PAGE24-摘要小區(qū)的不斷擴(kuò)建與改造，樓房層數(shù)的不斷加高，我國居民用水難問題越來越突出，大部分地區(qū)普遍存在著用水高峰期高層供不上水，高層居民經(jīng)常出現(xiàn)用水難問題，給生活帶來極大不便。針對上述問題，本文研制了變頻調(diào)速恒壓供水控制器，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)恒壓供水。同時達(dá)到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。采用該供水系統(tǒng)不需建造高位水箱，水塔，水質(zhì)無二次污染。本文根據(jù)模糊控制和PID控制的特點及其原理，把模糊控制和PID控制結(jié)合起來，形成模糊PID控制，有效的克服了它們的缺點而發(fā)揮了它們的優(yōu)勢。本文詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)中模糊PID控制器的實現(xiàn)方法、系統(tǒng)的各種控制、故障檢測以及狀態(tài)顯示關(guān)鍵字:模糊PID控制恒壓供水、變頻控制、單片機(jī)。ABSTRACTThesmallareaextendscontinuouslywiththereformation,theseveral-storiedbuildinglayercountofaddcontinuouslyhigh,ourcountrytheresidentsismoreandmoreoutstandingwiththedifficultproblemofwater,bigandpartsofregionsarewidespreadtoexisttheusefulhighpeakofwatertoexpectthekeyfigurestoprovidenotupwater,thehighresidentsusuallyappearwiththedifficultproblemofwater,bringingforlifebiggestinconvenient.andattheabove-mentionedproblem,thistextresearchestomanufacturetochangetheFrequencytoadjustsoonpressesthewatersupplycontroller,passthecontrolchangesthemachineofFrequencyofexportationfrequencyregulatethewaterpumpelectricalengineeringtoturnthusandautomaticallysoon,carryoutthetopressthewatersupply.Attainthepurpose"usehowmuchwater,providehowmuchwater"ofsupplywatertheefficiencyatthesametime.Theadoptionshouldsupplywaterthesystemnottoneedtoconstructawatertank,watertower,thefluidmatterhasnotopollutetwotimes.ThispaperadoptsfuzzyPIDcontrolalgorithmwhichcombinesfuzzycontrolandPIDcontrolaccordingindividualcharacteristicandtheoryeffectivelygetsovertheirdisadvantage,atthesametime,preservingtheirmerits.Themethodsofthefuzzy-PIDcontrollersystem-controlling,failure-detecting，states-displayingaredescribedindetail。Keywords:fuzzy-PID,watersupplyingconstant-pressure,varied-frequency-controlling,MCU.目錄TOC\o"1-3"\h\z摘要 IABSTRACT II目錄 III第一章緒論 11.1引言 11.2變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀 11.2.1模糊控制技術(shù)現(xiàn)狀 21.2.2單片機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀 31.3項目來源，研究內(nèi)容及研究結(jié)果 3第二章變頻恒壓供水控制器的總體設(shè)計 42.1系統(tǒng)概述 42.1.1系統(tǒng)的組成 42.1.2系統(tǒng)優(yōu)點 62.2.1變頻器的控制方式 62.2.2控制系統(tǒng)的工作原理 72.3系統(tǒng)的控制原理 92.4控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計 92.4.1硬件總體說明 92.4.2恒壓變頻控制板設(shè)計 102.4.3單片機(jī)主控制電路設(shè)計 102.5人機(jī)界面設(shè)計 152.6電機(jī)控制電路設(shè)計 172.7故障檢測電路設(shè)計 182.8壓力檢測電路設(shè)計 19第三章主要硬件設(shè)備介紹 213.1變頻器的控制原理 213.2系統(tǒng)的方案設(shè)計 243.3系統(tǒng)工作過程 25第四章PID控制與模糊控制 274.1PID控制 274.2模糊控制 284.2.1模糊控制的基本思想 284.2.2模糊控制系統(tǒng)組成 294.3模糊控制器 304.3.1模糊控制器的結(jié)構(gòu) 314.3.2模糊控制系統(tǒng)的Simulink仿真 35第五章系統(tǒng)的軟件設(shè)計 375.1系統(tǒng)方案的設(shè)計 375.2系統(tǒng)運行主程序 385.3故障檢測流程圖 395.4鍵盤處理子程序 405.5壓力測量子程序 405.6模糊控制子程序 415.7模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D壓力數(shù)據(jù)采集)子程序 425.8水泵故障檢測子程序 42結(jié)論與展望 43參考文獻(xiàn) 44致謝 46第一章緒論1.1引言隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，居民對供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。智能恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。，這在能量日益緊缺的今天尤為重要。而本文就針對小區(qū)供水系統(tǒng)的實際情況，選用單片機(jī)模糊PID控制器和變頻器組成模糊PID恒壓供水系統(tǒng)，充分利用單片機(jī)技術(shù)，模糊PID控制技術(shù)和交流變頻技術(shù)等高新技術(shù)，不但使水壓保持恒定，節(jié)電節(jié)水采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控;同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。1.2.變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀20世紀(jì)是變頻調(diào)速技術(shù)由誕生到發(fā)展的時代，特別是20世紀(jì)90年代以后，IGBT,IGCT(集成門極換向性晶閘管)等新型電力電子器件的發(fā)展，DSP(數(shù)字信號處理器)和ASIC(專用集成電路技術(shù))的快速發(fā)展以及新穎控制理論和技術(shù)(如磁場定向矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩拉制等)的完善，使變頻調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速范圍，調(diào)速精度，動態(tài)響應(yīng)，功率因數(shù)，運行效率和使用方便等性能指標(biāo)超過了支流調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到了取代直流調(diào)速的地步，受到各行業(yè)的歡迎，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前，變頻調(diào)速技術(shù)以顯著的節(jié)電效果，優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的實用性，而成為電器傳動的發(fā)展主流方向，變頻調(diào)速技術(shù)涉及到電機(jī)，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，信息技術(shù)與控制技術(shù)等多個領(lǐng)域。變頻調(diào)速系統(tǒng)中PWM技術(shù)的發(fā)展:PWM控制是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心，任何拉制算法幾乎都是以各種PWM控制方式實現(xiàn)。九十年代以來的產(chǎn)品，正弦形PWM(SPWM)調(diào)制方法已逐步為以下方式取代:快速電流跟蹤PWM技術(shù):快速電流跟蹤型PWM逆變器為電流控制型的電壓源逆變器，一般采用滯環(huán)電流控制、使三相電流快速跟蹤指令電流。該逆變器硬件簡單，電流控制響應(yīng)快，兼有電壓和電流控制型逆變器的優(yōu)點，普遍用于PMSM伺服系統(tǒng)和異步電動機(jī)矢量變換拉制系統(tǒng)。磁鏈跟蹤控制PWM技術(shù):這種方法把逆變器和電動機(jī)視為一體，以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機(jī)理想的圓形磁場為基準(zhǔn)，用逆變器不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁鏈?zhǔn)噶縼砀櫥鶞?zhǔn)磁鏈圓，由跟蹤結(jié)果決定逆變器的開關(guān)模式，形成PWM波。由于磁鏈的軌跡是靠空間矢量的選擇來實現(xiàn)，因此又稱電壓空間矢量法。直接轉(zhuǎn)矩的智能拉制PWM技術(shù):常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩PWM技術(shù)無法區(qū)別轉(zhuǎn)矩、磁鏈的非常大的偏差和相對小的偏差，這將造成電機(jī)啟動期間系統(tǒng)的停滯.而采用智能控制中的模糊控制，可以通過定子磁鏈的空間位置，由一系列偏差的正大，正小等模糊語言，根據(jù)模糊規(guī)則推出逆變器的開關(guān)模式，使系統(tǒng)性能改善。