（模式识别与智能系统专业论文）模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统设计.pdf

模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统 摘要 作为当今世界节约电机耗能和控制电机转速的一种主要手段 变频调速技术被广泛 应用于各种大型自动化生产过程中 针对传统生活用水供水系统中存在的电能 水资源 浪费等问题 本文描述了变频调速恒压供水系统的设计和实现方法 该供水方式是在利 用i n t e l 公司的十六位高性能单片机8 0 c 1 9 6 m c 对供水管道压力 流量等数据的采集和 分析的基础上 利用模糊逻辑控制的先进控制方法 通过i p m 智能功率模块和专用p w m 生成芯片来完成对水泵电机的转速进行变频调速控制 使得电机转速可以根据用水需求 的变化而变化 从而达到了恒压供水的目的 有效地解决了传统供水方式中的水 电浪 费和可能的管网压力不足的问题 为现代生活供水系统提供了 种更加合理的实现方 法 另外 本文介绍的变频调速模糊控制方式具有普遍意义 可广泛应用于拖动风机 水泵等设备的电机的变频调速控制 因此 该控制方式的应用必将为电能节能做出一定 的贡献 关键词 变频调速 模糊逻辑控制 脉宽调制 p w m 单片机 智能功率模块 i p m 一堡塑堡壁茎 至塑塑垄堡垦堡查墨堕 a b s t r a c t a so n eo ft h ed o m i n a n tm e a n so fe l e c t r i cp o w e rs a v i n go fm o t o rc o n s u m p t i o n a n dm o t o rs p e e dc o n t r o lo ft o d a y s p e e dc o n t r o lb yf r e q u e n c yv a r i a t i o ni sw i d e l y u s e di nav a r i e t yo fl a r g e s c a l ea u t o m a t i o np r o d u c t i o np r o c e s s d i r e c tt o w a r d s t h ep r o b l e m so ft r a d i t i o n a lw a t e rs u p p l ys y s t e m s u c ha se l e c t r i c p o w e ra n dw a t e r r e s o u r c ew a s t e t h i s p a p e rm a i n l yd e s c r i b e s t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n a p p r e a c ho ft h es p e e dc o n t r o lc o n s t a n tw a t e rp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e m b y c 0 1 l e c t i n ga n da n a l y z i n gt h ep r e s s u r eo ft h ep i p e l i n ea n dt h ef l o wq u a n t i t yo f w a t e rw i t ht h eh i g hp e r f o r m a n c e1 6 一b i tm i c r o c o n t r o l l e r8 0 c 1 9 6 m c u s i n gt h e f u z z yc o n t r o la d v a n c e dc o n t r o lm e t h o d s t h i s a p p r o a c hc h a n g e st h ew a t e rp u m p m o t o r s p e e d w i t ht h e i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e i p m a n ds p e c i a l p u r p o s e p w m p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 一g e n e r a t ei c w h i c hm a k e st h em o t o rs p e e dc h a n g e a c c o r d i n gt ot h ew a t e rs u p p l yd e m a n dc h a n g ea n dm a k e st h ep r e s s u r eo ft h ep i p e l i n e c o n s t a n t u s i n gt h i sm e t h o d w a t e rs u p p l ys y s t e mc a ne f f i c i e n t l ys o l v et h e p r o b l e m so ft h ee l e c t r i cp o w e ra n dw a t e rr e s o u r c ew a s t ea n dt h ep o t e n t i a l i n a d e q u a t e n e s so ft h ep i p