智能恒压控制系统设计说明书

PAGE24-摘要小区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难问题越来越突出，大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水，高层居民经常出现用水难问题，给生活带来极大不便。针对上述问题，本文研制了变频调速恒压供水控制器，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，来实现恒压供水。同时达到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。采用该供水系统不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染。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控制恒压供水、变频控制、单片机。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.目录TOC\o"1-3"\h\z摘要 IABSTRACT II目录 III第一章绪论 11.1引言 11.2变频调速技术现状 11.2.1模糊控制技术现状 21.2.2单片机技术现状 31.3项目来源，研究内容及研究结果 3第二章变频恒压供水控制器的总体设计 42.1系统概述 42.1.1系统的组成 42.1.2系统优点 62.2.1变频器的控制方式 62.2.2控制系统的工作原理 72.3系统的控制原理 92.4控制器的硬件系统设计 92.4.1硬件总体说明 92.4.2恒压变频控制板设计 102.4.3单片机主控制电路设计 102.5人机界面设计 152.6电机控制电路设计 172.7故障检测电路设计 182.8压力检测电路设计 19第三章主要硬件设备介绍 213.1变频器的控制原理 213.2系统的方案设计 243.3系统工作过程 25第四章PID控制与模糊控制 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模糊控制系统组成 294.3模糊控制器 304.3.1模糊控制器的结构 314.3.2模糊控制系统的Simulink仿真 35第五章系统的软件设计 375.1系统方案的设计 375.2系统运行主程序 385.3故障检测流程图 395.4键盘处理子程序 405.5压力测量子程序 405.6模糊控制子程序 415.7模数转换(A/D压力数据采集)子程序 425.8水泵故障检测子程序 42结论与展望 43参考文献 44致谢 46第一章绪论1.1引言随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，居民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。智能恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。，这在能量日益紧缺的今天尤为重要。而本文就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，节电节水采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好的节能性，具有良好的经济和社会效益。1.2.变频调速技术现状20世纪是变频调速技术由诞生到发展的时代，特别是20世纪90年代以后，IGBT,IGCT(集成门极换向性晶闸管)等新型电力电子器件的发展，DSP(数字信号处理器)和ASIC(专用集成电路技术)的快速发展以及新颖控制理论和技术(如磁场定向矢量控制，直接转矩拉制等)的完善，使变频调速系统在调速范围，调速精度，动态响应，功率因数，运行效率和使用方便等性能指标超过了支流调速系统，达到了取代直流调速的地步，受到各行业的欢迎，并取得显著的经济效益。目前，变频调速技术以显著的节电效果，优良的调速性能以及广泛的实用性，而成为电器传动的发展主流方向，变频调速技术涉及到电机，电力电子技术，微电子技术，信息技术与控制技术等多个领域。变频调速系统中PWM技术的发展:PWM控制是变频调速系统的核心，任何拉制算法几乎都是以各种PWM控制方式实现。九十年代以来的产品，正弦形PWM(SPWM)调制方法已逐步为以下方式取代:快速电流跟踪PWM技术:快速电流跟踪型PWM逆变器为电流控制型的电压源逆变器，一般采用滞环电流控制、使三相电流快速跟踪指令电流。该逆变器硬件简单，电流控制响应快，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，普遍用于PMSM伺服系统和异步电动机矢量变换拉制系统。磁链跟踪控制PWM技术:这种方法把逆变器和电动机视为一体，以三相对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来跟踪基准磁链圆，由跟踪结果决定逆变器的开关模式，形成PWM波。由于磁链的轨迹是靠空间矢量的选择来实现，因此又称电压空间矢量法。直接转矩的智能拉制PWM技术:常规的直接转矩PWM技术无法区别转矩、磁链的非常大的偏差和相对小的偏差，这将造成电机启动期间系统的停滞.而采用智能控制中的模糊控制，可以通过定子磁链的空间位置，由一系列偏差的正大，正小等模糊语言，根据模糊规则推出逆变器的开关模式，使系统性能改善。双PWM控制技术:交-直-交电压型逆变器是目前最广泛使用的型式，但常对电网构成谐波污染。自前双PWM控制技术的研究非常活跃，即由PWM整流器和PWM逆变器组成的双PWM变频器无须任何附加电路就可使电网侧的输入电流接近正弦波，使系统的功率因数约为1，彻底消除网侧的谐波污染，并实现了四象限运行。矢量变换控制技术:自1971年矢量变换技术控制理论建立以来，以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，实现异步电动机转速和磁链控制的完全介藕。从而使异步电动机具有和直流电动机一样优良的控制性能。该技术得到了广泛地应用。1.2.1模糊控制技术现状模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。例如，在炼钢，化工，人文系统，经济系统以及医学心理系统中，要得到正确而且精密的数学模型是相当困难的。对于这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息，以及仅仅用语言规定的性能指标。同时，要求过程的操作人员是系统的基本组成部分等。所有这些都是一种不精确性，应用一般的控制理论是很难实现拉制的，但是，这类系统由人来控制却往往容易做到。这是因为过程操作人员的拉制方法是建立在直观的和经验的基础上，他们凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成控制任务。于是，人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句，然后运用模糊集合理论将其定量化，使控制器得以接受人的经验，模仿人的操作策略，这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革，它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。目前，国内外科技界，企业界和政府部门都特别关注“模糊”领域，模糊技术既是一个学术热点又是一个开发热点，模糊技术成果和产品也逐渐由实验室走向社会，取得了明显的社会效益和经济效益。而模糊拉制技术，这门由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互渗选而形成的理论性很强的科学技术，正以前所未有的步伐涉入到相当关泛的领域之中，其中包含交流伺服系统，液位系统，工业机器人，可编程控制器，天气预报，图象识别，医疗诊断，家用电器等领域。归纳起来，模糊控制技术现状如下:(1)模糊控制器的构造1/采用传统的单片机或微型机作为物理基础，编制相应软件来实现模糊推理和机制。2/用模糊单片机或集成电路芯片构造模糊控制器，利用配置数据来确定模糊控制器的结构形式。3/采用可编程门阵列构造模糊控制器。(2)模糊信息与精确信息转换的物理结构和方法模糊信息与精确信息转换问题，目前基本上采用A/D，D/A转换技术。(3)模糊控制器对外界环境的适应性及适应技术对外界环境的适应性问题，目前还没有一种专门的良好技术，大多还是采用传统的技术或依赖传统的工艺水平。(4)实现模糊控制系统的软技术软技术主要包括系统的仿真和实际工作软件等，目前，世界上已有多种仿真软件出现，如Neuralogix公司的产品。(5)模糊控制器和被控对象的匹配技术模糊控制器和被控对象的匹配技术仍然依赖于人们的经验。1.2.2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，加之具有集程度高，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。1.3项目来源，研究内容及研究结果(1)项目来源: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。