雙PWM控制技術(shù):交-直-交電壓型逆變器是目前最廣泛使用的型式，但常對電網(wǎng)構(gòu)成諧波污染。自前雙PWM控制技術(shù)的研究非常活躍，即由PWM整流器和PWM逆變器組成的雙PWM變頻器無須任何附加電路就可使電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波，使系統(tǒng)的功率因數(shù)約為1，徹底消除網(wǎng)側(cè)的諧波污染，并實現(xiàn)了四象限運行。矢量變換控制技術(shù):自1971年矢量變換技術(shù)控制理論建立以來，以轉(zhuǎn)子磁場定向，采用矢量變換的方法，實現(xiàn)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全介藕。從而使異步電動機(jī)具有和直流電動機(jī)一樣優(yōu)良的控制性能。該技術(shù)得到了廣泛地應(yīng)用。1.2.1模糊控制技術(shù)現(xiàn)狀模糊控制是以模糊集合理論為基礎(chǔ)的一種新興的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論和模糊技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。將模糊集合理論運用于自動控制而形成的模糊控制理論，在近年來得到了迅速的發(fā)展，其原因在于對那些時變的非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)無法獲得精確的數(shù)學(xué)模型的時候，利用具有智能的模糊控制器能給出有效的控制。例如，在煉鋼，化工，人文系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)以及醫(yī)學(xué)心理系統(tǒng)中，要得到正確而且精密的數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)困難的。對于這些系統(tǒng)卻具有大量的以定性的形式表示的極其重要的先驗信息，以及僅僅用語言規(guī)定的性能指標(biāo)。同時，要求過程的操作人員是系統(tǒng)的基本組成部分等。所有這些都是一種不精確性，應(yīng)用一般的控制理論是很難實現(xiàn)拉制的，但是，這類系統(tǒng)由人來控制卻往往容易做到。這是因為過程操作人員的拉制方法是建立在直觀的和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，他們憑借實踐積累的經(jīng)驗，采取適當(dāng)?shù)膶Σ咄瓿煽刂迫蝿?wù)。于是，人們把操作人員的控制經(jīng)驗歸納成定性描述的一組條件語句，然后運用模糊集合理論將其定量化，使控制器得以接受人的經(jīng)驗，模仿人的操作策略，這樣就產(chǎn)生了以模糊集合理論為基礎(chǔ)的模糊控制器。模糊控制理論的提出是控制思想的一次深刻的變革，它標(biāo)志著人工智能發(fā)展到了一個新的階段。目前，國內(nèi)外科技界，企業(yè)界和政府部門都特別關(guān)注“模糊”領(lǐng)域，模糊技術(shù)既是一個學(xué)術(shù)熱點又是一個開發(fā)熱點，模糊技術(shù)成果和產(chǎn)品也逐漸由實驗室走向社會，取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。而模糊拉制技術(shù)，這門由模糊數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、人工智能、知識工程等多門學(xué)科領(lǐng)域相互滲選而形成的理論性很強(qiáng)的科學(xué)技術(shù)，正以前所未有的步伐涉入到相當(dāng)關(guān)泛的領(lǐng)域之中，其中包含交流伺服系統(tǒng)，液位系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人，可編程控制器，天氣預(yù)報，圖象識別，醫(yī)療診斷，家用電器等領(lǐng)域。歸納起來，模糊控制技術(shù)現(xiàn)狀如下:(1)模糊控制器的構(gòu)造1/采用傳統(tǒng)的單片機(jī)或微型機(jī)作為物理基礎(chǔ)，編制相應(yīng)軟件來實現(xiàn)模糊推理和機(jī)制。2/用模糊單片機(jī)或集成電路芯片構(gòu)造模糊控制器，利用配置數(shù)據(jù)來確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)形式。3/采用可編程門陣列構(gòu)造模糊控制器。(2)模糊信息與精確信息轉(zhuǎn)換的物理結(jié)構(gòu)和方法模糊信息與精確信息轉(zhuǎn)換問題，目前基本上采用A/D，D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)。(3)模糊控制器對外界環(huán)境的適應(yīng)性及適應(yīng)技術(shù)對外界環(huán)境的適應(yīng)性問題，目前還沒有一種專門的良好技術(shù)，大多還是采用傳統(tǒng)的技術(shù)或依賴傳統(tǒng)的工藝水平。(4)實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的軟技術(shù)軟技術(shù)主要包括系統(tǒng)的仿真和實際工作軟件等，目前，世界上已有多種仿真軟件出現(xiàn)，如Neuralogix公司的產(chǎn)品。(5)模糊控制器和被控對象的匹配技術(shù)模糊控制器和被控對象的匹配技術(shù)仍然依賴于人們的經(jīng)驗。1.2.2單片機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀單片微型計算機(jī)簡稱為單片機(jī)，是在一塊芯片上集成了一臺微型計算機(jī)所需的CPU、存儲器、輸入/輸出部件和時鐘電路等。自問世以來，性能不斷提高和完善，加之具有集程度高，功能強(qiáng)，體積小，供耗低，性能可靠，價格低廉等特點，因此，在工業(yè)控制、智能儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和處理、通信系統(tǒng)、高級計算機(jī)、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，并且正在逐步取代現(xiàn)有的多片微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，數(shù)字單片機(jī)的位數(shù)越來越多，精度也越來越高。另外，在需要極高響應(yīng)速度的控制場合，還出現(xiàn)了模糊單片機(jī)，它是專門執(zhí)行模糊邏輯信號的器件，具有極高的模糊推理速度。今天，還出現(xiàn)了不少高級語言的開發(fā)工具，這些系統(tǒng)經(jīng)過仿真可在更高的開發(fā)平臺上進(jìn)行快速的開發(fā)，為單片機(jī)的廣泛應(yīng)用鋪平了道路。所以，在未來的社會主義工業(yè)化建設(shè)中，單片機(jī)無疑會發(fā)揮更大的作用。1.3項目來源，研究內(nèi)容及研究結(jié)果(1)項目來源:本項目來源于小區(qū)供水的實際應(yīng)用。(2)研究內(nèi)容:本設(shè)計研究了在主芯片為單片機(jī)的模糊變頻自動控制恒壓供水系統(tǒng)中，如何用模糊算法實現(xiàn)水壓的自動控制，達(dá)到設(shè)定值要求;除此之外，在硬件電路設(shè)計上考慮如何采用各種措施減小系統(tǒng)干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性。(3)研究結(jié)果：經(jīng)過研究設(shè)計，實際運行，該系統(tǒng)具有以下基本功能:1/用戶可自行設(shè)定水壓2/恒壓供水3/具有故障檢測功能，當(dāng)水泵出現(xiàn)故障或無水時，可自動報警。4/可顯示當(dāng)前水壓5/系統(tǒng)死機(jī)時，可自動復(fù)位恢復(fù)工作。6/使用模糊算法，系統(tǒng)響應(yīng)時間可達(dá)到預(yù)期效果。

第二章變頻恒壓供水控制器的總體設(shè)計2.1系統(tǒng)概述給水行業(yè)為貫徹《城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃》中提出的“二提高三降低”（即提高供水水質(zhì)，提高供水安全可靠性，降低能耗、降低漏和降低藥耗）的奮斗目標(biāo)和要求。由此，住宅小區(qū)的給水系統(tǒng)已逐步取消了高位水箱，而采用變頻調(diào)速供水，克服了傳統(tǒng)供水方法的缺點。這種供水方式既滿足供水安全，又避免水質(zhì)的二次污染。對于多層住宅來說，是一種比較完善的供水系統(tǒng)。目前的自動恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動機(jī)調(diào)速裝置均采用交流變頻技術(shù)，而系統(tǒng)的控制裝置采用以單片機(jī)為基礎(chǔ)的供水控制器，因單片機(jī)系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的數(shù)字PID調(diào)節(jié)功能，可對系統(tǒng)中的各種運行參數(shù)、控制點的實時監(jiān)控，并完成系統(tǒng)運行工礦的LED顯示、故障報警等功能。自動恒壓供水系統(tǒng)還具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，可與城市供水的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)運行的手段。在自動恒壓供水系統(tǒng)中，由于管網(wǎng)是封閉的，泵站供水的流量是由用戶用水量決定的，泵站供水的壓力以滿足管網(wǎng)中壓力最不利點的壓力損失。根據(jù)反饋原理：要想維護(hù)一個物理量不變或基本不變，就應(yīng)該引這個物理量與恒值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。但被控制的系統(tǒng)特點是非線性、大慣性的系統(tǒng)，現(xiàn)代控制和PID相結(jié)合的方法，在壓力波動較大時使用模糊控制，以加快響應(yīng)速度；在壓力范圍較小時采用PID來保持靜態(tài)精度。2.1.1系統(tǒng)的組成系統(tǒng)由變頻器、控制器、傳感器、水泵電機(jī)及相關(guān)電氣控制設(shè)備集成而成，是一種具有變頻調(diào)速和全自動閉環(huán)控制功能的機(jī)電一體化智能設(shè)備。它可同時對一臺或多臺三相380/220V、50/60Hz異步電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速和閉環(huán)控制，其系統(tǒng)組成示意圖如圖2-1所示。