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dq030智能恒压供水系统设计,dq030,智能,供水系统,设计
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浙江工业大学浙西分校毕业设计（论文）课题名称：智能恒压供水系统设计 学生姓名：陈永生 系 （部）：信息与电子工程系 专业班级：03工自(1)班 指导教师：黄云龙、朱秋琴、廖东进 职 称：副教授、 助教、 助教 2006年 6 月 1 日浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文）摘 要本文根据传统供水中存在的不足和缺点，将模糊PID控制技术应用于小区供水系统中，实现恒压供水。该系统解决了传统小区供水中、占用面积大、建设费用高、管理维护复杂困难、水质二次污染等缺点。 本文根据模糊控制和PID控制的特点及其原理，把模糊控制和PID控制结合起来，形成模糊PID控制，有效的克服了它们的缺点而发挥了它们的优势。本文详细阐述了该系统中模糊PID控制器的实现方法、系统的各种控制、故障检测以及状态显示。 关键字:模糊PID；恒压供水； 变频控制； 单片机ABSTRACTThe paper has achieved water supply with constant pressure by fuzzy-PID controller in the water supply system due to the shortcoming of the traditional water supply. The system has the methods of low cost, easy to be used and saving supply energy, and so on.This paper adopts fuzzy PID control algorithm which combines fuzzy control and PID control according individual characteristic and theory effectively gets over their disadvantage, at the same time, preserving their merits. The methods of the fuzzy-PID controller, system-controlling, failure-detecting，states-displaying are described in details. Keywords: fuzzy-PID；water supplying with constant pressure；varied frequency controlling；SCM目 录第一章 绪 论11.1引言11.2恒压供水技术的发展现状11.2.1 单片机技术现状11.2.2 变频调速技术在恒压供水技术中的发展状况11.2.3 模糊控制理论在恒压供水系统中的应用21.2.4 控制器发展现状21.3 课题来源，研究内容及研究结果31.4 毕业设计任务4第二章 变频调速恒压控制系统的方案设计52.1 变频器的控制方式52.2变频调速的节能、调速原理52.3系统的方案设计72.4系统工作过程8第三章 PID控制与模糊控制原理103.1 PID控制103.2 模糊控制103.2.1模糊控制的基本思想113.2.2模糊控制系统组成113.3模糊控制器113.4模糊控制器设计123.5 模糊控制系统的Simulink仿真16第四章 变频恒压供水控制器的硬件系统设计184.1 系统概述184 .1.1系统的组成184.1.2系统优点204.2 控制系统的工作原理204.3 系统的控制原理214.4 控制器的硬件系统设计224.4.1恒压变频控制板设计224.4.2 人机界面设计264.4.3 前向输入通道和后向输出通道设计284.4.4电机控制电路设计294.4.6压力检测电路设计30第五章 系统的软件设计325.1系统方案的规划与设计325.1.1本系统实现的主要功能325.1.2本系统中单片机内的资源规划325.2系统运行主程序335.3故障检测子程序345.4键盘处理子程序345.4.1按键连击的处理345.5压力测量子程序355.6模糊控制子程序355.7水泵故障检测子程序355.8 模数转换(A/D压力数据采集)子程序35结论与展望37致 谢39参考文献38附录39IV浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1引言在目前的小区高楼供水中，还有很多采用恒速泵供水系统，水塔高位水箱供水和气压罐供水系统等供水方式。在这些供水方式中，由于扬水较高且电机一直高速运行，造成较大的电能消耗，目前的水费成本中，电费的比例达50%以上。本文针对小区供水系统的实际情况，选用单片机模糊PID控制器和变频器组成模糊PID恒压供水系统，充分利用单片机技术，模糊PID控制技术和交流变频技术等高新技术，不但使水压保持恒定，节电节水，而且灵活性高，占地面积小，投资省，操作方便，运行可靠，具有良好的经济和社会效益。1.2恒压供水技术的发展现状1.2.1 单片机技术现状单片微型计算机简称为单片机，是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的CPU、存储器、输入/输出部件和时钟电路等。自问世以来，性能不断提高和完善，加之具有集成度高，功能强，体积小，供耗低，性能可靠，价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算机、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统，数字单片机的位数越来越多，精度也越来越高。另外，在需要极高响应速度的控制场合，还出现了模糊单片机，它是专门执行模糊逻辑信号的器件，具有极高的模糊推理速度。今天，还出现了不少高级语言的开发工具，这些系统经过仿真可在更高的开发平台上进行快速的开发，为单片机的广泛应用铺平了道路。所以，在未来的社会主义工业化建设中，单片机无疑会发挥更大的作用。1.2.2 变频调速技术在恒压供水技术中的发展状况近年来，交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。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而不能受人为控制。变频调速技术的出现使频率变成可以利用的资源。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。随着科学技术的进步，人民生活正趋向于高标准、高质量和现代化。在居民生活用水供水系统中，由于高层建筑越来越高，采用传统设备不能满足高层建筑高水压、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。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。该系统控制原理框图见图1-1。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、出口流量大时，管网压力偏低而导致出口流量不足的问题；2、出口流量小时，管网压力偏大而导致管网寿命减少的问题；3、阀门调节而导致的能量浪费问题。图1-1变频调速恒压供水系统框图综上所述，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态，达到节能目的。1.2.3 模糊控制理论在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控制表。在实时控制过程中，系统通过查找模糊控制表把实时采集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机变频控制，完成了恒压控制的模糊控制过程。具体实现请参考后续有关章节。1.2.4 控制器发展现状1.2.4.1 PID 控制在过去的 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 响应曲线法1；还有使用Nyquist曲线法的，如 Ziegler-Nichols连续响应法。然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，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 年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。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。