e l i n ep r e s s u r ea n db e c o m e sm o r er e a s o n a b l e m o r e o v e r t h i ss p e e dc o n t r o lm e t h o dd e s c r i b e di nt h i sp a p e r w h i c hu s e st h e f u z z yl o g i c a lc o n t r o lm e t h o d s h a sg e n e r a ls e n s ea n dc a nb ew i d e l yu s e do nt h o s e m o t o r sw h ic ha r eu s e dt od r i v et h eb l o w e rf a no rp u m po ro t h e rd e v ic e s s ot h e a p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o dw i l ls u r e l yc o n t r i b u t et ot h ee l e c t r i cp o w e rs a v i n g k e y w o r d s s p e e dc e n t r e ib yf r e q u e n c yv a r i a t i o n f u z z yl o g i c a ic e n t r e p u is e w i d t hm o d u i a t i o n p w m m i c r o c o n tr o ii e r i n t e ii i g e n t p o w e rm o d u i e i p m 2 模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统 第一章绪论 1 1变频调速技术概述 变频技术是利用大功率半导体器件及其相应的控制与保护电路来实现电能频率参 量的控制与变换 以实现电力的某些使用目的 并提高其使用质量与效率的一种技术 变频技术早期应用电子管 到6 0 年代开始使用晶闸管整流器 在晶体管变频技术渐趋 成熟的基础上 7 0 年代进而又发展到使用集成电路技术 变频技术一方面受益于电子技 术和微电子技术的进步 同时又推进了微电子技术迅猛发展 从8 0 年代开始 电力电 子技术和微电子技术保持着平行的发展势头 使新型电力电子器件层出不穷 并出现了 电力电子器件与微电子电路在同一芯片上集成于机电一体化的功率集成电路 3 电力电 子技术的发展也相应促进了同期变频技术的发展 变频调速技术在国民经济和日常生活中占有重要地位 应用面广 是工业企业和 日常生活中普遍需要的新技术 是节约能源的高新技术 是国际上技术更新换代最快 的领域 是高科技领域的综合性技术嘲 交流变频调速技术 已成为国内外公认的最理 想 最有发展前途的电机调速方式 1 电机采用变频调速技术运行后 一般可节电2 0 4 0 o 因此这项技术具有广阔的推广前景 可被广泛应用于改造锅炉 风机 水泵 制 冷机等设备的运行方式 以用来降低压差损耗以及起停电机的电耗 我国现有1 0 0 万k w 以上的大型电厂6 0 多座 装机容量约1 亿k w 左右 每套3 0 万k w 的发电厂一般都配备 3 0 3 5 台辅机驱动用电动机 装机容量1 0 0 万k w 以上的电厂 辅机电动机多达2 5 0 台 左右 1 火力发电厂用电动机驱动的辅机主要是风机水泵 给水泵 循环水泵 空压机 和磨煤机等 我国现有风机 水泵约4 0 0 0 万台左右 其中风机约1 0 0 0 万台 用电量占 总发电量的2 5 3 0 据初步调查 5 0 6 0 的风机 水泵可以改为调速运行 如果这 些设备都实现变频调速运行 按节电2 0 计算 年节电可达2 0 0 亿k w h 相当于装机4 0 0 万k w 容量的发电设备8 3 因此 应用电力电子的交流变频调速装置以及相关高新技术来 改造传统的产业 就可以获得很好的社会效益和经济效益 近十年来 随着电力电子技术 计算机技术 自动控制技术的迅速发展 电气传 动技术面临着一场历史革命 即交流调速取代直流调速 计算机数字控制技术取代模拟 控制技术已成为发展趋势 1 电机交流变频调速技术已经逐渐发展成为当今世界节电 改善工艺流程以提高产品质量 改善环境以及推动技术进步的一种主要手段0 1 1 1 1 国内变频调速技术进展状况 电气传动系统通常由电动机 控制装置和信息装置三部分组成m 电气传动关系到 如何合理地使用电动机 以节约电能和有效控制机械的运转状态 位置 速度 加速度等 模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统 实现电能到机械能的高效转换 最终达到优质 高产 低耗的目的的问题 电气传动分 成不调速传动和调速传动两大类 调速又分交流调速和直流调速两种方式 不调速就 是传动电动机直接由电网供电 而没有经过电力变换过程的传动方式 随着电力电子技 术的发展 为了节约电能 节约1 5 鼽2 0 或更多 改善产品质量 提高产量 这类原本 不调速的机械越来越多的改用调速传动方式运行 在我国 6 0 的发电量是通过电动机消 耗掉的 3 因此 如何利用电机调速技术进行电机运行方式改造以节约电能一直得到国 家重视 1 目前 电机调速技术已具备比较完备的技术和实践基础 3 近年来 交流调速中最活跃 发展最快的就是变频调速技术呲 变频调速是交流调 速的基础和主干内容 