圖2-1自動恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖從上圖中我們可以看到，自動恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機(jī)調(diào)速裝置與供水控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。整個系統(tǒng)的具體工作流程為：系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓力傳感器，將供水管網(wǎng)的非電量信號（動態(tài)壓力）轉(zhuǎn)變成電信號，輸入至供水控制器的輸入模塊，信號經(jīng)單片機(jī)運算處理后與設(shè)定的信號進(jìn)行比較運算，得出偏差值，再經(jīng)過PID處理得出最佳的運行工況參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成模擬信號，由系統(tǒng)的輸出模塊輸出變頻器的頻率設(shè)定值至變頻調(diào)速器，變頻調(diào)速器控制水泵的轉(zhuǎn)數(shù)來調(diào)節(jié)管網(wǎng)內(nèi)的實際壓力值趨向于設(shè)定壓力值，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制的恒壓供水。對于多臺泵調(diào)速的方式，控制器控制泵站投運水泵的臺數(shù)及變量泵運行工況，并實現(xiàn)對每臺水泵根據(jù)CPU指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。系統(tǒng)通過計算判定目前是否已達(dá)到設(shè)定壓力，決定是否增加（投入）或減少（撤出）水泵。即：當(dāng)一臺水泵工作頻率達(dá)到最高頻率時，若管網(wǎng)水壓仍達(dá)不到預(yù)設(shè)水壓，則將此臺泵切換到工頻運行，變頻將自動啟動下一臺水泵，控制其變頻運行。此后，往復(fù)工作，直至滿足設(shè)定壓力要求為止。反之，若管網(wǎng)水壓大于預(yù)設(shè)水壓，控制器控制變頻器頻率降低，使變頻低于下限時自動切掉一臺工頻泵或此變頻泵，始終使管網(wǎng)水壓保持恒定。進(jìn)入消防余興時，按下消防按扭，所有水泵逐臺切入工頻運行保證消防用水壓力，用戶可在適當(dāng)?shù)胤酵饧酉腊磁ぃ员ＷC迅速切入工頻狀態(tài)?？傊到y(tǒng)可根據(jù)用戶用水量的變化，自動確定泵組的水泵的循環(huán)運行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質(zhì)量。下面我們對系統(tǒng)的各組成部分分別加以介紹：由水泵-管道供水原理可知，調(diào)節(jié)供水流量原則上有兩種方法：一是節(jié)流調(diào)節(jié)，開大供水閥，流量上升；關(guān)小供水閥，流量下降。二是調(diào)速調(diào)節(jié)，水泵轉(zhuǎn)速升高，供水流量增加；轉(zhuǎn)速下降，流量降低，對于用水流量經(jīng)常變化的場合（例如生活用水），采用調(diào)速調(diào)節(jié)流量，具有優(yōu)良的節(jié)能效果，本文所采用的就是后一種方法，即調(diào)速調(diào)節(jié)方法。水池：在這我們所要做的工作是對其水位進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)水位過低時就產(chǎn)生報警信號，再通過繼電器把報警信號傳給單片機(jī)，單片機(jī)控制報警燈亮同時發(fā)出報警聲，同時停泵保護(hù)。水泵：水泵電機(jī)是輸出環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速由變頻器控制，實現(xiàn)變流量恒壓控制，在這些水泵中，一般只有一臺變頻泵。當(dāng)供水設(shè)備供電開始工作時，先啟動變頻泵，管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值時，變頻器的輸出頻率則穩(wěn)定在一定的數(shù)值上。每臺水泵均采用星-三角的啟動方式，各水泵之間實行變頻循環(huán)軟啟動。軟啟動可減小電動機(jī)硬啟動（即直接起動）引起的電網(wǎng)電壓降，使之不影響其它電氣設(shè)備的正常運行，可減小電動機(jī)的沖擊電流，沖擊電流會造成電動機(jī)局部溫升過大，降低電動機(jī)壽命，可減小硬起動帶來的機(jī)械沖力，沖力加速所帶來的傳動機(jī)械（軸，齒合、齒輪等）的磨損，減少電磁干擾，沖擊電流會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運行。軟起動使堤岸動機(jī)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。傳感器：將其安裝在水池與用戶之間的出水管道上，它的任務(wù)是實時地測量參考點的水壓檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換成4~20mv的電信號，再將此信號傳給A/D芯片進(jìn)行處理。變頻器：它的作用是接收PID控制器的信號，為水泵電機(jī)提供可變頻率的電源。供水控制器：這是本文主要研究內(nèi)容，將在后面的章節(jié)詳細(xì)地加以論述。2.1.2系統(tǒng)優(yōu)點1、恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。2、由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機(jī)的機(jī)械使用壽命。3、因?qū)崿F(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人力。4、水泵電動機(jī)采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時間加速，避免電動機(jī)啟動時的電流沖擊，對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機(jī)突然加速再成泵系統(tǒng)的喘振。5、由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運行過程中其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運行過程中可節(jié)約可觀的電能末期經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快，而長期受益，其產(chǎn)生的社會效益也是非常巨大。2.2.1變頻器的控制方式變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾經(jīng)出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖2—2所示的基本結(jié)構(gòu)。圖2—2變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻調(diào)速的控制方式經(jīng)歷了V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的發(fā)展，前者屬于開環(huán)控制，后兩者屬于閉環(huán)控制，正在發(fā)展的是直接轉(zhuǎn)矩控制。1、V/F控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率f和極對數(shù)有關(guān)，改變f就可以平滑的調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，但是頻率f的上升或者下降可能會引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足的現(xiàn)象，所以在改變f的同時，還需要調(diào)節(jié)定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動機(jī)的效率不下降，這就是V/F控制。V/F控制簡單，通用性優(yōu)良。2、轉(zhuǎn)差頻率控制由電機(jī)學(xué)的基礎(chǔ)知識可知，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩M與氣隙磁通Φ、轉(zhuǎn)差頻率f2的關(guān)系為：(2-1)只要保持氣隙中磁通Φ一定，控制轉(zhuǎn)差頻率f2就可以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制。3、矢量控制 矢量控制是在交流電動機(jī)上模擬直流電動機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應(yīng)于直流電動機(jī)的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進(jìn)行任意控制。矢量控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，獲得和直流電動機(jī)一樣的優(yōu)良的調(diào)速性能2.2.2控制系統(tǒng)的工作原理供水管網(wǎng)中的流量和壓力是隨著用戶用水量的改變而不斷變化的，而改變泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以提高供水壓力或減少供水壓力。所以，為了保持出口供水壓力恒定就必須根據(jù)用水量的大小不斷改變電機(jī)的轉(zhuǎn)死。三相交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：(2-2)式中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)的極對數(shù)。由公式可見，水泵轉(zhuǎn)速=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動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到天界速度的目的。由流體力學(xué)知：管網(wǎng)壓力P，流量Q和功率N的關(guān)系為N=PQ，而功率與水泵轉(zhuǎn)速n成三次方的正比關(guān)系。圖2中的n族曲線為不同功率（轉(zhuǎn)速）下水泵P=F（Q）特性曲線上的不同點，其管阻是不同的。因為有公式：Q=式中，K為管阻系數(shù)，對某恒定管阻，K為常數(shù)，圖2-3中β族曲線為不同管阻時的P=F（Q）曲線，同一曲線上的不同點，其功率是不同的。