1.2.4.2 模糊 PID 控制模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 L.A.Zaden 首先提出的，经过 20 多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就2、3。模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而 PID 控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。在文献中介绍了多种能提高 PID 控制精度的模糊 PID 混合控制方案，例如：引入积分因子的模糊 PID 控制器；混合型模糊 PID 控制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应 PID 控制、神经网络模糊 PID 控制等。1.2.4.3 模糊自整定 PID 控制模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差e和误差变化作为输入，可以满足不同时刻的e和对参数自整定的要求。它将模糊控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 PID 控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。经过比较在本设计中选择模糊自整定PID控制。1.3 课题来源，研究内容及研究结果（1）课题来源:本项目来源于小区供水的实际应用。（2）研究内容:本设计研究了在主芯片为单片机的模糊PID变频自动控制恒压供水系统中，如何用模糊算法实现水压的自动控制，达到设定值要求;除此之外，在硬件电路设计上考虑如何采用各种措施减小系统干扰，提高系统的稳定性，可靠性。（3）研究结果：经过研究设计，实际运行，该系统具有以下基本功能:1/用户可自行设定水压。 2/恒压供水。3/具有故障检测功能，当水泵出现故障或无水时，可自动报警。4/可显示当前水压。5/系统死机时，可自动复位恢复工作。6/使用模糊算法，系统响应时间可达到预期效果。1.4 毕业设计任务 本次毕业设计课题是变频调速恒压供水系统，我的主要任务是应用软件设计和模糊控制器的设计，大体为以下五项内容：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，变频器的发展史一直到广泛应用，随着技术的发展，其优越性越来越多，主要是节能、恒压、综合技术的集成等，以后将朝大容量、小体积、高性能、易操作、寿命高、可靠性强、无公害化发展。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 主要是变频器的构成、控制方式和形式，控制方式有三种形式：V/F控制、转差频率控制、矢量控制；变频器的节能、调速原理；变频器的工况点的确定和能耗机理分析，以及系统调速范围的确定。变频调速恒压供水系统方案；控制系统的工作过程 系统的工作过程分为以下三个工作状态：电机变频启动运行；电机工频运行；电机不运行；变频工频切换技术解决方案。3恒压供水系统的模糊控制器设计及Simulink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MATLAB进行Simulink仿真研究。4系统硬件设计（主电路、控制电路） 主要介绍了变频主电路的设计，模糊控制器的设计，人机界面设计，前向输入通道设计和后向输出通道设计，及一些系统的可靠性设计。 5. 应用软件设计 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、电机变频/工频切换程序、报警程序；整个系统程序的工作过程以及编程中应注意的细节。总之，在本次设计中，必须完成图表：论文说明书、控制电路图、 程序流程图、程序清单等。第二章 变频调速恒压控制系统的方案设计2.1 变频器的控制方式变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾经出现过多种类型的变频器，但目前成为市场主流的变频器基本上有着图2-1所示的基本结构。 图2-1变频器的基本结构变频调速的控制方式经历了V/F控制、转差频率控制、矢量控制的发展，前者属于开环控制，后两者属于闭环控制，正在发展的是直接转矩控制。1、V/F控制异步电动机的转速与定子电源频率和极对数有关，改变f 就可以平滑的调节同步转速，但是频率f的上升或者下降可能会引起磁路饱和转矩不足的现象，所以在改变f的同时，还需要调节定子的电压，使气隙磁通保持不变，电动机的效率不下降，这就是V/F控制。V/F控制简单，通用性优良。2、转差频率控制由电机学的基础知识可知，异步电动机转矩M与气隙磁通、转差频率f2的关系为： (2-1)只要保持气隙中磁通一定，控制转差频率f2就可以控制电动机的转矩，这就是转差频率控制。3、矢量控制矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电动机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制，获得和直流电动机一样的优良的调速性能。2.2变频调速的节能、调速原理一、水泵工况点的确定以及变化4、5 水泵工作点（工况点）是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。如果把某一水泵的性能曲线（即H-Q曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中（图2-2），则这两条曲线的交点A,就是水泵的工作点。 工作点A是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在A点。若把水泵的效率曲线-Q也画在同一坐标系中，在图2-2中可以找出A点的扬程HA、流量QA以及效率hA。图2-2 水泵工作点的确定 图2-3水泵工况点的变化从图2-2中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保证水工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问题。在变频调速恒压供水过程中，水泵工况点的变化如图2-3所示当P1、P2高于P0时，说明管网系统用水量减少，管路阻力特性曲线A1、A2向A0方向变化，此时水泵转速逐渐降低，管网口压力也由P2、P1逐渐下降，当P低于P0时，其工况点变化与上述相反即由A1逐渐向A0移动，使管网系统供水始终保持恒定。 图2-4 水泵变速恒压工况 图2-5 变频调速恒压供水水泵工况调节图根据2-4图水泵变速恒压工况分析：当管网用水由Q2、Q1.向Q0移动时，通过改变水泵转速使P0保持恒定。二、变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系： （2-2）式22中：p极对数,s转差率因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率来改变电机的转速n。改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。 当管网负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从n1降低到n2。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速n,可使供水泵流量Q、扬程H和轴功率N以相应规律改变。 （2-3） （2-4） （2-5）或 （2-6） 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有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。在变频调速恒压水位供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，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，设定管网压力值（扬程）为，管网初始用水量为，初始工况点为A，水泵电机的转速为，工作点A的轴功率即为四点所围的面积。当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成4-20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,水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点A移至B点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小。