上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易 从而造就了一个 庞大的电力行业 但长期以来 交流电的频率却一直固定丽不能受人为控制 变频调速 技术的出现使频率变成可以利用的资源 1 现在 我国已有很多的公司 工厂和研究所从事变频调速技术的研究开发工作 但 自行开发生产的变频调速产品 和国际上的同类产品相比还有比较大的技术差距叫 随 着改革开放和经济的高速发展 变频调速已形成了一个巨大的市场 为适应经社会经济 和社会建设的高速发展 我国采取要么直接从发达国家进口现成的交频调速设备 要么 内外结合 国内的相关部门在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业 的先进设各 然后自己开发应用软件的办法 很好地为国内重大工程项目提供了电气传 动控制系统的解决办法 适应了社会的需要 1 总之 虽然国内变频调速技术取得了较 好的成绩 但是总体上来说国内自行开发 生产相关设备的能力还比较弱 对国外公司 的依赖性还很严重 0 3 当前国内变频调速行业的主要特点有嘲 变频器的整机技术落后 国内虽有很多单位投入了一定的人力 物力 但由于分散 并没有形成一定的技术和生产规模 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白 相关配套产业及行业落后 产品可靠性及工艺水平不高 1 1 2 国外交流变频调速技术高速发展的特点 市场的大量需求 随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺 变频器越来越广泛地应用在机 械 纺织 化工 造纸 冶金 食品等各个行业 并取得显著的经济效益 尤其在 水泵 风机方面的应用 取得了显著的节能效果 功率器件的发展 近年来高电压大电流的s c r g t o i g b t i g c 等器件的生产以及并联 串联技术的 发展应用 使高电压 大功率变频器产品的生产及应用成为现实 控制理论和微电子技术的发展 矢量控制 磁通控制 转矩控制 模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供 了理论基础 1 6 位 3 2 位高速微处理器以及信号处理器 d s p 和专用集成电路 a s i c 技术的快速发展 为实现变频器高精度 多功能化提供了硬件手段口 模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统 配套部件生产的社会化 专业化 基础工业和各种制造业的高速发达 为变频器相关配套部件生产的社会化 专业化 提供了可靠保证 1 1 3 变频调速技术的发展方向 交流变频调速技术是强 弱电混合 机电一体的综合性技术 既要处理巨大电能的 转换 整流 逆变 又要处理信息的收集 变换和传输 因此它的共性技术必定是分成 功率和控制两大部分 前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的 应用技术问题 后者要解决 基于现代控制理论的控制策略和基于智能控制策略问题 硬 软件开发问题 在目前状况下主要是全数字控制技术 其未来主要的发展方向有 实现高水平的控制 基于电动机和机械模型的控制策略 有矢量控制 磁场控制 直接转矩控制和机械 扭振补偿等 基于现代控制理论的控制策路 有滑模交结构技术 模型参考寄适应技术 采用微分几何理论的非线性解耦 鲁棒观察器 在某种指标意义下的最优控制技术和逆 奈奎斯特阵列设计方法等 基于智能控制思想的控制策略 有模糊控制 神经元网络 专家系统和各种各样的自优化自诊断技术等 开发清洁电能的变频器 所谓清洁电能变频器是指变频器的功率因数为1 网侧和负载侧的谐波分量尽可能 低 对电网的公害和电动机的转矩脉动减小到很低的变频器 新型通用变频器除了采 用高频载波方式的正弦波s p w m 调制实现静音化外 还在通用变频器输入侧加交流电抗 器或有源功率因数校正电路a p f c 丽在逆变电路中采取s o f t p e 镕控制技术等 以改善 输入电流波形 降低电网谐波 在抗干扰和抑制高次谐波方面符合e m c 国际标准 实现 所谓的清洁电能的变换 如三菱公司的柔性p w m 控制技术 实现了更低噪音运行 对 中小容量变流器 提高开关频率的p 瓤控制是有效的 对大容量变流器 在常规的开关 频率下 可改变电路结构和控制方式 实现清洁电能的变换 缩小装置的尺寸 紧凑型变频器要求功率和控制元件具有高的集成度 其中包括智能化的功率模块 紧凑型的光耦合器 高频率的开关电源 以及采用新型电工材料制造的小体积变压器 电抗器和电容器 功率器件冷却方式的改变 如水冷 蒸发冷却和热管 对缩小装置的尺 寸也很有效 现在主回路中占发热量5 0 一7 0 的i g b t 的损耗已大幅度减少 集电极 发 射极的饱和电压大为降低 现已开发出了第四代i g b t 系统化 变频技术的发展与其相关技术的发展是分不开的 变频技术的发展是将电网 整流 器 逆变器 电动机生产机械和控制系统等作为一个整体 从系统上进行考虑 通用变 频器除了发展单机的数字化 智能化 多功能化外 还向集成化 系统化方向发展 如 西门子公司提出的集通讯 设计和数据管理三者于一体的 全集成自动化 t i a 平台 概念 可以使变频器 伺腮装置 控制器及通讯装置等集成配置 甚至连自动化和驱动 系统 通讯和数据管理系统等都可以像驱动装置那样嵌入 全集成自动化 系统那样运 竖塑望塑望型銮塑塑望望垦堡查至垫 行 目的是为用户提供最佳的系统功能 网络化 