圖2-3水泵的特性曲線圖2-4恒壓過程分析圖由圖2-4可見：設(shè)定壓力值為，初始用水量為工作點為檢，可假定用戶需要用水量為打開閥門（可定打開時間t0），管阻將突然變化，點沿線下降，在未下降至只前，壓力傳感器以將檢測到的下降壓力PID控制器，經(jīng)比較處理后，輸出一個令變頻器頻率升高的信號，從而水泵轉(zhuǎn)速升高，工作點不會降至，而是沿著β曲線升至，達(dá)新的穩(wěn)態(tài)。實際上，用水量是不會突變的。管阻不會一下下降很多，實際工作情況如圖2-5所示?！鱌=P0-P1由管阻變化時間和系統(tǒng)的響應(yīng)時間決定。圖2-5變頻調(diào)速供水原理為了保持電機(jī)在調(diào)速時最大轉(zhuǎn)距不變，需要維持磁通恒定，這就要求定子供電電壓也作相應(yīng)的調(diào)節(jié)，而VVVF變頻器可以滿足這個要求，根據(jù)上述和用戶要求設(shè)定供水系統(tǒng)壓力，并在供水出口處設(shè)置壓力傳感器，隨時檢測用戶用水情況，然后將檢測的壓力與設(shè)定壓力相比較，經(jīng)控制器運算，輸出通過變頻器改變泵電機(jī)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2-6所示。圖2-6變頻恒壓供水系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖2.3系統(tǒng)的控制原理該變頻恒壓供水控制器以單片機(jī)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，并把出口壓力變成0~5V或4~20MA的模擬信號，送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)經(jīng)運算后與設(shè)定的壓力進(jìn)行比較，得出偏差值，再經(jīng)PID調(diào)節(jié)得出控制參數(shù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成0~5V或0~10V的模擬信號，送入變頻器中，以控制其輸出頻率的大小，以此改變水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制管道壓力的目的。當(dāng)實際管道壓力小于給定壓力時，變頻器輸出頻率升高，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，管道壓力升高；反之，頻率越低，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，管道壓力降低。其變過程可以表示如下：檢測壓力↓→控制器輸出↑→變頻器頻率↑→電機(jī)轉(zhuǎn)速↑，反之相反，最終達(dá)到恒壓。2.4控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計2.4.1硬件總體說明整個系統(tǒng)電控部分以ATMEL公司的AT89C52為核心芯片，這種芯片內(nèi)置有4K的EPROM，具有控制信號采集、處理、輸出三個功能。因為系統(tǒng)要求控制線較多，如果采用8031外置EPROM程序控制結(jié)構(gòu)，則會造成控制線不夠；而AT89C52卻可以利用P0、P1口作控制總線，大大簡化了硬件結(jié)構(gòu)，并可以直接控制鍵盤參數(shù)輸入、LED數(shù)據(jù)顯示，方便現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)，使整個系統(tǒng)的通用性和智能化得到很大地提高。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2-7所示。硬件原理框圖如圖所示。下面詳細(xì)介紹一下各部分硬件電路的組成和功能。圖2-7變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖2.4.2恒壓變頻控制板設(shè)計恒壓控制板設(shè)計主要包括基于AT89C52的單片機(jī)主控制電路設(shè)計、輸入信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換設(shè)計、人機(jī)界面設(shè)計和模數(shù)（A/D）和數(shù)模（D/A)設(shè)計。2.4.3單片機(jī)主控制電路設(shè)計單片機(jī)主控制電路以AT89C52單片機(jī)作為可以變成微控制器核心，在外部晶體振提供的12MHZ工作頻率下開始工作，內(nèi)部通過編程實現(xiàn)模糊PID控制。外部電路設(shè)計包括：擴(kuò)展并口，擴(kuò)展串口，擴(kuò)展存儲器，地址鎖存，看門狗電路，報警電路。設(shè)計各模塊設(shè)計的具體介紹如下：（1）微控制器由于整個系統(tǒng)的工作速度要求不高，采樣處理速度為每秒5次，本設(shè)計采用技術(shù)成熟，穩(wěn)定性能好，性價比極高的AT89C52足已滿足性能要求。C52單片機(jī)內(nèi)部資源比較豐富，包適：8K的片內(nèi)ROM，256個字節(jié)的RAM32根I/O并口1個UART串口，中斷線有6根，內(nèi)部定時器有3個16位的定時妻/計數(shù)器等資源[1][2][3]本設(shè)計把P0口作為主要數(shù)據(jù)/地址總線端口接74LS373地址鎖存器；P2口哦主要用語控制擴(kuò)展串口和產(chǎn)生重要的片選信號；P1口主要做鍵盤輸入端口和其他的一些狀態(tài)控制信號。單片機(jī)內(nèi)部ROM用于燒寫整個控制系統(tǒng)的主程序，各種處理和算法的子程序及控制表。ALE，RD，WR，TXD，RXD，RESET，DUSPLAY—CS，PWM1—CS和PWM2—CS等重要引腳接法見圖2-8。圖2-8單片機(jī)借口電路（2）擴(kuò)展并口由于C52單片機(jī)的并口資源較少，又由于人機(jī)界面中的顯示模塊要占用很多的并口（要3個8位并口），為解決這一矛盾，本設(shè)計采用8255A擴(kuò)展并口，把8255A設(shè)置成工作方式0（直接傳輸，不需要C端口來控制），3個并口PA，PB，，PC都定義成輸出，驅(qū)動顯示和報警。擴(kuò)展電路如圖2-9所示。圖2-9擴(kuò)展并口電路圖 基于系統(tǒng)集成的考慮，該數(shù)字模塊可以用VHDL實現(xiàn)。由于該數(shù)字模塊設(shè)計比較復(fù)雜，針對擴(kuò)展并口的應(yīng)用，本設(shè)計用VHDL只實現(xiàn)了工作方式0的8255具體設(shè)計如下1.8255A的結(jié)構(gòu)8255A芯片結(jié)構(gòu)圖如圖2-10所示。由內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可知8255主要由以下幾個基本部件組成圖2-10并口8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部連接8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)由4部分電路組成。他們是A口，B口，C口。A組控制器和B組控制器，數(shù)據(jù)緩沖器及讀寫控制邏輯。具體介紹如下：(1)A口，B口和C口：A口，B口和C口均為8位I/O數(shù)據(jù)口，但結(jié)構(gòu)上略有差別。A口由一個8位數(shù)據(jù)輸出緩沖/鎖存器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖/鎖存器組成，B口和C口各有一個8位數(shù)據(jù)輸出緩沖/鎖存器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器（無輸入數(shù)據(jù)鎖存器，故B口不可在模式2下工作）組成。(2)A組件控制器和B控制器：都有控制字寄存器和控制邏輯組成?？刂谱旨拇嫫鹘邮蹸PU送來的控制字，用于決定8255A的工作模式，控制邏輯用于對8255A工作模式的控制。A組控制字寄存器控制A口和C口上半部（PC7-PC4），B控制字寄存器控制A口和C口下半部（PC3~PC0）。(3)數(shù)據(jù)緩沖器：這是一個雙向8位緩沖器，用于傳送C52和8255A的控制字，狀態(tài)(4)讀寫控制邏輯：這部分電路可以接受C52送來的讀寫命令和選口地址，用于控制對8255A的讀寫。2.8255A的引腳功能8255A共有40條引腳線，采用雙列直捅式封裝。(1)數(shù)據(jù)總線8條：AD7～ADO為數(shù)據(jù)總線，JIJ于傳送CP[J和8255A間的數(shù)據(jù)、命令字和控制字。(2)控制總線6條：RESET：復(fù)位線，高電平有效。CS：片選線，低電平有效。RD和WR：RD為讀命令線，WR為寫命令線，皆為低電甲有效。A0和Al：地址輸入線，用丁選中A口、B口、C口和控制寄存器中哪一個工作。上述控制線對8255A端口和工作方式的選擇見表圖表2．18255A控制信號功能表(3)并行I／O總線(24條)：PA7～PA0：雙向I／O總線，用來傳送I／O數(shù)據(jù)，可以設(shè)定為輸出方式，也可以設(shè)定為輸出／輸入雙向方式，由控制字決定。PB7～PB0：雙向I／O總線，用來傳送I／O數(shù)據(jù)，也可設(shè)定為輸出或輸入方式，有控制字決定。PC5~PC0：雙向數(shù)據(jù)/控制總線，用來傳送I/O數(shù)據(jù)或控制/狀態(tài)信息，可以設(shè)頂為輸出或輸入方式，也可以設(shè)定為控制/狀態(tài)方式，由控制字決定。(4)電源線（2）條：VCC為+5V電源線，允許變化+-10%；GND為地線。3.8255A的控制字和工作模式8255A有兩個控制字：方式控制字和C口單一置復(fù)位控制字。用戶通過程序可以把這兩個控制字送到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)。這兩個控制字以D7位狀態(tài)作為標(biāo)志。8255A有三種工作模式：模式0(Mode0)、模式1(Mode1)和模式2(Mode2)，通過8255A方式控制字，用程序送到8255A的控制寄存器即可設(shè)定工作模式。(1)模式0：8255A的A口、B口和C口均可設(shè)定為模式O，并可根據(jù)需要規(guī)定各端口為輸入方式或輸出方式。因此在模式0下C25可對8255A進(jìn)行I／0數(shù)據(jù)的無條件傳送，外設(shè)的I／0數(shù)據(jù)可以在8255A的各端口得到鎖存和緩沖。模式0屬于基本輸入／輸出方式。(2)模式l：模式1有選通輸入和選通輸出兩種工作方式，A口和B口皆可獨立的設(shè)置成這種工作方式。在模式l下，8255A的A門和B口通常用于傳送與它們相連的外設(shè)的I／O數(shù)據(jù)。C口用于A口和B口的握手聯(lián)絡(luò)信號，以實現(xiàn)中斷方式傳送I／0數(shù)據(jù)。(3)模式2：模式2只有A口才能設(shè)定。在模式2方式下，PA7-PA0為雙向I/0總線。