恒压供水系统中压力值恒定在,因此水泵工作点又沿着转速所对应的水泵性能曲线从点B移至C点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点C点，在图3中可以找出C点的扬程、流量以及效率 ，工作点C的轴功率即为四点所围的面积。考察水泵的效率曲线-Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。三、变频调速恒压供水系统调速范围的确定考察水泵的效率曲线-Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%-100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。2.3系统的方案设计变频调速恒压供水系统构成如下图所示，由模糊控制器、变频器、水泵电机、压力传感器、起动器等构成。系统采用一台变频器拖动2台电动机的起动、运行与调速，采用循环使用的方式运行。单片机未接工控计算机，压力传感器采样水压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给模糊控制器, 模糊控制器根据这两个信号经模糊运算，发出指令，对水泵电机进行工频和变频之间的切换。如图2-6所示:图2-6变频调速恒压供水控制系统示意图2.4系统工作过程根据小区用水的实际情况，只需开动一台泵供小区居民日常用水，另一台相同水泵配合循环使用以及预防其中一台水泵发生故障时仍然正常为小区提供良好的供水。用水高峰时段水泵以工频状态运行；用水低谷时段水泵停止运行，以侍网供水；用水普通时段水泵以变频状态运行。 分析自动控制系统电机工作过程,可分为以下三个工作状态：1) 电机变频起动；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作状态之中，当源水的水压发生变化时，管网压力也就随之变化，三种工作状态就要发生相应转换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。1.切换过程系统开始工作时，压力低于设定压力下限，按下相应的按钮，在模糊控制器控制下，电机先接至变频器输出端，接着接通变频器FWD端，变频器对拖动泵的电动机采用软起动，在频率未达到工频频率（即）的情况下水泵电机在变频器作用下，变频器输出频率下降，电机转速下降，水泵输出流量减少；变频器输出频率上升，电机转速上升，水泵输出流量增加。水泵在变频器的拖动下变频运行。2.切换过程由电机变频运行。用水高峰时段，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增至工频（即50HZ），模糊控制器发出指令，接通变频器BX端，变频器FWD端断开，电机自变频器输出端断开，电机切换至工频运行。电机工频运行后,开启泵阀门，泵工作在工频状态。从而实现水泵由变频切换至工频电网运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到压力达到设定值为止。3.切换过程由电机工频状态。当变频器输出频率下降到指定值，电机转速下降到指定值；水管水压高于设定水压上限时,在模糊控制器控制下电机停止运行。系统开始工作时，压力低于设定压力下限，模糊控制器控制下，电机先接至变频器输出端，接着接通变频器FWD端，变频器对拖动泵的电动机采用软起动，在频率不大于工频频率（即）的情况下水泵电机在变频器的拖动下变频运行。控制系统又回到初始工作状态，开始新一轮循环。在程序设计中，必须认真考虑这三个切换过程，才能保证系统在一个工作周期内实现正常切换与运行。电机工作过程流程图如下： 图2-7电机工作过程流程图两台电机为循环使用，因此运行过程相同。第三章 PID控制与模糊控制原理3.1 PID控制在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 (1)比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 (2)积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 (3)微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 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。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例项”往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。3.2 模糊控制6模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制。从线性与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制;从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能拉制的一种重要而有效的形式，尤其是模糊控制和神经网络，遗传算法及混沌理论等新学科的相融合，正在显示其巨大的应用潜力.本章分部介绍了模糊控制原理，模糊控制核心部件模糊控制器及其设计。3.2.1模糊控制的基本思想在自动控制技术产生以前，人们在生产过程中只能采用手动控制方式。手动控制过程首先是观测被控对象的输出，其次是根据观测结果做出决策判断，然后手动调整输入。操作工人就是这样不断地观测决策调整，从而实现对生产过程的手动控制，这三个步骤分别由人的眼脑手来完成。后来，由于科学和技术的进步，人们采用各种测量装置代替人的眼睛，完成对被控量的观测任务;利用各种控制器部分地取代人脑的作用实现比较，综合被控制量与给定量之间的偏差，控制器所给出的输出信号相当于手动过程中的人脑的决策;使用各种执行机构对被控对象施加某种控制作用，这就起到了手动控制中手的调整作用，这就是人们所熟悉的常规负反馈控制系统。经过人们长期研究和实践形成的经典控制理论对于解决线性定常系统的拉制问题是很有效的，然而经典控制论对于非线性时变系统难以奏效。随着计算机的发展和应用，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展，基于状态变量描述的现代控制理论对于解决线性或非线性，定常或时变的多输入多输出系统问题，获得了广泛的应用，例如在阿波罗的姿态控制宇宙飞船和导弹的精密制导以及在工业生产过程控制等方面得到了成功的应用。但是无论采用经典控制论还是现代控制论设计一个控制系统，都需要事先知道被拉对象(或生产过程)精确的数学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进行控制系统设计，然而在许多情况下被控对象的精密的数学模型很难建立，过程变量多，且各种参数存在不同程序的时变性，这种过程数学模型难以建立，甚至根本办不到。在这样的事实面前，人们又重新研究和考虑人的控制行为的特点，能否对无法构造数学模型的对象让计算机模拟人的思维方式，进行控制决策。在这种情况下，人们总结了自身的控制行为，正是遵循反馈及负反馈控制的思想，人的手动控制决策可以用语言加以描述，总结成一系列条件语句控制规则。利用微机程序实现这些控制规则，微机就起到了控制器的作用，于是利用微机取代人可以对被控对象进行自动控制。这样，模糊控制技术相应而生了。 综上，相对于传统的控制方法，从被控对象的数学结构上去考虑进行控制，模糊控制的基本思想就是:从人类智能活动的角度和基础上去考虑实施控制。3.2.2模糊控制系统组成模糊控制系统是一种自动控制系统，它以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则理论为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数学控制系统，核心是具有智能型的模糊控制器。 3.3模糊控制器模糊控制理论应用于实际的桥梁即模糊控制器，是模糊控制的核心部件，它具有以下特点:模糊控制器不依赖于被控对象的精确数学模型，易于对不确定系统进行控制。模糊控制器是易于控制，易于掌握的较理想的非线性控制器，是一种语言控制器。模糊控制器杭干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。模糊控制器可划分为:模糊输入接口，模糊推理判决机构，模糊输出接口三大部分，它们构成了模糊控制器的控制机理和算法结构。据此，实际应用中，模糊控制器有两种组成形式:一种是由模糊逻辑芯片组成的硬件专用模糊控制器，它是用硬件芯片来直接实现模糊控制算法。这种模糊控制器特点是推理速度快，控制精度高，但价格昂贵，输入和输出二级模糊规则均有限且灵活性差，实际中较少使用，另一种组成方式是采用与数字控制器相同的硬件结构。 