新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口 支持多种不同的通信协议 内装 r s 一4 8 5 接口 可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数据等 通过选 件可与现场总线 p r o f i b u s d p i n t e r b u s s d e v i c en e t m o d b u sp l u s c c l i n k l o n w o r k s e t h e r n e t c a no p e n t l i n k 等通讯 如西门子 v a c o n 富士 日立 三 菱 普传 台安 东洋等品牌的通用变频器 均可通过各自可提供的选件支持上述几种 或全部类型的现场总线 模拟与计算机辅助设计 c a d 技术 电机模拟器 负载模拟器以及各种c a d 软件的引入对变频器的设计和测试提供了强 有力的支持 1 2 1 传统供水方式 1 2 供水与变频节能 在传统的城市生活用水供水系统中 主要的供水方式是拖动水泵的电机以恒定转速 运转 而供水需求的变化主要通过调节供水管道上的阀门来调节的供水方式 这种供 水方式有以下问题 浪费电能 在一天中的不同时间段 生活用水的需求量变化比较大 在用水低峰时 电机仍然以和用水高峰时同样的 恒定的转速运转 浪费了电能 水资源的浪费 在用水低峰时 管网压力较大 由于管道泄漏 公厕用水等造成水 资源浪费严重 用水高峰时 由于管道流量的增大 有可能造成管网压力不足 而使得高层用户出 现断水或水压不足的情况 传统供水方式中 除了上述这种主要供水方式外 还存在以下供水方式 水箱 水塔供水 供水系统采用水箱或水塔 又称为重力供水 该方式供水压力比较恒定 且有贮水 但它是由位置高度形成的压力来进行供水的 为此 需要建造水塔或将水箱置于建筑物 的顶部 即使如此 在大型建筑物种还常常不能满足最不利供水点的供水要求 且难于 满足不断增长的供水需求 同时 由于在建筑物顶部形成很大的负重 所以增加了结构 面积 也妨碍了美观 气压供水 气压供水系统不用在建筑物顶部设置水箱 也不用单独建筑水塔 仅在 地表合适的位置设置压力罐即可实现对水管儿管网的加压 其优点是灵活性大 建设快 不妨碍美观 且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求 但缺点是需要 压力罐 其体积大 投资大 又因其压力变化快 运行效率低 因此电能消耗大 运行 费用高 模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统 1 2 2 变频调速 厦压供水 随着科学技术的进步 工业生产和人民生活正趋向于高标准 高质量和现代化 在 居民生活用水 工业用水 各类自来水厂 油田 油库 锅炉定压供水和恒压补水 喷 淋及消防等供水系统中 由于高层建筑越来越高 如果采用传统的水塔 高位水箱 气 压增压设备 不但占地面积和设备投资大 维护维修困难 且不能满足高层建筑 工业 消防等高水压 大流量的快速供水需求 另外 在现代供水需求中 供水量是随机变化 的 如果采用传统供水方式 难以保证供水的实时性 且能量浪费严重 随着交流电机 变频调速技术的日臻完善 变频调速恒压供水方式可以很好地克服传统供水方法的缺 点 成为一种很有发展前途的供水方式 7 在笼式异步电机拖动离心水泵的恒压供水闭环系统中 在满足恒压供水的目标前提 下 为了有效节能而采用了变频调速技术 当供水系统各出口流量随机变化时 各压力 监测点处的压力传感器传递的压力信号实时地反应了各点压力的变化情况 用被单片机 处理以后的该压力信号作为控制信号来控制变频调速网络的电机转速 通过控制电机转 速的变化来达到恒压供水的目的 在该运行方式下 由于系统始终在设计压力点工作 没有剩余压力 因此没有能量浪费 达到了高效节能的效果l l 引 该系统控制原理框图见 图1 2 1 由于变频调速技术的应用 恒压供水变频调速系统有效地解决了如下问题 1 3 1 出口流量大时 管网压力偏低而导致出口流量不足的闯题 出口流量小时 管网压力偏大而导致管网寿命减少的问题 阀门调节而导致的能量浪费问题 图1 2 1 变频调速恒压供水系统框图 f i g 1 2 1f r e q u e n c y v a r i a b l es p e e d a d j u s t a b l e c o n s t a n t p r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e mb l o c kd i a g r a m 综上所述 变频调速恒压供水系统主要具有以下优点 1 系统可根据供水系统出口水压和流量来控制变频器 完成对电机和水泵的转速控 制 实现按需供水 2 不需要水塔 高位水箱和气罐 设备简单 控制实时性好 且能满足不断增加的 供水需求 3 当建筑高度增加时 只需改变变频器的设定值就能满足新的供水需求 而无需改 变供水系统 4 能根据系统出口水压和流量判别供水系统的运行状况 使系统运行在最合理的状 模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统 态 达到节能目的 1 2 3 变频调速恒压供水系统节能原理 当水泵以额定转速运行在工频状态下时 其特性如图1 2 2 所示 在该运行方式 下 为了满足最大流量下的压力要求 应该使氏 凡 由特性啦线可知 当流量减小 时 管网压力随之升高 由于在大部分时间里q q h 