模式2特別適用于像終端一類的外部設(shè)備，因為這些設(shè)備有時需要把鍵盤輸入的編碼信號通過A口送給CPU，有時CPU又需要把數(shù)據(jù)通過A口送給終端顯示[4][5]。4.8255A的初始化根據(jù)本系統(tǒng)的具體要求，8255A的A口用于輸出設(shè)定壓力值到顯示端、B口于輸出適時壓力變化量到顯示端和C口于各種報警控制線等均為輸出模式。因此我們選擇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，#0FF03H；控制7寄存器地址送DPTRMOVA，#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（3）地址鎖存電路設(shè)計74LS373用于對繼電器輸出狀態(tài)硬件鎖存，以防止輸出狀態(tài)被干擾。（如圖2-11所示）同時在74LS373的CLEAR管腳外接了RC電路，用于開機(jī)上電時清零74LS273的輸出端，可以防止繼電器的誤動作，對變頻器起到保護(hù)作用。圖2-11（4）設(shè)計為了實時監(jiān)控電源狀態(tài)，出現(xiàn)故障能自動產(chǎn)生復(fù)位信號，本設(shè)計采用MAX1232看門狗電路，同時也能通過R鍵實現(xiàn)手動復(fù)位。其接法見圖2-11。圖2-11看門狗電路（5）報警電路設(shè)計MC1413為七達(dá)林頓結(jié)構(gòu)非門，具有集成度高、性能可靠、靜態(tài)功耗電流低、抗干擾能力強(qiáng)等特點，其工作電壓范圍3~18V，輸出電流200mA，由于輸入阻抗高，故輸入電流在1ｕA以下，最高時鐘頻率可達(dá)10MHZ。利用MC1413和繼電器組形成簡單的“0-1”裝置（如圖2-12所示）來控制水泵電機(jī)的起停和報警信號。5.模數(shù)（A/D）和數(shù)模（D/A)電路設(shè)計圖2-12的電路不僅能完成A/D轉(zhuǎn)換的功能，還能完成D/A轉(zhuǎn)換的功能。D/A轉(zhuǎn)換器一共有4個信道，除進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換占用一個外，D/A轉(zhuǎn)換可以任用其它的三個，只是在程序上稍有分別。每個信道的輸出端可接電壓電流變換裝置來控制變頻器，進(jìn)一步控制三個泵的電機(jī)的轉(zhuǎn)速和變頻電網(wǎng)。對D/A轉(zhuǎn)換器的操作指令為11位二進(jìn)制數(shù)，頭三位代表輸出信道，后8位為要轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)據(jù)。對程序的操作可以滿足任意選擇信道進(jìn)行電壓輸出。當(dāng)電壓輸出變大時，后接的變頻器電流相應(yīng)變大，使泵加速，從而所控制的水壓增大;反之減速，水壓減小。由此AT89C52可以通過D/A轉(zhuǎn)換器、電壓電流變換器、變頻器實現(xiàn)對水泵的控制，使水壓保持在壓力設(shè)定值，達(dá)到恒壓供水的目的。圖2.12AT89C52同雙8位串行D/A連接圖2.5人機(jī)界面設(shè)計人機(jī)界面設(shè)計如圖2-13所示，主要本鍵盤輸入和顯示模塊圖2-13人機(jī)界面A：管路壓力顯示（紅色）B：壓力設(shè)定顯示（黃色）C：異常故障指示缺水失壓SENSOR故障時燈亮D：手動交替指示E：驅(qū)動A機(jī)運轉(zhuǎn)的信號輸出F：驅(qū)動B機(jī)運轉(zhuǎn)的信號輸出G：Alarm報警1H：Alarm報警2I：交替切換鈕J：參數(shù)設(shè)定選擇鈕K：設(shè)定值增加鈕L：設(shè)定值減少鈕M：恢復(fù)鈕（1）顯示模塊實現(xiàn)圖2-14顯示模塊電路R鍵（復(fù)位鍵）在看門狗電路設(shè)計中已實現(xiàn)，圖2-15電路圖實現(xiàn)：A/B鍵（A、B水交替切換鍵）、MANU鍵（參數(shù)設(shè)定選擇鍵）、鍵（設(shè)定值增加鍵）鍵（設(shè)定值減少鍵）。當(dāng)有鍵按下，則輸出‘0’信號，經(jīng)“與門”得出INT1=‘1’，即有鍵按下時，生產(chǎn)外部中斷觸發(fā)單片機(jī)馬上處理新的鍵盤輸入數(shù)據(jù)。圖2-15鍵盤設(shè)計電路因為按鍵大多數(shù)是機(jī)械式的開關(guān)結(jié)構(gòu)，雖然只是按一次就放開，但在開關(guān)切換的瞬間會出現(xiàn)在接觸點出現(xiàn)彈跳的現(xiàn)象，因此按鍵信號穩(wěn)定的前后會出現(xiàn)一些不該出現(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，即一次按鍵的時間1~lOOms，所以按下的時間估算為50ms，如果取樣信號KEY—SAMPLE周期為8ms，那么最多可以取到6次。對丁不穩(wěn)定噪聲在4ms以下，最多只能取樣一次。所以本設(shè)計在周期為8ms的采樣時鐘控制下，采用兩級D觸發(fā)器延時后，抽取兩個信號DO毫D1進(jìn)行處理，再輸入到RS觸發(fā)器，根據(jù)RS觸發(fā)器原理，R，S分別為“0．0”時輸出保持?！?，l”時，輸出為l；“l(fā)，0”時輸出為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)消抖處理的按鍵信號。按鍵消抖電路如圖2-16所示。圖2-16按鍵消抖電路圖中的KKl表示其中一個輸入的按鍵信號，KEY—SAMPLE表示的是采樣時鐘，經(jīng)消抖處理的K1。按鍵消抖電路功能仿真如圖2-21所示，可見，通過彈跳消除電路的輸入信號KKl，經(jīng)過取樣脈沖KEYSAMPLE取樣后，按鍵開關(guān)前后的噪聲脈沖消除了，得到無噪聲的按鍵信號K1。由于其它按鍵的消抖均與上述方法相同。此處從略。多個消抖模塊最終集成FPGA中，其中R—S觸發(fā)器的時鐘CP由FPGA內(nèi)部提供[7][8][9]。2.6電機(jī)控制電路設(shè)計電機(jī)控制部分分為強(qiáng)電部分和弱電部分。因為強(qiáng)電部分工作在大電流、大電壓狀態(tài)下，而且主要與所提供的水泵、氣泵等外圍設(shè)備有關(guān)，不屬于本設(shè)計范疇之內(nèi)所以將不對其進(jìn)行詳細(xì)的介紹。下面重點說明弱電部分，也就是和89C52相關(guān)聯(lián)的一部分電路，主要有電壓、電流轉(zhuǎn)換電路和變頻器e89C52對電機(jī)的控制是通過對D/A系統(tǒng)和變頻器的控制實現(xiàn)的?？刂菩畔⒂蒁/A裝置轉(zhuǎn)換為電壓量，但變頻器對電機(jī)的控制是通過調(diào)節(jié)電流實現(xiàn)的，這就需要一種電路，使輸入的電壓量適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)變成為電流量，其功能實質(zhì)就是一個壓拉電流源(見圖2.23)。圖中包含兩個集成運算放大器和一個使用在共集極狀態(tài)下的三極管(射極跟隨器)，A為電壓輸入端，P6為電流輸出端。電容C4和電阻組成低通濾波網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)放大器虛短、虛斷原理，有(1)式成立;流過發(fā)射極的電流由電阻R1的上端電壓Ut和電壓U10共同決定，由歐姆定理得(2)式。(2-3)(2-4)(2-5)通過上式，可以看出當(dāng)RA.凡電阻值非常大時(幾十千歐)A.C通路中電流近似為0。不難推出U12=U10;調(diào)節(jié)電阻RA,RB,RD，根據(jù)放大倍數(shù)有Ut=2U10根據(jù)(2.2)式，電壓量有效的轉(zhuǎn)換成為電流量，輸出的電流量將交給變頻器管理。圖2.17電壓電流變換電路2.7故障檢測電路設(shè)計（1）故障檢測電路本系統(tǒng)的故障檢測功能并不是對系統(tǒng)本身(數(shù)字部分、模擬部分)而設(shè)立的，它的主要目的是監(jiān)視和控制工作中的電機(jī)和工作的環(huán)境是否達(dá)到要求(是否有水)。在系統(tǒng)上電工作時，主程序開始啟動，它除了控制電機(jī)，給電機(jī)加速、減速以使實際水壓達(dá)到用戶設(shè)置的預(yù)定值外，它還要處理來自故障檢測電路發(fā)出的中斷信號.圖2-18即為故障檢測電路的一部分，當(dāng)水泵無故障時熱繼電器al,a2,a3不會吸和，A,B,C端與地端斷開，輸出為高電平;當(dāng)水泵非正常工作時，圖中的熱繼電器就會吸和，則A.B.C三端至少有一端會與地端導(dǎo)通，輸出低電平。A,B,C分別代表了水泵1,水泵2和水泵3oA,B,C哪一端輸出電平為低就說明哪一個水泵發(fā)生了故障A,B,C端分別和單片機(jī)89C52相連，輸入的信號經(jīng)過89C52判斷、輸出如果認(rèn)為哪一個水泵放生了故障，就點亮相應(yīng)的警示燈或發(fā)光二極管、蜂鳴器，提示工作人員排除故障。(2)熱繼電器熱繼電器的作用是對電機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)。電機(jī)正常工作時，互感器的電壓輸出較小，繞阻溫度低于限值;當(dāng)電機(jī)過載運行一段時間后，繞阻升溫達(dá)到限值，此時熱繼電器運作使電動機(jī)短電，從而保護(hù)電動機(jī)。圖2-18故障檢測電路圖2.8壓力檢測電路設(shè)計壓力檢測部分電路主要由傳感器和信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成。(見圖2-19)傳感器是能夠規(guī)定被測量并按著一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置.通常由敏感組件和轉(zhuǎn)換組件組成。傳感器的輸出信號有很多形式:電壓、電流、頻率、脈沖等。輸出信號的形式由傳感器的原理確定.常見的信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路:放大器、電橋、震蕩器、電荷放大器等。該設(shè)計采用電阻式遠(yuǎn)傳壓力表作為傳感器，直流電橋、差分放大器作為信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路。圖中SR為傳感器，滑動變阻器為調(diào)零電阻。當(dāng)水壓為0時電橋輸出應(yīng)為0V，但有時因為其它原因電橋輸出不為0，這時就要適當(dāng)調(diào)節(jié)滑動電阻器Rh使電橋輸出為0V。設(shè)滑動變阻器為Rh電源電壓為U,輸出電壓為Uo，輸出端兩端電壓分別為U1、U2，則電橋輸出電壓和電源電壓的關(guān)系為:(2-6)(2-7)(2-8)圖2-19壓力檢測電路圖