第二章变频恒压供水控制器的总体设计2.1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。2.1.1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2-1所示。图2-1自动恒压供水系统结构框图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，决定是否增加（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。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4~20mv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。2.1.2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，延长泵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、水泵电动机采用软启动方式，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泵系统的喘振。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。2.2.1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—2所示的基本结构。图2—2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f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Φ、转差频率f2的关系为：(2-1)只要保持气隙中磁通Φ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2.2.2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：(2-2)式中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=式中，K为管阻系数，对某恒定管阻，K为常数，图2-3中β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。图2-3水泵的特性曲线图2-4恒压过程分析图由图2-4可见：设定压力值为，初始用水量为工作点为检，可假定用户需要用水量为打开阀门（可定打开时间t0），管阻将突然变化，点沿线下降，在未下降至只前，压力传感器以将检测到的下降压力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，而是沿着β曲线升至，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2-5所示。△P=P0-P1由管阻变化时间和系统的响应时间决定。图2-5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2-6所示。图2-6变频恒压供水系统闭环控制系统框图2.3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0~5V或4~20MA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0~5V或0~10V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。2.4控制器的硬件系统设计2.4.1硬件总体说明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。其硬件结构框图如图2-7所示。硬件原理框图如图所示。下面详细介绍一下各部分硬件电路的组成和功能。图2-7变频恒压供水系统的硬件结构框图2.4.2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、输入信号调理与转换设计、人机界面设计和模数（A/D）和数模（D/A)设计。2.4.3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，在外部晶体振提供的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，扩展存储器，地址锁存，看门狗电路，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[1][2][3]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，DUSPLAY—CS，PWM1—CS和PWM2—CS等重要引脚接法见图2-8。图2-8单片机借口电路（2）扩展并口由于C52单片机的并口资源较少，又由于人机界面中的显示模块要占用很多的并口（要3个8位并口），为解决这一矛盾，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2-9所示。图2-9扩展并口电路图 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8255具体设计如下1.8255A的结构8255A芯片结构图如图2-10所示。由内部结构图可知8255主要由以下几个基本部件组成图2-10并口8255内部结构与外部连接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。具体介绍如下：(1)A口，B口和C口：A口，B口和C口均为8位I/O数据口，但结构上略有差别。A口由一个8位数据输出缓冲/锁存器和一个8位数据输入缓冲/锁存器组成，B口和C口各有一个8位数据输出缓冲/锁存器和一个8位数据输入缓冲器（无输入数据锁存器，故B口不可在模式2下工作）组成。(2)A组件控制器和B控制器：都有控制字寄存器和控制逻辑组成。控制字寄存器接受CPU送来的控制字，用于决定8255A的工作模式，控制逻辑用于对8255A工作模式的控制。A组控制字寄存器控制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)数据缓冲器：这是一个双向8位缓冲器，用于传送C52和8255A的控制字，状态(4)读写控制逻辑：这部分电路可以接受C52送来的读写命令和选口地址，用于控制对8255A的读写。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：AD7～ADO为数据总线，JIJ于传送CP[J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，皆为低电甲有效。A0和Al：地址输入线，用丁选中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图表2．