智能恒压供水系统设计

PID单片的CPU、器、输入/输出部件和时钟电路等。自问世以来，性能不断提高和变频调速技术在恒压供水技术中模糊控制理论在恒压供水系统中过程中，系统通过查找模糊控制表把实时的压力等输入信号转化成输出，然后通过模糊决策得到输出的清晰量，最后系统根据该清晰量进行电频控制，控制PID在过去的50年，调节PID控制器参数的方法获得了极大的发展。其中有利用开环阶跃响应信息，如Coon-Cohen响应 法的，如Ziegler-Nichols连续响应法。然而这些调节方法只识别了系统动态计算机能自动调整PID参数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定PID控制技术的发展。自整定技术可追溯到50年代自适应控制处于萌芽时期，60年代国外有人品化。80年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，PID控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。PID模糊控制的概念是由加利福尼亚大学著名教授L.A.Zaden首先提出PIDPIDeeceec对参数自整定PIDPID研究内容:本设计研究了在主为单片机的模糊PID变频自动控制恒变频调速恒水位供水系统现状和发展主要介绍其系统的目的和意义，变频器变频调速恒压水位供水系统的理论原理以及总体方按的设计主要是变频恒压供水系统的模糊控制器设计及仿真研究主要介绍模糊控制的概念和特点以及模糊控制器的设计并且运用进行仿真研应用设计主要介绍了控制系统程序设计主要包括七大程序，分别是初始化程序、停机程序、水泵电机启动程序、电频/工频切换程序、图、程序等。第二章变频调速恒压控制系统的方案设计异步电的转速与定子电源频率和极对数有关，改变f就可以平滑的调效率不下降，这就是V/F控制。V/F控制简单，通用性优良。M2f

(2-矢量控制是在交流电上模拟直流电控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控一、水泵工况点的确定以及变化[4、 图2-4水泵变速恒压工 图2-5变频调速恒压供水水泵工况调节通过改变水泵转速使P0保持恒定。 N60f1s

（2-当负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电的转速从n1降低HN以相应规律改变。 Q1Q2n1 （2- H1H2n1 （2-P1

n2 （2-2 HKQ2 式2-6是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程在这种抛物线上的各点具fn，从而改变水泵性能曲线得以实现的。其工况调节过程可由图2-5来说明。由图2-5可见，设定压力值（扬程）为H0，初始用水量为QA，初始工况点为A，水泵电机的转速为n1，工作点A的轴功率即为AH0QA四点所围的面积。当负载减小时，压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成4-20A电流信号送往模糊调节器，经比较处理后，输出一个令变频器频率降低的信号，从而降低电机转速至n2 减小。恒压供水系统中压力值恒定在H0,因此水泵工作点又沿着转速n2所对应CHCQC四点所围的面积。水泵的效率曲线-Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也换。如图2-6所示:动；2)电机工频运行；3)电机不运行。一般情况下，水泵电机都处于这三种工的电采用软起动，在频率未达到工频频率（f50HZ）的情况下水泵电增至工频f0（即50HZ），模糊控制器发出指令，接通变频器BX端，变频器FWD定值；水管水压高于设定水压上限Pk时,在模糊控制器控制下电机停止运行。在频率不大于工频频率（f050HZ）的情况下水泵电机在变频器的拖动下变电机工作过程流程图如下不能通过有效的测量来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，PIPDPID关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。(2)的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。目前需要增加的是“微分项”，它能误差变化的趋势，这样，具有比例+微模糊控制理，模糊控制部件—模糊控制器及其设计。模糊控制的基模糊控制系统通道的闭环结构的数学控制系统，是具有智能型的模糊控制器。据此，实际应用中，模糊控制器有两种组成形式:一种是由模糊逻辑组论系统设计之前，先定性的分析一下三大部件的设计。定义。通常选用三角形和梯形函数的隶属度函数。的是定性的、确的模糊条件语句。模糊控制系统的结构如图3-1所示。的变化范围为-200～200n，n4～8，K定义为Kn (3-u的范0～5，取n=10，则K=u/n=5/10=0.5k,u变化5档。比例因子的效果。语言变量的选择常常根据人们的将同类事物分为大中小，一般在设中(NM)，负大（NB）。取模糊隶属函数如图3-2所示。散化e的情况为{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}，取七位语言变量值PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB，取模糊隶属函数如图3-2所示。灵敏度高；较平缓则控制的灵敏度低，控制特性较平缓。二是PB，PM，PS，…3-2e和ec并将它们作为控制器的输入，由控制器根据模糊控制规则对参数进行将KP、KI和KD作为模糊控制器的输出。NB NM N

