能、集成與應(yīng)用.航空航天大[7]Math TM,High-performancenumericcomputationvisualizationsoftware,Users’guide, 5.X入門(mén)與提高[M].：，2000.3[10]康鳳舉主編，現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用[M]．：國(guó)防工業(yè)，2001，9韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用.:機(jī)械工業(yè)劉曙光等.模糊邏輯控制技術(shù).第一版.:中國(guó)紡織利TimerNE/SA/SE555/SE555CProductspecificationPhilipsServmicondoctorsLinearProductsP346~352WATER,1999(5)P36~37.單片機(jī)原理及其 術(shù).第二版 是班鄭文老師和其他任課老師，在他們的關(guān)心和幫助下，學(xué)習(xí)和工導(dǎo)和無(wú)微不至的。在撰寫(xiě)的過(guò)程中，黃老師也給予了細(xì)心的指導(dǎo)和修正。在本