18255A控制信号功能表(3)并行I／O总线(24条)：PA7～PA0：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。PB7～PB0：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。PC5~PC0：双向数据/控制总线，用来传送I/O数据或控制/状态信息，可以设顶为输出或输入方式，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(Mode0)、模式1(Mode1)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。(1)模式0：8255A的A口、B口和C口均可设定为模式O，并可根据需要规定各端口为输入方式或输出方式。因此在模式0下C25可对8255A进行I／0数据的无条件传送，外设的I／0数据可以在8255A的各端口得到锁存和缓冲。模式0属于基本输入／输出方式。(2)模式l：模式1有选通输入和选通输出两种工作方式，A口和B口皆可独立的设置成这种工作方式。在模式l下，8255A的A门和B口通常用于传送与它们相连的外设的I／O数据。C口用于A口和B口的握手联络信号，以实现中断方式传送I／0数据。(3)模式2：模式2只有A口才能设定。在模式2方式下，PA7-PA0为双向I/0总线。模式2特别适用于像终端一类的外部设备，因为这些设备有时需要把键盘输入的编码信号通过A口送给CPU，有时CPU又需要把数据通过A口送给终端显示[4][5]。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：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）地址锁存电路设计74LS373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2-11所示）同时在74LS373的CLEAR管脚外接了RC电路，用于开机上电时清零74LS273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2-11（4）设计为了实时监控电源状态，出现故障能自动产生复位信号，本设计采用MAX1232看门狗电路，同时也能通过R键实现手动复位。其接法见图2-11。图2-11看门狗电路（5）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3~18V，输出电流200mA，由于输入阻抗高，故输入电流在1ｕA以下，最高时钟频率可达10MHZ。利用MC1413和继电器组形成简单的“0-1”装置（如图2-12所示）来控制水泵电机的起停和报警信号。5.模数（A/D）和数模（D/A)电路设计图2-12的电路不仅能完成A/D转换的功能，还能完成D/A转换的功能。D/A转换器一共有4个信道，除进行A/D转换占用一个外，D/A转换可以任用其它的三个，只是在程序上稍有分别。每个信道的输出端可接电压电流变换装置来控制变频器，进一步控制三个泵的电机的转速和变频电网。对D/A转换器的操作指令为11位二进制数，头三位代表输出信道，后8位为要转换输出的数据。对程序的操作可以满足任意选择信道进行电压输出。当电压输出变大时，后接的变频器电流相应变大，使泵加速，从而所控制的水压增大;反之减速，水压减小。由此AT89C52可以通过D/A转换器、电压电流变换器、变频器实现对水泵的控制，使水压保持在压力设定值，达到恒压供水的目的。图2.12AT89C52同双8位串行D/A连接图2.5人机界面设计人机界面设计如图2-13所示，主要本键盘输入和显示模块图2-13人机界面A：管路压力显示（红色）B：压力设定显示（黄色）C：异常故障指示缺水失压SENSOR故障时灯亮D：手动交替指示E：驱动A机运转的信号输出F：驱动B机运转的信号输出G：Alarm报警1H：Alarm报警2I：交替切换钮J：参数设定选择钮K：设定值增加钮L：设定值减少钮M：恢复钮（1）显示模块实现图2-14显示模块电路R键（复位键）在看门狗电路设计中已实现，图2-15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）、键（设定值增加键）键（设定值减少键）。当有键按下，则输出‘0’信号，经“与门”得出INT1=‘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。图2-15键盘设计电路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1~lOOms，所以按下的时间估算为50ms，如果取样信号KEY—SAMPLE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。按键消抖电路如图2-16所示。图2-16按键消抖电路图中的KKl表示其中一个输入的按键信号，KEY—SAMPLE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2-21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R—S触发器的时钟CP由FPGA内部提供[7][8][9]。2.6电机控制电路设计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e89C52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拉电流源(见图2.23)。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(1)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(2)式。(2-3)(2-4)(2-5)通过上式，可以看出当RA.凡电阻值非常大时(几十千欧)A.C通路中电流近似为0。不难推出U12=U10;调节电阻RA,RB,RD，根据放大倍数有Ut=2U10根据(2.2)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。图2.17电压电流变换电路2.7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2-18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,C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.C三端至少有一端会与地端导通，输出低电平。A,B,C分别代表了水泵1,水泵2和水泵3oA,B,C哪一端输出电平为低就说明哪一个水泵发生了故障A,B,C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。(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。图2-18故障检测电路图2.8压力检测电路设计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2-19)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U1、U2，则电桥输出电压和电源电压的关系为:(2-6)(2-7)(2-8)图2-19压力检测电路图

