浅谈屋顶水泵水位监测的实时水位变化

浅谈屋顶水泵水位监测的实时水位变化

0基于模糊控制的高速智慧工程控制随着计算机技术的进步，许多设备和设备都配备了计算机系统，以便于工业生产和人们的日常生活。这些设备和设备具有高自动化性能和一定的智能性，极大地满足了人们的生产和生活需求。嵌入式实时操作系统是在原有的嵌入式操作系统上加入了实时性,既秉承了原有操作系统的并行执行、易移植性及高可靠性等基础的同时还加上了对于预定任务,即必须要在预定时间内完成的特点,从而提高了操作系统对于某些对于时间性要求很高的工程应用的稳定性和可靠性。现在,很多自动控制系统用的都是经典控制方式。设计者通过现有系统建立数学模型,从而选择自动控制的方式。但是当系统的模型未知,或者很难建立系统模型的时候,经典控制系统将很难应用,或者应用也很难保证系统的稳定和可靠性。于是,一种基于经验控制的智能化现代控制方式,即模糊控制被不少学者所提出,并经过几十年的改进已被广泛的应用于现实生活。其特点是:在系统很复杂的时候,通过逻辑规则进行经验控制,从而避免了大量的运算,又可以较为快速、平稳地达到所需控制的量,提高了系统的实时性及稳定性。因此,在很多对实时性要求很高的工程应用中,需要尽可能高效率的完成控制目的。将嵌入式实时操作系统及模糊控制协调结合可以使得控制系统的实时性大为提高,同时也将增加控制系统的稳定性。1嵌入式实时操作系统技术1.1嵌入式实时系统嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统,通常包括与硬件相关的底层驱动、系统内核、设备驱动接口、图形界面等。与通用操作系统相比,它在系统稳定性、硬件的相关依赖性以及应用的专用性等方面有较为突出的特点。而实时系统是指在确定时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度,而且跟这些操作进行的时间有关。一般的嵌入式系统都是实时系统,实时系统大都应用在嵌入式环境。嵌入式实时系统要求任务能按时、正确地完成功能操作,这些任务还可能会互斥地访问共享资源。另外,系统的处理能力和内存容量往往是有限的,这就对调度算法提出了严格的要求。实际的嵌入式实时系统在开发过程中往往忽视从运行的角度利用成熟的实时调度理论,而已有的实时调度理论过于复杂,不适于直接应用在嵌入式系统之中。1.2实时系统的选取嵌入式系统可以分为实时系统和非实时系统,不过大多数都是实时系统。在实时系统中,根据实时性的强弱,又可以进一步分为硬实时系统和软实时系统。(1)硬实时系统:硬实时系统不但要求任务响应要实时,而且要求在规定的时间内完成事件的处理,不允许任何超出时限的错误,否则将可能导致严重后果。(2)软实时系统:软实时系统仅要求事件响应是实时的,并不严格要求在规定的时间内完成事件的处理。如果系统响应时间不能满足,并不会导致系统出现致命的错误或崩溃。2模糊检测技术2.1控制策略的选择应用于设计一个输出函数模糊控制器最初被称为模糊逻辑控制器。随着时间的推移和认识的加深,人们发现:模糊控制与逻辑的关联实在是越来越少,而对算法的依赖却是越来越多。众所周知,经典控制方法需要建立被控对象的数学模型,进而给出控制动作的输入输出函数表达式,以此对被控对象进行调控。对于过程控制来说,关键是获得控制策略的输入输出函数。在无法得到此函数时,人们的一个自然选择是寻求尽可能多的输入输出对应点的值,并基于这些点的值采用数值方法进行处理,得到一个近似的输入输出函数,用其来对被控对象进行调控。在模糊控制方法中,控制规则是人们的知识、经验、策略的集中体现。这实际上是给出了输入输出关键点的对应,是得到了一些已知输入输出对应点的值。依据这些规则建立模糊控制模型的过程,寻求一个近似输入输出函数的过程,要使这一近似输入输出函数覆盖这些已知输入输出对应点的值,并满足连续性的要求和单输出值要求。从工程应用看模糊控制,它就是这样一种极易为人理解和接受的聪明的近似算法。它描述复杂问题的直观、构造算法的灵活、编程实现的简单和工程应用的高效,这是经典控制方法和截至目前的各种智能控制方法所不可替代的。2.2模糊控制器的组成模糊控制不需要控制对象的精确数学模型,在复杂过程控制中具有良好的控制效果,且具有速度快、鲁棒性好等优点。模糊控制是一种语言控制,能更为近似地反映人的控制行为,有很强的鲁棒性和控制稳定性,能够运用于各种不同对象的控制。模糊控制是以模拟人脑对模糊概念的判别能力为特点的一种智能控制方式。模糊控制系统在结构框图上和传统的控制系统是一样的,它们最大的区别在于传统控制系统用的控制机理是经典或现代控制理论,模糊控制系统用的是模糊推理机制,控制器是一个模糊控制器。如图1所示,典型的模糊控制系统是以输入接口(A/D),输出接口(D/A)、模糊控制器、被控对象、检测装置(传感器)、执行机构等组成,其中最重要的也是区别其他计算机控制系统的特点是具有模糊控制器。模糊控制以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础,由三个部分构成,首先将信息模糊化,然后经模糊推理规则,给出模糊输出,再将模糊指令量化,来控制被控对象。它在系统中是这样运行的:首先,系统给定与反馈相比较得到偏差e,量化后进入模糊控制器。在模糊控制器中,将精确量e以一定方法模糊化,得到偏差的模糊量,偏差e的模糊量可以用相应的模糊语言表示,然后由模糊推理规则将e与模糊规则R合成,得到模糊控制量u=e×R。