模糊控制器的三大功能：(1)把系统的偏差从数字量转化为模糊量(2)对模糊量进行一定的给出规则进行推理(3)把推理的结果从模糊量转化为可实用于实际控制的数字量对应于以上的三大功能，模糊控制器的实现需要三大过程:(1)模糊化过程 (2)模糊逻辑推理 (3)精确化计算因此，模糊拉制器的最终设计问题就是上述三个过程的设计问题，在详细讨论系统设计之前，我们先定性的分析一下三大部件的设计。(1)模糊化过程测量输入变量的值并将数字表示形式的输入量转化为通常用语言表示的某一限定码的序数，每一限定码表示论域内的一个模糊子集，并由其隶属度函数来定义。通常选用三角形和梯形函数的隶属度函数 。(2)模糊推理过程设计模糊推理过程设计主要考虑模糊控制器的规则基和知识基的设计。所谓规则基指的是所有条件语句，即控制规则的全体.所谓知识基指的是数据基和规则基合起来。(3)精确化过程设计 在本设计中，考虑小区供水的实际情况，采用最大隶属度法求取控制值。3.4模糊控制器设计模糊控制是依据模糊控制规则进行控制，而模糊控制规则是熟练工作人员或控制专家经长期实践，有意或无意地综合考虑各种因素，通过操作者的学习，测验及长期经验积累的出的控制策略。它可以通过自然语言描述，这种自然语言用的是定性的、不准确的模糊条件语句。模糊控制系统的结构如图3-1所示。设计一个模糊控制器要解决以下三个问题：(1)精确量的模糊化。把语言变量的语言值化为适当的论域点的模糊子集。(2)模糊控制算法设计。通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则。(3)输出量的模糊判决。由输入量和控制规则决定输出量并转化为精确量。图3-1 变频调速恒压供水水泵工况调节图图3-1 所示的模糊控制系统方框图中，虚线内为模糊控制器，E和E为误差及误差的变化率e和e1的模糊化量。U为输出u的模糊化量，模糊化为精确量的模糊化，模糊判决为模糊量的精确化。模糊控制算法为根据输入和控制规则的模糊推理过程。实验证明，模糊控制系统不仅能成功地实现控制，且能模仿人的思维方法，对一些无法构造模型的被控过程实施有效控制。模糊化模糊控制器的输入与输出都是精确量。对输入而言，要进行模糊化处理将精确值变为模糊值；模糊控制器的输出则是将依据模糊控制规则得出的模糊值精确化，即解模糊。在模糊化过程中要解决几个问题：论域离散化、确定量化因子和比例因子，确定语言变量以及语言变量的子集。一个精确量模糊化的前提是将精确量大小分档。假如一个恒压控制系统输入的变化范围为-200200分为n档，n取48，这时量化因子K定义为 (3-1)如n=4则K=4/400=0.1。水压变化率e的变化范围为-1010，n取4，则K=4/20=0.2。对输出而言基于量化因子的概念定义一个比例因子，如输出确定量u的范围为05，取n=10，则K=u/n=5/10=0.5k,说明u变化分5档。比例因子K取得过大则会造成阻尼程度下降，反应灵敏，易造成输出震荡，过小则被控过程反应迟钝。为了确保被控对象在过程中保持最佳，对一些响应过程长的大惯性系统可以用几组量化因子/比例因子，在控制过程的不同状态使用不同的因子，以取得满意的效果。语言变量的选择常常根据人们的习惯将同类事物分为大中小，一般在设计模糊控制器时常选用正大（PB）,正中（PM）,正小(PS)，零(0)，小负(NS)，负中(NM)，负大（NB）。取模糊隶属函数如图3-2所示。语言变量论域上的模糊子集，通过总结操作者的经验或由其它方法得到上面离散化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。确定隶属函数应注意几个方面。一是隶书函数的尖锐程度，较尖锐则控制的灵敏度高；较平缓则控制的灵敏度低，控制特性较平缓。二是PB，PM，PS，对论域的覆盖程度。在论域中任取一点，这一点应属于某一隶书函数且对应。对应的隶书函数不能太小，如在论域某一点隶书函数覆盖不到或值太小则会出现失控。三是集合间的交叉程度，交叉程度高被控过程参数变化适应性强，鲁棒性好，但交叉程度过大，两语言的变量值又难以区分。图3-2 模糊控制系统方框图模糊控制偏差e和偏差变化率之间的模糊关系，在运行中通过不断的检测e和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在线调整，以满足不同e和对控制器参数的不同要求，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。(1)输入输出变量的确立由以上分析，本系统将偏差e和偏差变化率作为模糊控制器的输入。将KP、KI和KD作为模糊控制器的输出。(2)输入变量的模糊化控制器控制水压是通过改变变频器的输出从而改变水泵电机的转速来实现的。水压通过压力传感器检测送回单片机，由单片机进行相应的模糊运算后控制变频器的输出。因此系统的输入量是水压的变化偏差和偏差变化率。相应的隶属度函数，输入变量e和的隶属函数曲线如图3-3所示图3-3 输入变量隶属度函数曲线(3) 输出变量的模糊化模糊控制是通过实时调整模糊控制器的控制参数，然后由单片机中的模糊控制指令来实现最终的调整控制的。变频器中的模糊参数都有它的设定范围。图3-4 KP隶属度函数曲线 图3-5 KI隶属度函数曲线 设定输出量KP、KI和KD的模糊子集为零，正小，正中，正大，简记为 ZO,PS,PM,PB，并将KP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)内。建立数输出变量的隶属度函数后，输出变量KP、KI和KD的隶属函数曲线分别如图3-3、3-4、3-5所示。 (4)模糊规则的确立三个参数的作用是各自独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。显然，对于大多数系统来说，单独使用上面任意一种控制规律都难以获得良好的控制性能。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和偏差变化率时，参数的自整定原则：7101)当偏差|e|较大，系统处于响应阶段，为加快响应速度并防止开始时偏差|e|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KD0。2)若e*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|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，以保证系统的响应速度。若偏差|e|较大，则应实施较强的控制，以改变误差的变化趋势，并迅速减小误差绝对值，可取较大的KP值，同时可取较小的KI和中等的KD值，以提高动态性能和稳态性能。若偏差|e|较小，可实施一般控制，以改变误差的变化趋势，可取中等的KP值，同时取较大的KI值和较小的KD值，以提高系统的稳态性能，避免产生振荡。3)若e*0，说明误差在向绝对值减小的方向变化。若偏差|e|较大，则应实施一般的控制，迅速减小误差绝对值，可取中等的KP,同时可取较小的KI和中等的KD值,以提高动态性能和稳态性能当偏差。若偏差|e|较小，为了使系统具有良好的稳态性能，应增大KP和KI的值，同时为了避免系统在设定值附近振荡，并考虑系统的抗干扰性能，适当选取KD的值，通常为中等大小。此外，在控制系统中纯滞后往往是影响系统动态特性的不利因素。控制器如果设计不当，常常会引起系统的超调和持续振荡。对于这类系统的控制，快速性往往是次要的，主要要求系统没有超调量或很少超调量，要求系统闭环稳定，而调整时间允许在较多的采样周期内结束。1113根据以上分析，可以得到控制器的模糊参数调节规则表 表3-1 参数KP调节规则表KPe NBNMNSZOPSPMPBNBPSPSPMPMPBNMPMPBPBPBNSPMPBPBPBZOPMPSZOPSPMPBPSPBPBPMPBPMPBPBPMPBPBPMPMPSPS表3-2 参数KI调节规则表KIe NBNMNSZOPSPMPBNBZOPSPMPBZONMPSPBPBZONSZOPMPBZOZOZOPMPBPMZOZOPSPBPMZOZOPMPBPBPSZOPBPBPMPSZO表3-3 参数KD调节规则表KDeNBNMNSZOPSPMPBNBPSPMZOZOBPNMPMPSZOPBNSPMPSZOPBZOPMPSZOPSPMPBPSZOPMBPPMZOPSPMPBPBZOZOPMPS根据以上的控制规则表，可以将控制规则转化为语言描述，这些规则代表了不同的隶属函数。3.5 模糊控制系统的Simulink仿真14 对常规PID与模糊自整定PID的控制特性进行测定，曲线如下两图：图中，曲线 1、2、3 分别为被控对象惯性时间常数T1 =1，T2 =4；T1 = 3，T2 = 8；T1 = 5，T2 =12的特性曲线。 图3-6 常规PID控制特性曲线 图3-7模糊自整定PID控制特性曲线对比图 3-6 和 3-7 可以看出： 模糊自整定 PID 控制对象的过渡过程曲线的超调很小，它的控制精度和系统的动态特性明显优于常规 PID 控制。 