第三章主要硬件設(shè)備介紹變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾經(jīng)出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖2—1所示的基本結(jié)構(gòu)。3.1變頻器的控制原理變頻調(diào)速的控制方式經(jīng)歷了V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的發(fā)展，前者屬于開環(huán)控制，后兩者屬于閉環(huán)控制，正在發(fā)展的是直接轉(zhuǎn)矩控制。圖3—1變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻調(diào)速的控制方式經(jīng)歷了V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的發(fā)展，前者屬于開環(huán)控制，后兩者屬于閉環(huán)控制，正在發(fā)展的是直接轉(zhuǎn)矩控制。1、V/F控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率f和極對數(shù)有關(guān)，改變f就可以平滑的調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，但是頻率f的上升或者下降可能會引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足的現(xiàn)象，所以在改變f的同時，還需要調(diào)節(jié)定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動機(jī)的效率不下降，這就是V/F控制。V/F控制簡單，通用性優(yōu)良。2、轉(zhuǎn)差頻率控制 由電機(jī)學(xué)的基礎(chǔ)知識可知，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩M與氣隙磁通Φ、轉(zhuǎn)差頻率f2的關(guān)系為：(3-1)只要保持氣隙中磁通Φ一定，控制轉(zhuǎn)差頻率f2就可以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制。3、矢量控制 矢量控制是在交流電動機(jī)上模擬直流電動機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應(yīng)于直流電動機(jī)的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進(jìn)行任意控制。矢量控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，獲得和直流電動機(jī)一樣的優(yōu)良的調(diào)速性能。一、水泵工況點的確定以及變化水泵工作點（工況點）是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。如果把某一水泵的性能曲線（即H-Q曲線）和管路性能曲線畫在同一坐標(biāo)系中（圖3-2），則這兩條曲線的交點A,就是水泵的工作點。工作點A是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定在A點。若把水泵的效率曲線η-Q也畫在同一坐標(biāo)系中，在圖2-2中可以找出A點的揚程HA、流量QA以及效率A。圖3-2水泵工作點的確定從圖2-2中可以看出，水泵在工作點A點提供的揚程和管路所需的水頭相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達(dá)到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。一旦當(dāng)水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。另外確定工作點一定要保證水工作點的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設(shè)計和運行管理中一個重要問題。在變頻調(diào)速恒壓供水過程中，水泵工況點的變化如圖2—3所圖3—3水泵工況點的變化當(dāng)P1、P2高于P0時，說明管網(wǎng)系統(tǒng)用水量減少，管路阻力特性曲線A1、A2向A0方向變化，此時水泵轉(zhuǎn)速逐漸降低，管網(wǎng)口壓力也由P2、P1逐漸下降，當(dāng)P’低于P0時，其工況點變化與上述相反即由A1逐漸向A0移動，使管網(wǎng)系統(tǒng)供水始終保持恒定。圖3-4水泵變速恒壓工況根據(jù)2-4圖水泵變速恒壓工況分析：當(dāng)管網(wǎng)用水由Q2、Q1….向Q0移動時，通過改變水泵轉(zhuǎn)速使P0保持恒定。二、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵工況調(diào)節(jié)過程交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f具有如下關(guān)系：（3—2）式2—2中：p極對數(shù),s轉(zhuǎn)差率因此不改變電動機(jī)的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時，通過VVVF降低交流電的頻率，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速從n1降低到n2。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速n,可使供水泵流量Q、揚程H和軸功率N以相應(yīng)規(guī)律改變。（3—3）（3—4）（3—5）或（3—6）式2——6是頂點在坐標(biāo)原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線[10][11]在變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。其工況調(diào)節(jié)過程可由圖2-5來說明。圖3-5變頻調(diào)速恒壓供水水泵工況調(diào)節(jié)圖由圖3-5可見，設(shè)定管網(wǎng)壓力值（揚程）為，管網(wǎng)初始用水量為，初始工況點為A，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速為，工作點A的軸功率即為四點所圍的面積。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時，管網(wǎng)壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉(zhuǎn)換成4-20電流信號送往模糊調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個令變頻器頻率降低的信號，從而降低電機(jī)轉(zhuǎn)速至,水泵轉(zhuǎn)速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點A移至B點，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應(yīng)減小。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在,因此水泵工作點又沿著轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的水泵性能曲線從點B移至C點，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點C點，在圖3中可以找出C點的揚程、流量以及效率，工作點C的軸功率即為四點所圍的面積?？疾焖玫男是€-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)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。三、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定考察水泵的效率曲線-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)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當(dāng)選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)，電動機(jī)的負(fù)載率在50%-100%范圍內(nèi)變化，電動機(jī)的效率基本上都在高效區(qū)。3.2系統(tǒng)的方案設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，由模糊控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器、起動器等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動2臺電動機(jī)的起動、運行與調(diào)速，采用循環(huán)使用的方式運行。單片機(jī)上接工控計算機(jī)，壓力傳感器采樣水壓力信號，變頻器輸出電機(jī)頻率信號，這兩個信號反饋給模糊控制器,模糊控制器根據(jù)這兩個信號經(jīng)模糊運算，發(fā)出指令，對水泵電機(jī)進(jìn)行工頻和變頻之間的切換。模糊控制器上接工控計算機(jī)，上位機(jī)裝有監(jiān)控軟件，對恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。如圖3-6所示:圖3-6變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)示意圖3.3系統(tǒng)工作過程根據(jù)小區(qū)用水的實際情況，只需開動一臺泵供小區(qū)居民日常用水，另一臺相同水泵配合循環(huán)使用以及預(yù)防其中一臺水泵發(fā)生故障時仍然正常為小區(qū)提供良好的供水。用水高峰時段水泵以工頻狀態(tài)運行；用水低谷時段水泵停止運行，以侍網(wǎng)供水；用水普通時段水泵以變頻狀態(tài)運行。分析自動控制系統(tǒng)電機(jī)工作過程,可分為以下三個工作狀態(tài)：1)電機(jī)變頻起動；2)電機(jī)工頻運行；3)電機(jī)不運行。一般情況下，水泵電機(jī)都處于這三種工作狀態(tài)之中，當(dāng)源水的水壓發(fā)生變化時，管網(wǎng)壓力也就隨之變化，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)換，因此這三種工作狀態(tài)對應(yīng)著三個切換過程。1.