所以如果水泵总是以工频方式运 行就会形成图中p p dp 三角形阴影区域所表示的能量浪费嘲 而且 通过特性曲线 我们还可以发现 在该工作方式下 管网压力交化范国很大 这会减少管网的使用寿 命 图l 2 2 水泵工频运行特性 注 p 管网压力 q 流量 f f i g 1 2 2c h a r a c t e r so fw a t e rp u m p o r k i n gf r e q u e n c y n o t e p p i p ep r e s s u r e q q u a n t i t yo fc u r r e n t 当水泵电机采用变频调速技术控制以后 水泵运行特性曲线如图1 2 3 所示 3 由图可知 在该供水方式下 由于针对水流量的变化相应地及时调整水泵电机的转速 所以系统总能够运行在最佳效率状态下 这既保证了管网供水压力恒定 又达到了节 能目的r n 根据流体力学的有关原理知道 当采用变频调速控制方式时 流量q 扬程h 轴功率p 转速n 存在如下关系 爱 署 等 昏2 鲁 昏3 通过这一组关系式我们可以进一步知道 由于轴功率的比值与电机转速的比值的 3 次方成正比 所以当由于流量的减小而使得电机转速减小时 节能的效果是很明显 的 在理想情况下 当电机转速降为额定转速的8 麟对 水泵功率会下降到额定值的 5 1 2 即节约4 8 8 的电能 3 因此 变频调速控制方式在供水系统中的应用对节能 的意义重大 模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统 p p d o q 图1 2 3 水泵电机变频调速运行特性 注 p 一管网压力卜流量n 一电机转速 f i g 1 2 3f r e q u e n c y v a r i a b l es p e e d a d j u s t a b l ew o r k i n g c h a r a c t e r so f w a t e r p u m p m o t o r n o t c p p i p ep r e s s u r e q q u a n t i t yo fc u r r e n t n m o t o rr o t a t es p e e d 1 3 模糊逻辑控制技术及其在恒压供水控制系统中的应用 1 3 1 模糊逻辑控制的发展沿革 模糊理论起源于美国 早在2 0 世纪2 0 年代 著名的哲学家和数学家b r u s s e l l 就 写出了有关 含糊性 的论文 他认为所有的自然语言均是模糊的 比如 红的 和 老的 等概念没有明确的内涵和外延 因而是不明确的和模糊的 可是 在特定的环境中 人们 用这些概念来描述某个具体对象时却又能心领神会 很少引起误解和歧义 1 9 6 5 年美国 加州大学伯克利分校电气工程系的l a z a d e h 教授发表了模糊逻辑相关的著名论文 主 要包括模糊集合理论 模糊逻辑 模糊推理和模糊控制等方面的内容 创立了模糊集合 理论的数学基础 z a d e h 在论文中首次提出了表达事物模糊性的重要概念一一隶属函数 从而突破1 9 世纪末笛卡尔的经典集合理论 奠定了模糊理论的基础 1 9 6 6 年 p n m a r i n o s 发表模糊逻辑的研究报告 1 9 7 4 年 l a z a d e h 发表模糊推理的研究报 告 从此 模糊理论成了一个热门的课题 1 9 7 4 年 英国的e h m a m d a n i 首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世界上第一个实验 性的蒸汽机控制 并取得了比传统的直接数字控制算法更好的效果 从而宣告模糊控制 的诞生 1 9 8 0 年丹麦的l p h o l m b l a d 和o s t e r g a r d 在水泥窑炉控制中采用模糊控制并 取得了成功 这是第一个商业化的有实际意义的模糊控制器 事实上 模糊理论应用最有 效 最广泛的领域就是模糊控制 模糊控制在各种领域出入意料的解决了传统控制理论 无法解决的或难以解决的问题 并取得了一些令人信服的成就 模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统 1 3 2 我国的研究历史和现状 我国从1 9 7 6 年开始研究模糊理论 相对于欧美起步较晚 1 9 8 1 年我国创办了世界上 第二份模糊专业学术杂志 模糊数学 并侧重于模糊数学理论的研究 取得了丰硕成 果 1 8 0 年代模糊理论开始在我国面向实际应用 到了8 0 年代后期 模糊技术在农林 地矿 交通 机电 航空 医学 经济等方面的应用取得了令人鼓舞的成就 有力推动 了世界模糊理论和应用的发展 但也必须看到 由于许多新技术新器件未能引入 我国 绝大多数的系统开发方法还停留在原始手工编程开发阶段 模糊逻辑技术的应用深度和 水平还不够高汹1 目前 我国在模糊技术研究和应用领域冲锋在前的是北京航空航天大学计算机系刘 增良教授主持的模糊技术研究室 该室用单片机研制了通用工业模糊控制机p f 5 1 0 和 p f c 9 8 0 1 开发了专用模糊控制电路和模糊推理芯片 目前可提供推理速度达2 e 6 0 万次 的高速并行模糊推理计算机系统和模糊控制计算机系统 把我国模糊工程和模糊逻辑技 术推向了一个新的高度 为我国模糊产品和系统开发奠定了坚实的基础 1 1 3 3 模糊逻辑控制技术研究的意义 研究和开发模糊逻辑控制技术具有重要的现实意义 介绍如下 传统控制理论 经典的和现代的 有一个基本的共同点 就是理论和方法都是建立在 