被控对象的惯性时间常数变化时，模糊自整定 PID 控制器的适应能力比常规 PID 控制器强，但上升时间改善不大。 惯性时间常数T1 =1，T2 =4的被控对象的特性曲线不理想。建立系统的Simulink模型LUXI，模型中，NCD Output1是从NCD block模型组窗口中拷贝并连接至系统输出端。如下图所示：fuzzyfuzzy 图3-8优化设计的仿真图 第四章 变频恒压供水控制器的硬件系统设计4.1 系统概述给水行业为贯彻城市供水行业2000年技术进步发展规划中提出的“二提高三降低”（即提高供水水质，提高供水安全可靠性，降低能耗、降低漏和降低药耗）的奋斗目标和要求。由此，住宅小区的给水系统已逐步取消了高位水箱，而采用变频调速供水，克服了传统供水方法的缺点。这种供水方式既满足供水安全，又避免水质的二次污染。对于多层住宅来说，是一种比较完善的供水系统。目前的自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用以单片机为基础的供水控制器，因单片机系统不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行工矿的LED显示、故障报警等功能。自动恒压供水系统还具有标准的通讯接口，可与城市供水的上位机联网，实现城区供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。在自动恒压供水系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失。根据反馈原理：要想维护一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，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，现代控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。4.1.1系统的组成系统由变频器、控制器、传感器、水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。它可同时对一台或多台三相380/220V、50/60Hz异步电动机进行变频调速和闭环控制，其系统组成示意图如图4-1所示。从上图中我们可以看到，自动恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与供水控制器构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。整个系统的具体工作流程为：系统通过安装在出水总管上的压力传感器，将供水管网的非电量信号（动态压力）转变成电信号，输入至供水控制器的输入模块，信号经单片机运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出偏差值，再经过PID处理得出最佳的运行工况参数，并将其转换成模拟信号，由系统的输出模块输出变频器的频率设定值至变频调速器，变频调速器控制水泵的转数来调节管网内的实际压力值趋向于设定压力值，从而实现闭环控制的恒压供水。对于多台泵调速的方式 ，控制器控制泵站投运水泵的台数及变量泵运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。系统通过计算判定目前是否已达到设定压力，决定是增加（投入）或减少（撤出）水泵。即：当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网水压仍达不到预设水压，则将此台泵切换到工频运行，变频将自动启动下一台水泵，控制其变频运行。此后，往复工作，直至满足设定压力要求为止。反之，若管网水压大于预设水压，控制器控制变频器频率降低，使变频低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵，始终使管网水压保持恒定。进入消防余兴时，按下消防按扭，所有水泵逐台切入工频运行保证消防用水压力，用户可在适当地方外加消防按扭，以保证迅速切入工频状态。总之，系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。 图4-1 自动恒压供水系统结构框图下面我们对系统的各组成部分分别加以介绍：由水泵-管道供水原理可知，调节供水流量原则上有两种方法：一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀，流量下降。二是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水流量经常变化的场合（例如生活用水），采用调速调节流量，具有优良的节能效果，本文所采用的就是后一种方法，即调速调节方法。水池：在这我们所要做的工作是对其水位进行监测，当水位过低时就产生报警信号，再通过继电器把报警信号传给单片机，单片机控制报警灯亮同时发出报警声，同时停泵保护。水泵：水泵电机是输出环节，转速由变频器控制，实现变流量恒压控制，在这些水泵中，一般只有一台变频泵。当供水设备供电开始工作时，先启动变频泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在一定的数值上。每台水泵均采用星-三角的启动方式，各水泵之间实行变频循环软启动。软启动可减小电动机硬启动（即直接起动）引起的电网电压降，使之不影响其它电气设备的正常运行，可减小电动机的冲击电流，冲击电流会造成电动机局部温升过大，降低电动机寿命，可减小硬起动带来的机械冲力，冲力加速所带来的传动机械（轴，齿合齿轮等）的磨损，减少电磁干扰，冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。软起动使堤岸动机可以起停自如，减少空转，提高作业率，因而有节能作用。传感器：将其安装在水池与用户之间的出水管道上，它的任务是实时地测量参考点的水压检测管网出水压力，并将其转换成420mv的电信号，再将此信号传给A/D芯片进行处理。变频器：它的作用是接收PID控制器的信号，为水泵电机提供可变频率的电源。供水控制器：这是本文主要研究内容，将在后面的章节详细地加以论述。4.1.2系统优点1、恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。2、由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长白呢感和电动机的机械使用寿命。3、因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。4、水泵呢感电动机采用软启动发誓，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速再成白呢感系统的喘振。5、由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能末期经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。4.2 控制系统的工作原理供水管网中的流量和压力是随着用户用水量的改变而不断变化的，而改变泵电机的转速就可以提高供水压力或减少供水压力。所以，为了保持出口供水压力恒定就必须根据用水量的大小不断改变电机的转死。三相交流电机的转速公式为： （4-1）式中n为电机转速，f为定子供电频率，s为转差率（s 0.02），p为电机的极对数。由公式可见，水泵转速= 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动机的转速，从而达到天界速度的目的。由流体力学知：管网压力P，流量Q和功率N的关系为N=PQ，而功率与水泵转速n成三次方的正比关系。图2中的n族曲线为不同功率（转速）下水泵P=F（Q）特性曲线上的不同点，其管阻是不同的。因为有公式： Q= （4-2）式中，K为管阻系数，对某恒定管阻，K为常数，图4-2中 族曲线为不同管阻时的P=F（Q）曲线，同一曲线上的不同点，其功率是不同的。由图4-3可见：设定压力值为，初始用水量为，工作点为检1，可假定用户需要用水量为 Q1，打开阀门（可定打开时间t0），管阻将突然变化，点1将沿n1线下降，在未下降至1之前，压力传感器已将检测到的下降压力P转换成电信号输往PID控制器，经比较处理后，输出一个令变频器频率升高的信号，从而水泵转速升高，工作点不会降至1，而是沿着曲线升至4，达新的稳态。实际上，用水量是不会突变的。管阻不会一下下降很多，实际工作情况如图4-4所示。由管阻变化时间和系统的响应时间决定。 图4-2 水泵的特性曲线 图4-3 恒压过程分析图图4-4 变频调速供水原理为了保持电机在调速时最大转距不变，需要维持磁通恒定，这就要求定子供电电压也作相应的调节，而VVVF变频器可以满足这个要求，根据上述和用户要求设定供水系统压力，并在供水出口处设置压力传感器，随时检测用户用水情况，然后将检测的压力与设定压力相比较，经控制器运算，输出通过变频器改变泵电机转速，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。