ZO PM P—0.15－0. －0.0

00 0.1 015EE 0 图3-4KP隶属度函数曲 图3-5KI隶属度函数曲KP、KIKDZO,PS,PM,PBKP量化到区域(10,100)内，KI量化到区域(4,6)内，KD量化到区域(0,3)KP、KIKD的隶属函数曲线分别如图3-3、3-4、3-5所示。c根据参数KP、KI和KD对系统输出特性的影响情况，可以得到对于不同的偏差e和偏差变化率e时，参数的自整定原则：[7~10]c瞬间变大，需要取较大的KP为了防止积分饱和，应取较小的KI，同时为了防止微分饱和，避免系统响应出现较大的超调，应去掉微分作用，即KD＝0。e*ec>0，说明误差在向绝对值增大的方向变化。当偏差|e|和偏差变化率|ec|时为中等大小，系统处于跟随阶段，为了使系统响应的超调减小，KP、KI和KD都不能太大，需要取较小的KP值，KI和KD的值大小要适中，以保证系统KPKIKD值，KPKIKD值，以提高系统的e*ec>0，说明误差在向绝对值减小的方向变化。若偏差|e|较大，则应KP,同时可取较小的KI和中等KPKI的值，同时为了避免系统在设定值附近振荡，并考虑系统的性能，适当选取KD的值，通常为中等大小。eee 1、2、3T1=1，T2=4；T13，T2=8；T1=5，T2=12的特性曲线。图3-6常规PID控制特性曲 3-63-7系统的动态特性明显优于常规PID控制。常规PID控制器强，但上升时间改善不大。给水行业为《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中“二供水系统提供了现代化的调度、管理、及经济运行段。较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现代在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。系统统组成示意图如图4-1所示。速的方式，控制器控制泵站投运水泵的台数及变量泵运行工况，并实现对每台可减小电的冲击电流，冲击电流会造成电局部温升过大，降低电寿命，可减小硬起动带来的机械冲力，冲力加速所带来的传械（轴，齿合齿轮行。软起动使堤岸可以起停自如，减少空转，提高作业率，因而有节能作用。考点的水压检测出水压力，并将其转换成4~20mv的电信号，再将此信号传A/D进行处理。系统1、恒压供水技术因采用变频器改变电电源频率，而达到调节水泵转速低，减少了轴承的磨损和发热，延长白呢感和电的机械使用。4、水泵呢感电采用软启动发誓，按设定的加速时间加速，避免电N60f1s （4-n为电机转速，f为定子供电频率，s为转差率（s0.02），p为电机的极对数。由公式可见，水泵转速n‘=n正比于供电频率，因此，连续地改变电机定子的供电频率就可以平滑改变电的转由流体力学知：压力P，流量Q和功率N的关系为N=PQ，而功率与水泵n2n族曲线为不同功率（转速）P=F（Q）2Q= 2管阻时的P=F（Q）曲线，同一曲线上的不同点，其功率是不同的。Q1，打开阀门（t~0），管阻将突然变化，点4-4所示。PP0P2由管阻变化时间和系统的响应时间决定。 图4-2水泵的特性曲 图4-3恒压过程分析4-4转速，使输出压力始终保持在恒定压力。其闭环控制原理如图4-5所示。4-5整个系统电控部分以ATMEL公司的AT89C52为，这种内置有

其硬件结构框图如图4-6所示。硬件原理框图恒压变频控制恒压控制板设计主要包括基于AT89C52的单片机主控制电路设计、人机界面单片机主控制电路以AT89C52单片机作为可以变成微控制器在外部晶振提供的12MHZ工作频率下开始工作，通过编程实现模糊PID控制。外部电路5次，本设计采用技术成熟，稳定性能价比极高的AT89C52足已满足性能要求。C52单片机资源比较丰富，包适：8K的片内ROM，256个字节的RAM32根I/O并口1个种处理和算法的子程序及控制表。4-74-8基于系统集成的考虑，该数字模块可以用VHDL实现。由于该数字模块设计18255A器和B组控制器，数据缓冲器及读写控制逻辑。2.8255A控制总线6条：RESET：复位线，高电平有效。CS：片上述控制线对8255A端口和工作方式的选择见表4-14-18255A3.8255A8255AC口单一置复位控制字。用户通过程序可以把这两个控制字送到8255A的控制字寄存器(AlA0=11B)，以设定8255A的工作模式和C端口的工作模式和C端口各位状态。这两个控制字以D7位状态作为标8255A有三种工作模式：模式0(Mode0)、模式1(Mode1)和模式2(Mode2)，8255A8255A根据本系统的具体要求，8255AA口用于输出设定压力值到显示端、B口于输出适时压力变化量到显示端和C口于各种控制线等均为输出模式因此选择8255A的工作模式为模式0。所以8255A的模式控制字为80H控制字寄存器选口地址为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资源的不足需扩展内存，93C46提供1024位串行EEPROM，它8PDIP，8JEOEEIAJS0IC8PIDP封装如图4-10所示。相连时，组态为128*8位。用来保存开机设定时的原始参数，这样当行于掉电前的状态。如果不使用PlugandPlay方式，那么从12h到7fh地址空间可以用来用户自己的数据。用户可以在12-7f里写入任何的数据。这样就可以节省用户自己的EEPROM。图4-10 图4-11 NE555的2引脚为高电平，起动复位。 图4-12琐存电路 图4-13继电器与MC1413接口电3~18V200mA，由于输入阻抗高，1ｕA10MHZ。[20]MC1413形成简单的“0-1”装置（如图2-13所示）来控制水泵电机的起停和信号。人机4-14C：手动交替指示D：AE：BF：Alarm1 G：Alarm2H：交替切换钮