对象的数学模型基础上的 而许多现代军事和工业领域所涉及的被控过程和对象都难 以建立精确的数学模型 有的甚至根本无法建立数学模型 因而传统控制理论面临着 强有力的挑战 人们不得不开辟控制理论的新途径 避开数学模型 直接用机器模仿 人的思维 利用模糊理辑控制技术来解决问题 有的采用模糊控制的产品 并不是用传统控制方法不能解决 而是比较复杂 对要 用的微处理器和传感器要求较高 用模糊逻辑控制方法可以降低对微处理机和传感器 的要求 并且价格便宜 可以实现低成本和高利润的统一 应用模糊逻辑控制技术可以给人们带来一些好处 1 简化设计 因为模糊逻辑用非常接近人的直观理解的方式思考 所以它避开了传 统控制方式建立系统数学模型时所遇到的难题 2 模糊控制器结构简单 易于实现 成本低廉 3 模糊逻辑是并行处理 只要规则设置合理 可以给系统提供更好的性能 可以加快开发周期 从目前世界范围内掀起的一股模糊逻辑旋风来看 模糊逻辑工程已不再是单 i 7 学 科 而是一种跨学科的信息处理工具或技巧 但是 模糊逻辑控制技术是一项正在发展 中的技术 还存在许多不足 例如无法证明运用模糊逻辑的控制系统的稳定性等 这就 更加促使科学家们在模糊逻辑控制领域进一步地探索和追求 无论怎样 模糊逻辑控制 技术是模仿人的大脑思维的技术 是简单而有效的控制技术 被有关专家评价为2 1 世 纪的核心控制技术m 1 模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统 1 3 4 模糊逻辑控制技术在变频调速恒压供水系统中的应用 在变频调速恒压供水系统中 利用模糊逻辑控制的相关理论 把系统输入的压力 流量等传感器信号以及系统的输出变量进行了模糊化处理 然后结合根据操作经验等制 成的控制规则表 经过模糊推理 得到了系统控制的模糊逻辑控制表 在实时控制过程 中 系统通过查找模糊逻辑控制表把实时采集的压力 流量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机变频控制 完成了 恒压控制的模糊逻辑控制过程 具体实现请参考后续有关章节 4 本课题所做的工作 根据前面所述 本课题利用模糊逻辑控制的先进控制方法 通过对变频完成对电机 转速的控制 解决了供水系统的恒压控制问题 其中重点研究并解决了如下几方面的问 题 1 利用s a 8 4 2 8s p 耐波专用生成芯片来驱动i p m 模块 以完成变颏调速 2 应用高档单片机8 0 c 1 9 6 m c 和必要的外围电路构成中央控制模块 3 对供水管网的压力 流量等信息的检测 4 运用模糊逻辑控制技术 根据压力 流量等的监测值来改变电机的转速 完成恒压 控制的变频调速过程 本章介绍了变频调速技术和模糊逻辑控制技术的研究及应用的意义 发展历史和发 展趋势 着重介绍了水泵变颓与节能的原理阻及模糊控制技术在变频调速恒压供水控制 中的应用方式 然后据此得出了课题的设计任务 一一 塑塑望塑丝型壅墅塑望堡垦垡查墨竺 第二章变频调速技术 2 1变频调速的基本控制方式 异步电动机的同步转速 即旋转磁场的转速为 皇堕 力 式中 n l 一同步转速 r m i n 1 一定子频率 h z 砌一磁极对数 而异步电动机的轴转速为o o n nl f l 一s 型 二 1 一j 胛口 式中 s 一异步电动机的转差率 0 2 一哪佃1 由此可知 改变异步电动机的供 电频率 就可以改变其同步转速 实现调速运行嘲 对异步电动机进行调速控制时 希望电动机的主磁通保持额定值不变 磁通太弱 铁芯利用不充分 同样的转子电流下 电磁转矩小 电动机的负载能力下降 磁通太强 则处于过励磁状态 使励磁电流过大 这就限制了定子电流的负载分量 为使电动机不 过热 负载能力也要下降 异步电动机的气隙磁通 主磁通 是定 转子合成磁动势 产生的 下面说明怎样才能使气隙磁通保持恒定 由电机理论知道 三相异步电动机定子每相电动势的有效值为 e1 4 4 4 f 1 n1 m 式中 晶一定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值 v f 定子频率 h z 州 定子相绕组有效匝数 m m 每极磁通量 w b 由上式可见 中m 的值是由点和五共同决定的 对蜃和f 进行适当的掇制 就可以 使气隙磁通巾m 保持额定值不变 下面分两种情况说明 2 1 1 基频以下的恒磁通变频调速 这是考虑从基频 电机额定频焉 向下调速的情况 为了保持电动机的负载能力 应保持气隙主磁通中 不变 这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势 保持e f 常数 即保持电动势与频率之比为常数 在此前提下进行控制 这种控制又称为恒磁 模栅逻辑控制变频调速恒压供水系统 通变频调速 属于恒转矩调速方式 但是 由于矗难于直接检测和直接控制 所以直接控制点比较困难 由于当e 和 f 1 的值较高时 定子的漏阻抗压降相对比较小 如忽略不计 则可以近似地保持定子相 电压u 和频率f 的比值为常数 即认为u e 所以当e 1 和f 的值较高时 保持u f 常数即可 这就是恒压频比控制方式 是近似的恒磁通控制 当频率较低时 u 和e 都变小 定子漏阻抗压降 主要是定子电阻压降 不能再忽略 这种情况下 可以人为地适当提高定子电 压以补偿定子电阻压降的影响 使气隙磁通 基本保持不变 如图2 卜1 所示 图中1 为u1 f1 c 时的电压 频率关系 2 为有电压补偿时 近似的e 1 f l c 的 电压 频率关系 实际装置中u l 与f 1 的 函数关系并不简单的如曲线2 所示 5 通用 