图4-5 变频恒压供水系统闭环控制系统框图4.3 系统的控制原理该变频恒压供水控制器以单片机为核心，在水泵的出水管道上安装一个压力传感器，用于检测管道压力，并把出口压力变成05V或420MA的模拟信号，送入单片机进行数据处理。单片机经运算后与设定的压力进行比较，得出偏差值，再经PID调节得出控制参数，经D/A转换变成05V或010V的模拟信号，送入变频器中，以控制其输出频率的大小，以此改变水泵的电机转速，从而达到控制管道压力的目的。当实际管道压力小于给定压力时，变频器输出频率升高，电机转速加快，管道压力升高；反之，频率越低，电机转速减小，管道压力降低。其变过程可以表示如下：检测压力控制器输出变频器频率电机转速，反之相反，最终达到恒压。4.4 控制器的硬件系统设计 整个系统电控部分以ATMEL公司的AT89C52为核心芯片，这种芯片内置有4K的EPROM，具有控制信号采集、处理、输出三个功能。因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则会造成控制线不够；而AT89C52却可以利用P0、P1口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入、LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到很大地提高。15其硬件结构框图如图4-6所示。16硬件原理框图如图所示。17 下面详细介绍一下各部分硬件电路的组成和功能。 图4-6所示 变频恒压供水系统的硬件结构框图4.4.1恒压变频控制板设计 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、人机界面设计、前向输入通道设计和后向输出通道设计、故障检测电路设计。4.4.1.1 单片机主控制电路设计 单片机主控制电路以AT89C52单片机作为可以变成微控制器核心，在外部晶振提供的12MHZ工作频率下开始工作，内部通过编程实现模糊PID控制。外部电路设计包括：扩展并口，扩展串口，地址锁存，看门狗（复位定时）电路，报警电路。设计各模块设计的具体介绍如下：（1）微控制器由于整个系统的工作速度要求不高，采样处理速度为每秒5次，本设计采用技术成熟，稳定性能好，性价比极高的AT89C52足已满足性能要求。C52单片机内部资源比较丰富，包适：8K的片内ROM，256个字节的RAM32根I/O并口 1个UART串口，中断线有6根，内部定时器有3个16位的定时妻/计数器等资源。 本设计把P0口作为主要数据/地址总线端口接74LS373地址锁存器；P2口哦主要用语控制扩展串口和产生重要的片选信号；P1口主要做键盘输入端口和其他的一些状态控制信号。单片机内部ROM用于烧写整个控制系统的主程序，各种处理和算法的子程序及控制表。ALE，RD，WR，TXD，RXD，RESET，DUSPLAYCS，PWM1CS和PWM2CS等重要引脚接法见图4-7。图4-7 单片机接口电路（2）扩展并口图4-8 扩展并口电路图 由于并口资源的不足，在此对单片机的并口进行扩展。本设计采用8255A扩展并口，把8255A设置成工作方式0（直接传输，不需要C端口来控制），3个并口PA，PB，PC都定义成输出，驱动显示和报警。扩展电路如图4-8所示。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比较复杂，针对扩展并口的应用，本设计用VHDL只实现了工作方式0的8255A具体设计如下1 8255A的结构8255A芯片结构图如图4-9所示。由内部结构图可知8255主要由以下几个基本部件组成8255内部结构由4部分电路组成。他们是A口，B口，C口。A组控制器和B组控制器，数据缓冲器及读写控制逻辑。 2. 8255A的引脚功能8255A共有40条引脚线，采用双列直捅式封装。(1)数据总线8条：AD7ADO为数据总线，用于传送CPU和8255A 间的数据、命令字和控制字。(2)控制总线6条：RESET：复位线，高电平有效。CS：片选线，低电平有效。RD和WR： RD为读命令线，WR为写命令线，皆为低电平有效。A0和Al：地址输入线，用与选中A口、B口、C口和控制寄存器中哪一个工作。上述控制线对8255A端口和工作方式的选择见表4-1 表4-1 8255A控制信号功能表(3)并行I/O总线(24条)：PA7PA0：双向I/O总线，用来传送I/O数据，可以设定为输出方式，也可以设定为输出/输入双向方式，由控制字决定。PB7PB0：双向I/O总线，用来传送I/O数据，也可设定为输出或输入方式，有控制字决定。PC5PC0： 双向数据/控制总线，用来传送I/O数据或控制/状态信息，可以设定为输出或输入方式，也可以设定为控制/状态方式，由控制字决定。(4)电源线2条：VCC为+5V电源线，允许变化10%；GND为地线。 3 .8255A 的控制字和工作模式8255A有两个控制字：方式控制字和C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位状态作为标志。8255A有三种工作模式：模式0(Mode 0)、模式1(Mode 1)和模式2(Mode2)，通过8255A方式控制字，用程序送到8255A的控制寄存器即可设定工作模式。4. 8255A的初始化根据本系统的具体要求，8255A的A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口于各种报警控制线等均为输出模式。因此我们选择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：MOV DPTR， #0FF03H ； 控制7寄存器地址送DPTRMOV A， #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）扩展串行由于c52内部资源的不足需扩展内存，93C46提供1024位串行EEPROM，它有省空间的8脚PDIP，8脚JEOE和EIAJS0IC封装形式，其8脚PIDP封装如图4-10所示。93C46是一个有128字节的串行EEPROM，可以是8位或16位的存储模式。当6管脚与8管脚（Vcc）相连时，内部组态为64*16位，当6管脚与5管脚（GND）相连时，内部组态为128*8位。18用来保存开机设定时的原始参数，这样当系统掉电时，设定的数据能永久保存，再开机上电时无需再重新设定参数，即可运行于掉电前的状态。如果我们不使用Plug and Play方式，那么从12h到7fh地址空间可以用来存储用户自己的数据。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 EEPROM93C46 图4-11 NE555 （4）定时复位电路设计采用NE55组成的硬件定时复位电路，可有效防止程序死机现象，提高了系统的抗干扰性能19。（如图4-11所示）复位电路每一秒种向AT89C52的REST端发出复位信号。根据程序需要，通过AT89C52的P0.4可以随时控制复位电路的起动和停止，当P0.4=0时NE555的2引脚为低电平，停止复位：当P0.4=1时NE555的2引脚为高电平，起动复位。（5）地址锁存电路设计74LS273用于对继电器输出状态硬件锁存，以防止输出状态被干扰。（如图4-12所示）同时在74L273的CLEAR管脚外接了RC电路，用于开机上电时清零74L273的输出端，可以防止继电器的误动作，对变频器起到保护作用。 图4-12 琐存电路74LS273A 图4-13 继电器与MC1413接口电路（6）报警电路设计MC1413为七达林顿结构非门，具有集成度高、性能可靠、静态功耗电流低、抗干扰能力强等特点，其工作电压范围318V，输出电流200mA，由于输入阻抗高，故输入电流在1A以下，最高时钟频率可达10MHZ。20利用MC1413和继电器组形成简单的“0-1”装置（如图2-13所示）来控制水泵电机的起停和报警信号。 4.4.2 人机界面设计人机界面设计如图4-14所示，主要本键盘输入和显示模块 图4-14 人机界面A：管路压力显示和压力设定显示B：异常故障指示缺水失压 SENSOR故障时灯亮C：手动交替指示 D：驱动A机运转的信号输出E：驱动B机运转的信号输出 F：Alarm报警1 G：Alarm 报警2 H：交替切换钮 I：参数设定选择钮 J：设定值增加钮 K：设定值减少钮 （1）显示模块实现 图4-15 显示模块电路（2）键盘键入实现图4-16电路图实现：A/B键（A、B水 交替切换键）、MANU键（参数设定选择键）、5键（设定值增加键） 6 键（设定值减少键）。当有键按下，则输出0信号，经“与门”得出1，即有键按下时，生产外部中断触发单片机马上处理新的键盘输入数据。