4-15该出现的噪声。为了消除按键的不良噪声，又由于一般人的按键速度最多10次/秒，即一次按键的时间1~lOOms，所以按下的时间估算为50ms，如果取样信号8msDDOD1RSRS时输出为0。只有两次取样值不变才能输出，否则保持原先状态：从而得到经消前向输入通道和后向输由于系统要求的响应速度并不快，因此系统A/D输入采用8位串行TLC0831逐次近模数转换器(如图4-18所示)，这样可以节省AT89C52的I/0口，并可D/A输出电路采用了光耦式D/A输出，并采用了LM358双运放组电机控制电路4-20大器虚短、虚断原理，有(4-3)R1Ut和电压U10共同决定，由欧姆定理得(4-4)式。U12U9IP6U12U10R1WU12UA

(4-(4-(4-通过上式，可以看出当RA电阻值非常大时(几十千欧)A、C通路中电流近0。不难推出U12U10RA,RBRD，根据放大倍数有Ut2U10根故障检测电路中断信号.图4-21al,a2,a3不会吸和，A,B端与地端断开，输出为高电平;当水泵工作时，图中的热ABA,B分别代表了水泵1和水泵2。A,B哪一端输出电平为低就说明哪一个水泵发生了故障A,B89C52相连，输入的信号经过89C52判断、输出如果排除故障。此时热继电器使电短电，从而保护电。压力检测电路压力检测部分电路主要由传感器和信号调节转换电路组成。(见图4-22)传器，直流电桥、差分放大器作为信号调节和转换电路。图中SR变阻器为调零电阻。当水压为00V，但有时因为其它原因电桥0Rh0V。设滑动变阻器U0U1

(2-(2-SRR48SRSRR47Rh (2-第五章系统的设本系统实现的主要功此交替时间0~24小时可调。继续侦测20秒，均与此状况相同时，代表己经开始不用水，则控制器发出停车(一般设定15秒)，己达到缓冲停止目的，免除水钟的冲击，而停车后压力则稳定于设定压力值的5%。漏水侦测停车补偿功能：在极小情况下，如管路泄漏滴水情况导将压力补足至设定值，此段的百分比为0~100%可调。前述某百分比则为0~100%可调。20秒后，控制器将中断输出使水泵马达停止运转，同时故障灯亮(此故障点为设定值之0~100RESET(复位)键或本系统中单片机内的资C52RAMRAMRAM不够用等各种意想不片内RAM规划如下:00H-1FH32RAM8RAM单兀，分别用代R0-R7PSWRS1RS020H-2FH位寻址区，这16个RAM单元具有双重功能。它们既可以像普通RAMRAM单兀中的任何一位单独存取。本系统30H-31H；(4)32H-33H(5) P参数值 (6) I参数值(7) D参数值 (8) 输出的控制量(9) 控制字 (10)39H-40H水泵交替时间(11) 停车时间 (12)41H-60H系统运算过程中数据缓存区5-1图5-2故障检测流程 图5-3键盘处理流程按键击的关键是一次按键只让它响应一次，该键不就不执行第二次。图5-4压力测量流程 图5-5水泵故障检测流程模数转换(A/D压 图5-6模糊控制流程 图5-7模数转化流程器。本的研究主要完成了以下内容:通过对变频恒压供水控制系统的工作原[4].80c51系列微控制器系统原理、功能、集成与应用.航空航天大[7]Math TM,High-performancenumericcomputationvisualizationsoftware,Users’guide, 5.X入门与提高[M].：，2000.3[10]康凤举主编，现代仿真技术与应用[M]．：国防工业，2001，9韩安荣.通用变频器及其应用.:机械工业刘曙光等.模糊逻辑控制技术.第一版.:中国纺织利TimerNE/SA/SE555/SE555CProductspecificationPhilipsServmicondoctorsLinearProductsP346~352WATER,1999(5)P36~37.单片机原理及其 术.第二版 是班郑文老师和其他任课老师，在他们的关心和帮助下，学习和工导和无微不至的。在撰写的过程中，黄老师也给予了细心的指导和修正。在本