变频器中u l 与f l 之间的函数关系有很多种 可以根据负载性质和运行状况加以选择0 1 0 2 1 2 基频以上的弱磁变频调速 图2 1 1w 关系 f i g 2 1 1r e l a t i o n s h i po f u f 1 这是考虑由基频开始向上调速的情况 频率由额定值f 向上增大 但电压u 受额 定电压u 的限制不能再升高 只能保持u u 不变 1 必然会使主磁通随着f 的上升 而减小 相当于直流电动机弱磁调速的情况 属于近似的恒功率调速方式 综合上述两种情况起来 异步电动机变频调速的基本控制方式如图2 卜2 所示 1 由上面的讨论可知 异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电 压和频率 即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源 实现所谓的v w f v a r i a b l ev o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y 调速控制 图2 i 2异步电动机变频调速时的控制特性 f i g 2 1 2c o n 仃o l c h a r a c t e r so f f r e q u e n c y v a r i a b l e s p e e d a d j u s t a b l es y n c l l r o m s m s m o t o r 一 堡塑望塑垄型壅塑塑垄望垦垡查墨竺 在变频调速恒压供水系统中 由于系统的装机容量足够大 所以不会出现基频以上 调速的情况 因此主要考虑基频以下调速 即系统的恒磁通变频方式即可山 2 2 正弦脉宽调制 s p w m 技术 1 9 6 4 年 德国的a s c h o n u n g 等率先提出了脉宽调制变频的思想 他们把通讯系统 中的调制技术应用于交流电力拖动 此即脉宽调制技术 简称p i m 技术 该技术的应用 为近代交流变频调速开辟了新的发展领域刚 2 2 1p a m 控制和p w m 控制 电压型变频器输出电压控制可分为两大类 脉幅调制p a m p u l s ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n 控制与p w m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 控制 这两类控制的变频器输 出都是脉冲序列 p a m 控制是按一定规律改变脉冲序列的脉冲幅度 以调节输出基波电 压的幅值 p i n 控制变频器输出脉冲的幅值不变而是按一定规律改变脉冲序列的脉冲宽 度 以调节输出基波电压的幅值啪1 将p a m 变频器与p w m 变频器比较 所得的结论如表 2 2 1 所示 3 2 2 2 等脉宽调制和正弦脉宽调制 s p w m 一p w m 波的生成方法和相关概念 表2 2 1p a m 变频器与p 删变频器性能比较 t a b 2 2 lp e r f o r m a n c ec o m p a r eo fp a mt r a n s d u c e ra n dp i nt r a n s d u c e r 控制方式p a n 变频器 项目可控整流器调压斩波电路调压 p w m 交额器 主回路较复杂简单 输入端功率因数差1好好 电动机噪声小大 相应的速度几百m s u t 时 驱动信号u t e d 当 u t u t 时 驱动信号uo t o 如图2 2 1 所示 得到等幅不等宽 的s p w m 脉冲序列 且脉冲宽度按正 弦函数规律变化 其基波电压波形 用虚线表示出 逆变器输出亦为s p w m 波形 1 正弦脉宽调制控制较为 复杂 但逆变器输出电压谐波较小 所以被广泛采用 目前 国内不少单位已相继研 制出各种由单片机控制的全数字式s p w i v l 变频器 在众多产品中 为数不少都采用软 件方式生成s p w m 波 3 这大大增加了c p u 的 o 图2 2 2 1 单极性s p w m f i g 2 2 im o n o p o l e s p w m 负担 使得变频调速的实时控制对c p u 提出了很高的要求 本课题采用了专用s p 聊v 波 生成芯片s a 4 8 2 8 与i p m 智能功率模块相结合进行电源逆变的方式 使锝c p u 从繁重的 s p w m 波生成运算中解放出来 为c p u 进行在线实时控制赢得了时间 2 3 模糊控制系统 模糊控制是一类应用模糊集合理论的控制方法 模糊控制的价值可从两个方面来考 虑 一方面 模糊控制提供一种实现基于知识 基于规则 的甚至语言描述的控制规律的 新机理 另一方面 模糊控制为非线性控制器提出一个比较容易的设计方法 当受控装 置 对象或过程 含有不确定性而且很难用常规非线性控制理论处理时 该方法表现出 更强的可行性 模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统 2 3 1 模糊控制的基本原理 模糊控制是以模糊集合论 模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字 控制 它的实现可以概括为以下四个步骤o 1 采样得到系统的输入变量的精确值 2 将输入变量的精确值变为模糊值 3 根据输入变量 模糊量 及模糊控制规则 按模糊推理合成规则计算模糊控制量 4 由上述得到的模糊控制量计算精确的控制量 在模糊逻辑控制系统中 模糊变量常用n n e g a t i v e p