因为按键大多数是机械式的开关结构，虽然只是按一次就放开，但在开关切换的瞬间会出现在接触点出现弹跳的现象，因此按键信号稳定的前后会出现一些不该出现的噪声。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1lOOms，所以按下的时间估算为50ms，如果取样信号KEYSAMPLE周期为8ms，那么最多可以取到6次。对丁不稳定噪声在4ms以下，最多只能取样一次。所以本设计在周期为8ms的采样时钟控制下，采用两级D触发器延时后，抽取两个信号DO毫D1进行处理，再输入到RS触发器，根据RS触发器原理，R，S分别为“0，0”时输出保持。“0，l”时，输出为l；“l，0”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：从而得到经消抖处理的按键信号。图4-16键盘设计电路 图4-17按键消抖电路图中的KKl表示其中一个输入的按键信号，KEYSAMPLE表示的是采样时钟，经消抖处理的K1。按键消抖电路功能仿真如图4-17所示，可见，通过弹跳消除电路的输入信号KKl，经过取样脉冲KEYSAMPLE取样后，按键开关前后的噪声脉冲消除了，得到无噪声的按键信号K1。由于其它按键的消抖均与上述方法相同。此处从略。多个消抖模块最终集成FPGA中，其中RS触发器的时钟CP由FPGA内部提供。4.4.3 前向输入通道和后向输出通道设计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逐次逼近模数转换器(如图4-18所示)，这样可以节省AT89C52的I/0口，并可降低成本。图4-18 模数转换电路TLC0831D/A输出电路采用了光耦隔离式D/A输出，并采用了LM358双运放组成D/A输出及驱动电路，具体D/A电路如图4-19所示。 图4-19 光耦隔离式D/A输出P3.3定时输出占空比与频率相对应的PWM调制信号，通过二极运算放大器后，在LM358的第7引脚输出与频率相对应的电压信号。在输出端调节电位器可以调整输出电压的大小，两放大器之间的RC电路起到滤波的作用。214.4.4电机控制电路设计图4-20电压电流变换电路电机控制部分分为强电部分和弱电部分。因为强电部分工作在大电流、大电压状态下，而且主要与所提供的水泵、气泵等外围设备有关，不属于本设计范畴之内所以将不对其进行详细的介绍。下面重点说明弱电部分，也就是和89C52相关联的一部分电路，主要有电压、电流转换电路和变频器、89C52对电机的控制是通过对D/A系统和变频器的控制实现的。控制信息由D/A装置转换为电压量，但变频器对电机的控制是通过调节电流实现的，这就需要一种电路，使输入的电压量适当地转变成为电流量，其功能实质就是一个压控电流源(见图4-20 )。图中包含两个集成运算放大器和一个使用在共集极状态下的三极管(射极跟随器)，A为电压输入端，P6为电流输出端。电容C4和电阻组成低通滤波网络。根据放大器虚短、虚断原理，有(4-3)式成立;流过发射极的电流由电阻R1的上端电压Ut和电压U10共同决定，由欧姆定理得(4-4)式。 (4-3) (4-4) (4-5)通过上式，可以看出当RA电阻值非常大时(几十千欧 ) A、C通路中电流近似为0。不难推出;调节电阻RA, RB, RD，根据放大倍数有根据(4-4)式，电压量有效的转换成为电流量，输出的电流量将交给变频器管理。4.4.5故障检测电路设计 (1)故障检测电路本系统的故障检测功能并不是对系统本身(数字部分、模拟部分)而设立的，它的主要目的是监视和控制工作中的电机和工作的环境是否达到要求(是否有水)。在系统上电工作时，主程序开始启动，它除了控制电机，给电机加速、减速以使实际水压达到用户设置的预定值外，它还要处理来自故障检测电路发出的中断信号.图4-21即为故障检测电路的一部分，当水泵无故障时热继电器al, a2, a3不会吸和，A, B端与地端断开，输出为高电平;当水泵非正常工作时，图中的热继电器就会吸和，则A， B三端至少有一端会与地端导通，输出低电平。A,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, B端分别和单片机89C52相连，输入的信号经过89C52判断、输出如果认为哪一个水泵放生了故障，就点亮相应的警示灯或发光二极管、蜂鸣器，提示工作人员排除故障。图4-21故障检测电路图(2)热继电器热继电器的作用是对电机进行过流保护。电机正常工作时，互感器的电压输出较小，绕阻温度低于限值;当电机过载运行一段时间后，绕阻升温达到限值，此时热继电器运作使电动机短电，从而保护电动机。4.4.6压力检测电路设计 图4-22压力检测电路图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)传感器是能够规定被测量并按着一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置.通常由敏感组件和转换组件组成。传感器的输出信号有很多形式:电压、电流、频率、脉冲等。输出信号的形式由传感器的原理确定.常见的信号调节与转换电路:放大器、电桥、震荡器、电荷放大器等。该设计采用电阻式远传压力表作为传感器，直流电桥、差分放大器作为信号调节和转换电路。图中SR为传感器，滑动变阻器为调零电阻。当水压为0时电桥输出应为0V，但有时因为其它原因电桥输出不为0，这时就要适当调节滑动电阻器Rh使电桥输出为0V。设滑动变阻器为Rh电源电压为U,输出电压为Uo输出端两端电压分别为U 1. U2，则电桥输出电压和电源电压的关系为: (2-6) (2-7) (2-8)第五章 系统的软件设计5.1系统方案的规划与设计变频调速恒压供水系统的模糊控制过程，主要是根据压力、流量的测量值经过模糊处理后查找模糊控制表的过程。因此，软件设计的主要内容包括:系统主程序、显示子程序、开关量输出子程序、开关量输入子程序、模拟量输出子程序、读取键盘操作信息并处理子程序、电机切换子程序、模糊变频恒压控制算法以及故障检测保护子程序等几大部分组成。5.1.1本系统实现的主要功能1.水泵的工作模式(1) 交替运转:两台水泵以一台泵运行，每经过一次交替时间，替换一次，此交替时间024小时可调。(2) 故障替补：运转过程中运行水泵若发生故障。另外一台替上。 2.不同供水情况下的处理(1)不用水停车：压力传感器所侦测到的管路压力变化，适时显示到另一荧屏上，由此控制器开始演算比较，若管路压力=设定压力值，则进入停车额定范围，继续侦测20秒，均与此状况相同时，代表己经开始不用水，则控制器发出停车指令，变频器输出频率开始下降，自到停止运转，此段停车过程的时间可自由调整(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%。 (2)漏水侦测停车补偿功能：在极小的用水情况下，如管路泄漏滴水情况导致压力下降，则控制器命令水泵马达停止运转(此段压力变化范围为00.6kg 可调)，若压力持续降至设定值的某百分比时，则控制器将命令水泵马达启动，并将压力补足至设定值，此段的百分比为0100%可调。(3)正常用水:若在停车状况下要开始正常用水，则用水压力设定压力值某百分比时，控制器才命令变频器启动，并驱动水泵马达运转，以避免启动频繁，前述某百分比则为0100%自由可调。(4)缺水失压保护功能：当水泵马达全速运转，却一直无法达到设定值时，若于故障点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0100%可调)，须待确认具体原因并予排除后，按RESET(复位)键或重新送电才能继续运转。(含爆管大量漏水情况) 5.1.2本系统中单片机内的资源规划由于C52的片内RAM的资源比较紧张，而且还包含很多特殊功能的寄存器，因此必须合理有效的规划才能充分的利用系统资源。写程序时，有可能由于没有合理分配片内RAM而引起的重复使用的错误或者出现片内RAM不够用等各种意想不到的错误。因此，对片内资源很好的规划，不但能提高写程序的速度，方便调试，而且是写出高质量的程序的一个很重要的前提。结合本系统的实际情况，C52的片内RAM规划如下:(1) 00H-1FH这32个RAM单元共分为四组，每组占8个RAM单兀，分别用代号R0-R7可以指向四组中的任一组，由PSW中的RS1RS0状态决定；(2) 20H-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RAM单元一样按字节存取，也可以对每个RAM单兀中的任何一位单独存取。本系统主要用来做控制和计算中使用；(3) 30H-31H 保存压力给定值；(4) 32H-33H 系统水压采样值；(5) 34H P参数值； (6) 35H I参数值； (7) 36H D参数值； (8) 37H 输出的控制量；(9) 38H 报警控制字； (10) 39H-40H水泵交替时间；(11) 41H 停车时间； (12) 41H-60H系统运算过程中数据缓存区；(13) 60H-7FH系统堆栈区；5. 