切換過程Ⅰ系統(tǒng)開始工作時，壓力低于設(shè)定壓力下限，按下相應(yīng)的按鈕，在模糊控制器控制下，電機(jī)先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端，變頻器對拖動泵的電動機(jī)采用軟起動，在頻率未達(dá)到工頻頻率（即）的情況下水泵電機(jī)在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少；變頻器輸出頻率上升，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，水泵輸出流量增加。水泵在變頻器的拖動下變頻運行。2.切換過程Ⅱ由電機(jī)變頻運行。用水高峰時段，隨著運行頻率的增加，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻（即50HZ），模糊控制器發(fā)出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，電機(jī)自變頻器輸出端斷開，電機(jī)切換至工頻運行。電機(jī)工頻運行后,開啟泵閥門，泵工作在工頻狀態(tài)。從而實現(xiàn)水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到壓力達(dá)到設(shè)定值為止。3.切換過程Ⅲ由電機(jī)工頻狀態(tài)。當(dāng)變頻器輸出頻率下降到指定值，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到指定值；水管水壓高于設(shè)定水壓上限時,在模糊控制器控制下電機(jī)停止運行。系統(tǒng)開始工作時，壓力低于設(shè)定壓力下限，模糊控制器控制下，電機(jī)先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端，變頻器對拖動泵的電動機(jī)采用軟起動，在頻率不大于工頻頻率（即）的情況下水泵電機(jī)在變頻器的拖動下變頻運行。控制系統(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開始新一輪循環(huán)。在程序設(shè)計中，必須認(rèn)真考慮這三個切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)實現(xiàn)正常切換與運行。電機(jī)工作過程流程圖如下：圖3-7電機(jī)工作過程流程圖第四章PID控制與模糊控4.1PID控制在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。（1）比例（P）控制：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。（2）積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)誤差。（3）微分（P）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。4.2模糊控制模糊自動控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)控制。從線性與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制;從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前實現(xiàn)智能拉制的一種重要而有效的形式，尤其是模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法及混沌理論等新學(xué)科的相融合，正在顯示其巨大的應(yīng)用潛力.本章分部分介紹了模糊控制原理，模糊控制核心部件一模糊拉制器及其設(shè)計。4.2.1模糊控制的基本思想在自動控制技術(shù)產(chǎn)生以前，人們在生產(chǎn)過程中只能采用手動控制方式。手動控制過程首先是觀測被控對象的輸出，其次是才壓據(jù)觀測結(jié)果作出決策判斷，然后手動調(diào)整輸入。操作工人‘就是這樣不斷地觀測一決策一調(diào)整，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的手動拉制，這三個步驟分別由人的眼一腦一手來完成。后來，由于科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，人們采用各種測量裝置代替人的眼睛，完成對被控量的觀測任務(wù);利用各種控制器部分地取代人腦的作用實現(xiàn)比較，綜合被控制量與給定量之間的偏差，控制器所給出的輸出信號相當(dāng)于手動過程中的人腦的決策;使用各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)對被控對象施加某種控制作用，這就起到了手動控制中手的調(diào)整作用，這就是人們所熟悉的常規(guī)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。經(jīng)過人們長期研究和實踐形成的經(jīng)典控制理論對于解決線性定常系統(tǒng)的拉制問題是很有效的，然而經(jīng)典控制論對于非線性時變系統(tǒng)難以奏效。隨著計算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，自動控制理論和技術(shù)獲得了飛躍的發(fā)展，基于狀態(tài)變量描述的現(xiàn)代控制理論對于解決線性或非線性，定?；驎r變的多輸入多輸出系統(tǒng)問題，獲得了廣泛的應(yīng)用，例如在阿波羅的姿態(tài)控制宇宙飛船和導(dǎo)彈的精密制導(dǎo)以及在工業(yè)生產(chǎn)過程控制等方面得到了成功的應(yīng)用。但是無論采用經(jīng)典控制論還是現(xiàn)代控制論設(shè)計一個控制系統(tǒng)，都需要事先知道被拉對象(或生產(chǎn)過程)精確的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計，然而在許多情況下被控對象的精密的數(shù)學(xué)模型很難建立，過程變量多，且各種參數(shù)存在不同程序的時變性，這種過程數(shù)學(xué)模型難以建立，甚至根本辦不到。在這樣的事實面前，人們又重新研究和考慮人的控制行為的特點，能否對無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的對象讓計算機(jī)模擬人的思維方式，進(jìn)行控制決策。在這種情況下，人們總結(jié)了自身的控制行為，正是遵循反饋及負(fù)反饋控制的思想，人的手動控制決策可以用語言加以描述，總結(jié)成一系列條件語句一控制規(guī)則。利用微機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)這些控制規(guī)則，微機(jī)就起到了控制器的作用，于是利用微機(jī)取代人可以對被控對象進(jìn)行自動控制。這樣，模糊控制技術(shù)相應(yīng)而生了。模糊控制技術(shù)是一種由模糊數(shù)學(xué)，計算機(jī)科學(xué)，人工智能，知識工程等多門學(xué)科領(lǐng)域相互滲透，理論性很強(qiáng)的科學(xué)技術(shù)。綜上，相對于傳統(tǒng)的控制方法，從被控對象的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)上去考慮進(jìn)行控制，模糊控制的基本思想就是:從人類智能活動的角度和基礎(chǔ)上去考慮實施控制.4.2.2模糊控制系統(tǒng)組成模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則理論為理論基礎(chǔ)，采用計算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)控制系統(tǒng)，核心是具有智能型的模糊控制器。模糊控制系統(tǒng)的組成如圖4.1。模糊控制系統(tǒng)一般可分為四個組成部分:(1)被控對象可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，也可以是一個生產(chǎn)的自然的，社會的，生物的或其他各種的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，這些被控對象可以是確定的或模糊的，單變量的或多變量的，有滯后的或無滯后的，也可以是線性的或非線性的，定常的或時變的以及具有強(qiáng)藕合和干擾等多種情況，對于那些難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象更適合采用模糊控制。(2)執(zhí)行機(jī)電氣的可以是交直流電機(jī)，伺服電動機(jī)，步進(jìn)電機(jī)等;其它氣動的或液壓的，如各類氣動調(diào)節(jié)閥和液壓馬達(dá)，液壓閥等均可。(3)控制器模糊控制系統(tǒng)的核心部分，由于被控時象不同以及對系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性的要求和所用的控制規(guī)則相異，可構(gòu)成各種類型的控制器:經(jīng)典控制論中，采用Pm控制器，串并校正器;現(xiàn)代控制論中，狀態(tài)觀測器;智能控制論中，則采用模糊知識表示和規(guī)則推理的語言型的模糊控制器，這是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其它自動控制系統(tǒng)的特點所在。實質(zhì)上一臺微型計算機(jī)，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要既可以采用系統(tǒng)機(jī)也可采用單片機(jī)或單板機(jī)。(4)輸入/輸出接口裝置實際模糊控制系統(tǒng)中，由于被控對象的控制量以及可觀測的狀態(tài)量是模擬量，因此，模糊控制系統(tǒng)與通常的全數(shù)字控制系統(tǒng)或混合拉制系統(tǒng)一樣，也必須具有模數(shù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲得數(shù)字量信號，并將模糊控制器決策的輸出信號經(jīng)過數(shù)模變換，將其轉(zhuǎn)換為模擬信號送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對象，不同的是在模糊控制系統(tǒng)中，還應(yīng)該具有模糊邏輯處理的“模糊化”與“解模糊化”環(huán)節(jié)這部分，通常也被看作是模糊控制器的輸入/輸出接口。(5)測量裝置是將被測對象的的各種非電量如電流，溫度，壓力，速度，濃度等轉(zhuǎn)換為電信號的一類裝置。通常由各類數(shù)字的或模擬的測量儀器，檢測元件或傳感器等組成。它在模糊控制系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的地位，其精度往往影響整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)，因此要求其精度高，可靠性強(qiáng)且穩(wěn)定性好。