p o s i t i r e b b i g s s m a l l 0 z e r o 等及其组合形式来表示 2 3 2 模糊控制器的结构 在理论上 模糊控制器由n 维关系r 表示o 关系r 可视为受约于 o 1 区间 的n 个变量的函数 r 是几个n 维关系r i 的组合 每个r i 代表一条规则r i f t h e n 控制器的输入x 被模糊化为关系x 模糊输出y 可应用合成推理规则进行计算 对模糊 输出y 进行非模糊化 模糊判决 可得精确的数值输出y 图2 3 i 表示具有输入x 和 输出y 的模糊控制器的原理图o 图2 3 一l 理论模糊控制器框图 f i g 2 3 1f u z z yc o n t r o l l e rt h e o r yb l o c kd i a g r a m 图2 3 2 给出模糊逻辑控制器的一般结构啸1 它由输入定标 输出定标 模糊化 模糊决策过程和非模糊化等部份组成 比例系数实现了控制器原精确输入和输出与标准 l 标度因子li 隶属关幕ii 规则库i 蔓 王l 卜i 输入定标i 斗l桓糊化卜 i 攫糊决策l 呻 星鼙臻 赤准蓓 一桓翔 丽虱五一橇糊 值输入 确输入 输入出推理 输出梗糊化确输出值输出 图2 3 2 模糊逻辑控制器的一般结构 f i g 2 3 2c o m n o nc o n f i g u r a t i o no ff u z z yl o g i cc o n t r o l l e r 精确量的转换关系 模糊化 即量化 使被测的控制器输入在量纲上与左侧 l h s 相 致 模糊决策过程由一推理机来实现 该推理机使所有l h s 与输入匹配 检查每条规 则匹配的程度 并且聚集各规则的加权输出 产生一个输出空间 非模糊化 模糊判决 把这个输出归纳于一点 供驱动器定标后使用 显飘 模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统 2 3 3 模糊控制器的控制规则 模糊控制器容许复杂的分级规则 如 i f 过程状态 t h e n 中间变量1 i f 中间变量n t h e n 控制作用 这里中间变量代表一些稳含的不可测状态 它们能影响所采用的控制作用 在更复杂层次 模糊控制器容许包含策略性知识 即 i f 过程状态1 t h e n 应用规则集a i i f 过程状态n t h e n 应用规则集b 也可有这类规则 它们被用来确定低级规则的某一时间次序 即 i f 过程状态1 t h e n 应用规则集a 然后应用规则集b 上面所描述的规则全都是我们称之为 事件一驱动规则 的例子 都以所谓正向链接 的模式处理 即这些规则只有在过程的状态同预先确定的条件相 匹配 时才加以应用 此外 模糊逻辑控制器还容许问题的目标及约束函数作为规则的可能 这些目 标驱动一规则将用于改变控制器的结构 比如说从一种控制模式转换为另一种控制模式 例如 假定希望将过程从一个稳定状态驱动到另一个稳定状态 也许是为了响应生产上 所需的变化 那么就需要这类形式的规则 i f 新目标 t h e n 初始化规则组1 这里 新目标 是当前目标同新目标之间差别的某种陈述 而 初绐化规则组1 则 指出应当采用完全不同的低级规则集 总之 模糊逻辑控制器提供了一个相当丰富的表达过程控制信息的语言 从而加强 了我们处理 困难 的控制问题的能力 这也正是模糊逻辑控制器的目的啪1 2 3 4 模糊控制器的设计方法 模糊控制器的设计基本方法为 1 确定模糊控制器的输入变量与输出变量 2 设计模糊控制器的控制规则 3 确立模糊化与非模糊化的方法 4 选择模糊控制器的输入变量和输出变量的论域 并确定模糊控制器的参数 量 化因子 比例因子 5 编制模糊控制器算法的应用程序 6 合理选择模糊控制算法的采样时间 由于控制器的维数越高 则系统就越复杂 控制算法的实现就越困难啪1 因此 目 前模糊控制器一般使用二维模糊控制 即以误差和误差的变化为输入变量 以控制量的 模糊逻辑控制变频调速恒压供水系统 变化为输出量 用于模糊控制的控制规则和隶属度函数往往是试探地确定的 也就是说 它们是 在对正在进行的受控过程作用的直觉理解的基础上 加以人工编码的 模糊控制规则 的设计一般包括 选择描述输入输出变量的词集 定义一个模糊变量的模糊子集 建立 模糊控制器的控制规则o 输入输出变量的词集一般为f n b 惭 n s n o p o p s 跚 p b 定义模糊变量的模糊子集就是要确定模糊子集隶属函数的形状 一般采用正态分 布 啪1 在精确度要求不是很高时 可采用梯形分布或三角形分布 控制规则可用条件 语句描述 即i fha n dbt h e nc 等 然后建立控制规则表 模糊化就是把精确量转化为模糊量 可采用公式 丝 来把精确量转 b 一4 化为模糊量 在公式的应用中 要注意精确量实际变化范围为 a b 模糊控制的输出是一个模糊量 不能直接被用来控制被控对象 需要将其转化为精 确量以后才可以用来进行控制卿 把输出的模糊萤转化成清晰量的过程称清晰化或模糊 判决 模糊判决的方法很多 常用方法有如下几种 1 最大隶属函数法 2 取中位数法 3 加权平均判决法 该法利用信息多 但计算量大 合理选择模糊控制器输入变量的量化因子和输出变量的比因子也是非常重要的 必 须考虑所用计算机的字长 输入输出接口中d a a d 转化的精度和范围 比例因子过 小会使系统动态响应过程变长 比例因子过大会导致系统振荡o 由于 般二维模糊控制器的控制规则可写成i fe a a n de b t h e n u c t j i l 2 3 nj 1 2 3 n 的形式