在实际系统中,使用最多的模糊控制系统是单变量模糊控制系统,即把控制量与设定的偏差以及偏差的变化率作为模糊控制器的输入量的模糊控制系统。由于本文所用的是单变量模糊控制系统,因此这里仅介绍单变量模糊控制器的结构与组成。在单变量模糊控制系统中,模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制器的维数,通常采用的是一维、二维和三维结构模糊控制器。一维模糊控制器选择受控变量和输入给定的偏差量E为其输入变量,尽管其具有结构简单、控制规则少、运算速度快等优点,但其系统动态控制性能往往很难令人满意。二维模糊控制器以受控变量和输入给定的偏差E和偏差变化EC作为两个输入变量,由于它们能够较好地反映输出变量的动态特性,因此在控制效果上要比一维模糊控制器好得多。三维模糊控制器选择系统偏差量E、偏差变化量EC和偏差变化的变化率ECC作为三个输入变量,由于这种模糊控制器结构复杂,推理运算时间长,控制算法实现困难,一般很少选用这种控制器。从理论上讲,模糊控制器的维数越高,系统的控制特性就越好,但模糊控制规则也就相应变得越复杂,用计算机实现模糊合成推理控制算法时将会面临较大的困难,因此人们在设计模糊控制系统时多采用二维模糊控制器,其模糊控制系统组成框图见图2。3系统控制模块新型楼顶水箱是通过对传统水箱进行内部空间的分割,可节省大量清洗时的水资源的新型节能节水水箱。节能方案实施过程实现半自动化,减轻了清洗的难度与复杂性,项目中的控制模块由逻辑电路与单片机共同组成。新型楼顶水箱可以由人工和自动控制两种方式进行电磁阀和水泵的自动控制,从而达到任意两个蓄水池的水体交换目的;并且可通过在水箱内部隔板安装过滤网,达到降低二次污染的作用。3.2水景的水位控制新型楼顶水箱的水位是模糊控制结合嵌入式实时操作系统的控制量,进水阀门是系统的被控对象,需要保证楼顶水箱的实时水位尽量稳定在水位标准值。根据经典的控制方式,通常是将需要得到水位的精确值,通过一定的公式,计算出阀门所需要开启的大小,经过一系列控制过程,最终完成水位的控制。但是这对于水位传感器的精度要求较高,同时阀门不一定可以以想要的开启大小进行开启,所以采用经典控制方法控制水箱水位存在不稳定因素。3.3模糊控制器的输入采用模糊控制的实时操作系统进行楼顶水箱水位的控制。定义如下语言变量:水位={高(NL)、较高(NS)、适中(Z)、较低(PS)、低(PL)}水位变化={快速变多、缓慢变多、适中、缓慢变少、快速变少}阀门动作={打开最大(PL)、打开较大(PS)、打开适中(Z)、打开较小(NS)、关闭阀门(NL)}“水位”及“水位变化”做为模糊控制器的输入变量。输出变量“阀门动作”与两个输入变量有关,由于每个输入变量有5个语言值,因此存在25种可能的关系。R11:水位是高的且水位变化是快速变多R13:水位是高的且水位变化是适中R14:水位是高的且水位变化是缓慢变少R21:水位是较高的且水位变化是快速变多R23:水位是较高的且水位变化是适中R24:水位是较高的且水位变化是缓慢变少R33:水位是适中的且水位变化是适中R34:水位是适中的且水位变化是缓慢变少R43:水位是较低的且水位变化是适中R52:水位是低的且水位变化是缓慢变多R54:水位是低的且水位变化是缓慢变少根据以上的规则关系构建模糊规则库如表1所示。模糊规则定义后,在嵌入式实时操作系统上实现上面的模糊控制方式。图3所示为水箱模糊控制系统框图,图4为该系统的程序流程。(1)水位检测任务的确定水位是一个实时变化量,如果水位检测不及时,则会对系统产生极大地影响,所以水位检测任务具有紧迫性,关键性和传递性。在本系统中,水位检测任务设为最高优先级,保证在每一次任务调度时优先执行水位检测任务。当检测到水位数据时,系统通过消息邮箱将实时的水位数据传递给模糊控制器任务进行控制运算。(2)控制量输出模糊控制器任务主要是利用模糊控制表,通过查表的方式来进行控制量输出。当系统检测到消息邮箱有来自水位检测任务的消息时,模糊控制器任务接收消息并工作。首先将数据模糊化处理,然后通过模糊规则来判断控制方式,再利用消息邮箱输出控制量。(3)模糊控制器控制输出任务主要输出给水阀的开关大小控制信号。它通过检测模糊控制器任务并通过消息邮箱传递来的模糊控制量,进行反模糊化,再将所得的控制信号发给水阀进行控制。(4)带安全设施的识别标志LCD显示任务主要负责直观的显示当前的水位及水阀的工作状态,它通过接收水位检测任务所给出的水位和控制输出任务所输出的信号,再通过内部程序,将数值显示到LCD显示屏上。4系统的优势分析通过使用嵌入式实时操作系统和模糊控制的方法,在处理一些比较复杂且实时性要求较高的系统时,具有较大的优势。控制系统可以很快地处理信息并且完成控制,从而提高了实时性。3.1水位是适应变少且水位是最小的且水位变化的且水位是最小的且水位变化的且水位变化是合理的且水位变化的且水位变化是合理的且水位变化的且水位变化是合理的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化是合理的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位有一个且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化的且水位变化R12:水位是高的且水位变