2系统运行主程序图5-1 系统运行主程序流程图系统运行主程序流程的设计思想为:首先要进行一系列的初始化工作，重置看门狗是为了在系统出现故障时，可在选定的超时周期之后，看门狗以复位信号做出响应，保证系统可靠工作。系统运行中要及时进行故障检测，防止电机空转造成电能的浪费以及电机过载时，损坏电机。出现故障时，及时送显，方便维修有不.J于系统正常工作状态的恢复。无故障情况下，测量当前的实际水压，并在系统机上显示压力值，有利于操作人员对系统工作情况的了解。本系统为恒压控制系统，要对当前的实际水压进行分析，并采取相应的措施对水压进行调整，使之保持在压力设定值附近，此工作由模糊控制器来做，软件上即为调用模糊控制子程序。 5.3故障检测子程序故障检测流程的基本思想为:为保障系统在正常情况下工作，必须及时检测。无水情况下，此系统无法工作，所以第一步检测是否无水。若满足有水，则检测各泵是否正常工作，且系统正常工作时，一泵首先投入使用，所以首先检测一泵依次类推检测各泵，若出现故障，则把此泵从电网切除进行维修，从而保证系统可靠地工作。 图5-2 故障检测流程图 图5-3 键盘处理流程图5.4键盘处理子程序本系统的键盘设计主要有设定参数菜单键、设定值增加键、设定值减少键、水泵上作方式键。此程序流程的思想为：当需要对某设定参数调整时，通过设定参数菜单键来选择要调整的系统参数；然后利用增加键和减少键对参数进行调整，调整参数确定后系统会自动保存。当需要手动调整水泵的上作方式时。可使用水泵上作方式键。水泵的工作方式有以下几种：一台上作、一台备用，两台交替使用，两台同时上作。键盘处理子程序流程图如图。5.4.1按键连击的处理连击是指操作者按下某一键但没有释放该键，则该键对应的功能将反复被执行，好像操作者在连续操作该键一样。由于单片机的速度较快，这种情况很容易发生。连击在很多情况下是不允许的，它使操作者很难准确地进行操作。解决连击的关键是一次按键只让它响应一次，该键不释放就不执行第二次。5.5压力测量子程序压力测量流程的基本思想为:此设计中，模数转换是通过比较器和数模转换器实现的，对应的软件采用逐次逼近法实现。同时考虑系统干扰，软件采用数字滤波，即进行十次模数转换，去除最大最小值再取平均值的方法，此平均值做为当前压力的数字量结果，另外考虑为了远程压力表的显示值与系统机显示值一致、要进行系数修正，输出数据为十进制，所以还要进行数据映射，把二进制数转换成十进制。图5-4 压力测量流程图 图5-5 水泵故障检测流程图5.6水泵故障检测子程序图5-5所画为一号泵故障检测流程图，二号泵，泵故障检测流程雷同，相应的故障标志位以及变频市电控制位有所变化。在此不一一画出。 5.7模糊控制子程序此程序流程的思想为:采样系统的输出，会得到当前的实际水压，此水压与压力设定值相减，可得到当前误差量，此误差量与前一误差量相减可得到误差的变化量，误差和误差的变化经过模糊量化，变成误差和误差的变化模糊子集中的基本论域中的值，即可查询模糊控制表，得到模糊控制量，此模糊控制量作为控制量模糊子集中的基本论域中的值，必须乘以比例因子变成实际控制量才能送给模数转换器去控制变频器，从而实现恒压供水，完成依次采样过程。 5.8 模数转换(A/D压力数据采集)子程序该程序用于把压力传感器送过来的模拟信号变化成数字信号。程序流程图如下： 图5-6 模糊控制流程图 图5-7 模数转化流程图结论与展望变频调速恒压供水是现代化城市和生活小区供水的发展方向，采用单片机控制的变频供水系统具有工作可靠、实现容易、价格低廉等特点，是较理想的控制器。本论文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理和控制原理的分析，用单片机语言C52结合硬件电路，设计出以AT89C52为核心的恒压供水控制器。并将模糊自整定PID算法应用到变频恒压供水控制器中，使得用户在使用时更加方便快捷。虽然研究工作取得了一些成果，但由于本人的时间和能力有限，所以目前还有很多不足之处，有待进一步的完善与发现。还可以进一步考虑将变频恒压供水用于船舶供水方面，由于在船舶系统中，使用环境较为恶劣，适当的保护和抗干扰措施是必不可少的。此外，本文设计的上位机监控界面图形比较单一，功能还有待于进一步的完善。 参考文献1蔡美琴等MCS-51系列单片机系统及其应用.高等教育出版社，2000.32龚时宏，离心泵高效降速范围的确定J灌溉排水，1989，83崔金贵，变频调速恒压供水系统在建筑给水应用的理论探讨J兰州铁道学院学报，2000，19(1)：84-88.4邬宽明.80c51系列微控制器系统原理、功能、集成与应用.北京航空航天大5全继萍陈玩丰大涌水厂给水泵房改造节能总结J城镇供水2002，6姜成国，冉树成，郑雪梅，孙斌模糊控制在水处理系统中的应用探讨J工业水处理，2000，20(10)：28307Math Works. MATLABTM, High-performance numeric computation and visualization software, Users guide, 19938龚剑，朱亮MATLAB5.X入门与提高M.北京：清华大学出版社，2000.39候北平，卢佩，付连昆自适应模糊PID控制器的设计及基于MATLAB的计算机仿真J天津轻工业学院学报，2001，4：3235 10康凤举主编，现代仿真技术与应用M北京：国防工业出版社，2001，911姜成国，冉树成，郑雪梅，孙斌模糊控制在水处理系统中的应用探讨J工业水处理，2000，20(10)：283012刘增良主编模糊技术于应用选编(1)(2)(3)M北京：北京航空航天大学出版社，1997，213胡包刚，应浩模糊PID控制技术研究发展回顾及其面临的若干重要问题J.自动化学报，2001，27(4)：56758414 韩安荣.通用变频器及其应用.北京:机械工业出版社，200015韩荣超 单片机自动控制变频恒压供水系统，广西土木建筑,2000,25(4) P190192 16赵晶，电路设计与制版Prote199高级应用，第1版，2000年，人民邮电出版社17 刘曙光等.模糊逻辑控制技术.第一版.北京:中国纺织出版利.2001:12214718 李明华，MCS-51单片机实用接口技术，第1版，1992，北京航空航天大学出版社19 Timer NE/SA/SE555/SE555C Product specification Philips Servmicon doctors Linear Products P34635220 赵全起，应用MC1413集成电路实现水塔自动供水CHINA WATER & WASTE WATER,1999(5) P363721胡汉才.单片机原理及其接口技术.第二版.北京:清华大学出版社.2004致 谢在大学学习三年里，是我受益最多，也是我感触最深的三年。首先要感谢的是我的班主任郑文老师和其他任课老师，在他们的关心和帮助下，我的学习和工作能力得到了很大的提高。同时我要感谢我的毕业设计指导老师黄云龙、朱秋琴，在专业课学习和毕业设计的过程中，黄老师、朱老师总是鼓励我既要努力打好基础，学好专业知识，又要大胆创新，勤于钻研；在学习上和生活上，给予我悉心的指导和无微不至的关怀。在我的论文撰写的过程中，黄老师也给予了细心的指导和修正。在本次设计过程中，廖东进老师、朱秋琴老师给了我很大的帮助，在此表示衷心的感谢！我要特别感谢我的父母，正是由于他们对我生活及学习上的鼓励和支持，我才能够取得今天的成绩。徐立、高静两位同学无论是在整个设计论文的写作当中都给予了我很多的帮助。在此对他们表示衷心的感谢！我在此还要感谢530的2位兄弟，他们不但在生活和学习上都给予我很大的帮助，也为我创造了一个良好的学习和生活环境。回顾这三年的学习和生活，收获很多。在此我要感谢所有关心和爱护我的人，今后我会继续努力，不辜负你们对我的期望！附录：一、 相关参数及部分电路图系统选用IS50-32-160离心式水泵，功率为30KW，n=2900r/min。小区用户流水量为4 m3/h10.5m3/h，供水压力要求0.3MPa（进）0.6MPa（出）。由叶轮相似原理得：n1=2846r/min、n2=2468r/min所以转速的调节范围2846 r/min2468 r/min=49.1Hz、=42.6Hz所以相对应的频率变化范围为42.6Hz49.1Hz调节频率6.5 Hz考虑自来水管道的实际压力（0.3MPa0.6 MPa）测量范围等，我们选用了CYGO1型压力传感器作为压力的检测采集元件。该型号压力传感器的性能参数如下：供电电源：恒流612mA DC恒压1012 V DC量程：01Mpa工作温度：-3580摄氏度输入电阻/输出电阻：120020%欧姆零点输出：=10mV DC满量程输出：10020%Mv非线性：=0.2%FS灵敏度：4.5mV/Kpa典型)零点漂移：=0.1mV/4h SPWM式VVVF变频器 初级控制
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