4.1.3模糊控制的基本原理在此僅以一步模糊控制系統(tǒng)為例，簡要的介紹一下模糊控制的基本原理，如圖4.2所示:核心部件模糊控制器具體原理如下:微機(jī)中斷采樣獲取被控量的精確值，然后將此量與給定值比較后得到誤差信號E，此誤差信號作為模糊控制器的一個輸入量，進(jìn)行模糊量化變成模糊量，此模糊量可以用相應(yīng)的模糊語言來表示，至此，得到了模糊語言集合的一個子集e,e和模糊控制規(guī)則R根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量u,u為u=u*R。其中u為一個模糊量，為了對被控對象施加精確地控制，還需將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量，即非模糊化處理，得到精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模變換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對被控對象進(jìn)行一步控制，然后中斷等待第二次采樣，進(jìn)行第二步控制……循環(huán)下去，就實現(xiàn)了對被控對象的模糊控制。以上為單輸入單輸出模糊控制原理，其它的單輸入多輸出模糊控制系統(tǒng)、多輸入多輸出模糊控制系統(tǒng)原理類似，只不過輸入輸出變量個數(shù)相異，控制規(guī)則煩瑣一些，在后面涉及的地方再闡述，這里不一一贅述。4.3模糊控制器模糊控制理論應(yīng)用于實際的橋梁即模糊控制器，是模糊控制的核心部件，它具有以下特點:模糊控制器不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，易于對不確定系統(tǒng)進(jìn)行控制。模糊控制器是易于控制，易于掌握的較理想的非線性控制器，是一種語言控制器。模糊控制器杭干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，并對系統(tǒng)參數(shù)的變化有較強(qiáng)的魯棒性。模糊控制器可劃分為:模糊輸入接口，模糊推理判決機(jī)構(gòu)，模糊輸出接口三大部分，它們構(gòu)成了模糊控制器的控制機(jī)理和算法結(jié)構(gòu)。據(jù)此，實際應(yīng)用中，模糊控制器有兩種組成形式:一種是由模糊邏輯芯片組成的硬件專用模糊控制器，它是用硬件芯片來直接實現(xiàn)模糊控制算法。這種模糊控制器特點是推理速度快，控制精度高，但價格昂貴，輸入和輸出二級模糊規(guī)則均有限且靈活性差，實際中較少使用，另一種組成方式是采用與數(shù)字控制器相同的硬件結(jié)構(gòu)。模糊控制器的三大功能：(1)把系統(tǒng)的偏差從數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模糊量(2)對模糊量進(jìn)行一定的給出規(guī)則進(jìn)行推理(3)把推理的結(jié)果從模糊量轉(zhuǎn)化為可實用于實際控制的數(shù)字量對應(yīng)于以上的三大功能，模糊控制器的實現(xiàn)需要三大過程:(1)模糊化過程(2)模糊邏輯推理(3)精確化計算因此，模糊拉制器的最終設(shè)計問題就是上述三個過程的設(shè)計問題，在詳細(xì)討論系統(tǒng)設(shè)計之前，我們先定性的分析一下三大部件的設(shè)計。(1)模糊化過程測量輸入變量的值并將數(shù)字表示形式的輸入量轉(zhuǎn)化為通常用語言表示的某一限定碼的序數(shù)，每一限定碼表示論域內(nèi)的一個模糊子集，并由其隸屬度函數(shù)來定義。通常選用三角形和梯形函數(shù)的隸屬度函數(shù)。(2)模糊推理過程設(shè)計模糊推理過程設(shè)計主要考慮模糊控制器的規(guī)則基和知識基的設(shè)計。所謂規(guī)則基指的是所有條件語句，即控制規(guī)則的全體.所謂知識基指的是數(shù)據(jù)基和規(guī)則基合起來。(3)精確化過程設(shè)計在本設(shè)計中，考慮小區(qū)供水的實際情況，采用最大隸屬度法求取控制值。4.3.1模糊控制器的結(jié)構(gòu)模糊控制是依據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行控制，而模糊控制規(guī)則是熟練工作人員或控制專家經(jīng)長期實踐，有意或無意地綜合考慮各種因素，通過操作者的學(xué)習(xí)，測驗及長期經(jīng)驗積累的出的控制策略。它可以通過自然語言描述，這種自然語言用的是定性的、不準(zhǔn)確的模糊條件語句。模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。圖4-3模糊控制系統(tǒng)方框圖圖4-3模糊控制系統(tǒng)方框圖設(shè)計一個模糊控制器要解決以下三個問題：精確量的模糊化。把語言變量的語言值化為適當(dāng)?shù)恼撚螯c的模糊子集。模糊控制算法設(shè)計。通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則。輸出量的模糊判決。由輸入量和控制規(guī)則決定輸出量并轉(zhuǎn)化為精確量。圖3-1所示的模糊控制系統(tǒng)方框圖中，虛線內(nèi)為模糊控制器，E和E為誤差及誤差的變化率e和e1的模糊化量。U為輸出u的模糊化量，模糊化為精確量的模糊化，模糊判決為模糊量的精確化。模糊控制算法為根據(jù)輸入和控制規(guī)則的模糊推理過程。實驗證明，模糊控制系統(tǒng)不僅能成功地實現(xiàn)控制，且能模仿人的思維方法，對一些無法構(gòu)造模型的被控過程實施有效控制。模糊化模糊控制器的輸入與輸出都是精確量。對輸入而言，要進(jìn)行模糊化處理將精確值變?yōu)槟：?；模糊控制器的輸出則是將依據(jù)模糊控制規(guī)則得出的模糊值精確化，即解模糊。在模糊化過程中要解決幾個問題：論域離散化、確定量化因子和比例因子，確定語言變量以及語言變量的子集。一個精確量模糊化的前提是將精確量大小分檔。假如一個恒壓控制系統(tǒng)輸入的變化范圍為-200～200分為n檔，n取4～8，這時量化因子K定義為如n=4則K=4/400=0.1。水壓變化率e的變化范圍為-10～10，n取4，則K=4/20=0.2。對輸出而言基于量化因子的概念定義一個比例因子，如輸出確定量u的范圍為0～5，取n=10，則K=u/n=5/10=0.5k,說明u變化分5檔。比例因子K取得過大則會造成阻尼程度下降，反應(yīng)靈敏，易造成輸出震蕩，過小則被控過程反應(yīng)遲鈍。為了確保被控對象在過程中保持最佳，對一些響應(yīng)過程長的大慣性系統(tǒng)可以用幾組量化因子/比例因子，在控制過程的不同狀態(tài)使用不同的因子，以取得滿意的效果。語言變量的選擇常常根據(jù)人們的習(xí)慣將同類事物分為大中小，一般在設(shè)計模糊控制器時常選用正大（PB）,正中（PM）,正小(PS)零(0)小負(fù)(NS)負(fù)中(NM)負(fù)大（NB）。取模糊隸屬函數(shù)如圖3-2所示。語言變量論域上的模糊子集，通過總結(jié)操作者的經(jīng)驗或由其它方法得到上面離散化e的情況為{-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3}，取八位語言變量值PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB，取模糊隸屬函數(shù)如圖3-2所示。確定隸屬函數(shù)應(yīng)注意幾個方面。一是隸書函數(shù)的尖銳程度，較尖銳則控制的靈敏度高；較平緩則控制的靈敏度低，控制特性較平緩。二是PB，PM，PS，…對論域的覆蓋程度。在論域中任取一點，這一點應(yīng)屬于某一隸書函數(shù)且對應(yīng)。對應(yīng)的隸書函數(shù)不能太小，如在論域某一點隸書函數(shù)覆蓋不到或值太小則會出現(xiàn)失控。三是集合間的交叉程度，交叉程度高被控過程參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好，但交叉程度過大，兩語言的變量值又難以區(qū)分。圖4-4模糊控制系統(tǒng)方框圖模糊控制偏差e和偏差變化率之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷的檢測e和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)則對參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足不同e和對控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。(1)輸入輸出變量的確立由以上分析，本系統(tǒng)將偏差e和偏差變化率作為模糊控制器的輸入。將電流或電壓信號作為模糊控制器的輸出。(2)輸入變量的模糊化控制器控制水壓是通過改變變頻器的輸出從而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的。水壓通過壓力傳感器檢測送回單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的模糊運算后控制變頻器的輸出。因此系統(tǒng)的輸入量是水壓的變化偏差和偏差變化率。相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，輸入變量e和的隸屬函數(shù)曲線如圖4-5所示圖4-5輸入變量隸屬度函數(shù)曲線圖4-6Kp隸屬度函數(shù)曲線圖4-7Ki隸屬度函數(shù)曲線(3)輸出變量的模糊化模糊控制是通過實時調(diào)整模糊控制器的控制參數(shù)，然后由單片機(jī)中的模糊控制指令來實現(xiàn)最終的調(diào)整控制的。變頻器中的模糊參數(shù)都有它的設(shè)定范圍.。設(shè)定輸出量KP、KI和KD的模糊子集為{零，正小，正中，正大}，簡記為{ZO,PS,PM,PB}，并將KP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)內(nèi)。建立數(shù)輸出變量的隸屬度函數(shù)后，輸出變量KP、KI和KD的隸屬函數(shù)曲線分別如4-6.4-7.圖所示。(4)模糊規(guī)則的確立三個參數(shù)的作用是各自獨立的，互不影響的。改變一個調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會影響其他的調(diào)節(jié)作用。顯然，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨使用上面任意一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。根據(jù)參數(shù)KP、KI和KD對系統(tǒng)輸出特性的影響情況，可以得到對于不同的偏差e和偏差變