第三章主要硬件设备介绍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。3.1变频器的控制原理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。图3—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f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Φ、转差频率f2的关系为：(3-1)只要保持气隙中磁通Φ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。一、水泵工况点的确定以及变化水泵工作点（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3-2），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η-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A。图3-2水泵工作点的确定从图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所图3—3水泵工况点的变化当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3-4水泵变速恒压工况根据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：（3—2）式2—2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f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。（3—3）（3—4）（3—5）或（3—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[10][11]在变频调速恒水位供水系统中，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。图3-5变频调速恒压供水水泵工况调节图由图3-5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。3.2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、水泵电机组、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。单片机上接工控计算机，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。模糊控制器上接工控计算机，上位机装有监控软件，对恒压供水系统进行监测控制。如图3-6所示:图3-6变频调速恒压供水控制系统示意图3.3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Ⅰ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Ⅱ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Ⅲ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Ⅰ，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3-7电机工作过程流程图第四章PID控制与模糊控4.1PID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-stateerror）。（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（SystemwithSteady-stateError）。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误差。（3）微分（P）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。4.2模糊控制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.本章分部分介绍了模糊控制原理，模糊控制核心部件一模糊拉制器及其设计。4.2.1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，其次是才压据观测结果作出决策判断，然后手动调整输入。操作工人‘就是这样不断地观测一决策一调整，从而实现对生产过程的手动拉制，这三个步骤分别由人的眼一脑一手来完成。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一控制规则。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。模糊控制技术是一种由模糊数学，计算机科学，人工智能，知识工程等多门学科领域相互渗透，理论性很强的科学技术。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.4.2.2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。模糊控制系统的组成如图4.1。模糊控制系统一般可分为四个组成部分:(1)被控对象可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的自然的，社会的，生物的或其他各种的状态转移过程，这些被控对象可以是确定的或模糊的，单变量的或多变量的，有滞后的或无滞后的，也可以是线性的或非线性的，定常的或时变的以及具有强藕合和干扰等多种情况，对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象更适合采用模糊控制。(2)执行机电气的可以是交直流电机，伺服电动机，步进电机等;其它气动的或液压的，如各类气动调节阀和液压马达，液压阀等均可。(3)控制器模糊控制系统的核心部分，由于被控时象不同以及对系统的静态、动态特性的要求和所用的控制规则相异，可构成各种类型的控制器:经典控制论中，采用Pm控制器，串并校正器;现代控制论中，状态观测器;智能控制论中，则采用模糊知识表示和规则推理的语言型的模糊控制器，这是模糊控制系统区别于其它自动控制系统的特点所在。实质上一台微型计算机，根据控制系统的需要既可以采用系统机也可采用单片机或单板机。(4)输入/输出接口装置实际模糊控制系统中，由于被控对象的控制量以及可观测的状态量是模拟量，因此，模糊控制系统与通常的全数字控制系统或混合拉制系统一样，也必须具有模数，数模转换单元。模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获得数字量信号，并将模糊控制器决策的输出信号经过数模变换，将其转换为模拟信号送给执行机构去控制被控对象，不同的是在模糊控制系统中，还应该具有模糊逻辑处理的“模糊化”与“解模糊化”环节这部分，通常也被看作是模糊控制器的输入/输出接口。(5)测量装置是将被测对象的的各种非电量如电流，温度，压力，速度，浓度等转换为电信号的一类装置。通常由各类数字的或模拟的测量仪器，检测元件或传感器等组成。它在模糊控制系统中占据十分重要的地位，其精度往往影响整个系统的性能指标，因此要求其精度高，可靠性强且稳定性好。4.1.3模糊控制的基本原理在此仅以一步模糊控制系统为例，简要的介绍一下模糊控制的基本原理，如图4.2所示:核心部件模糊控制器具体原理如下:微机中断采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定值比较后得到误差信号E，此误差信号作为模糊控制器的一个输入量，进行模糊量化变成模糊量，此模糊量可以用相应的模糊语言来表示，至此，得到了模糊语言集合的一个子集e,e和模糊控制规则R根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u,u为u=u*R。其中u为一个模糊量，为了对被控对象施加精确地控制，还需将模糊量转换为精确量，即非模糊化处理，得到精确的数字控制量后，经数模变换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制，然后中断等待第二次采样，进行第二步控制……循环下去，就实现了对被控对象的模糊控制。以上为单输入单输出模糊控制原理，其它的单输入多输出模糊控制系统、多输入多输出模糊控制系统原理类似，只不过输入输出变量个数相异，控制规则烦琐一些，在后面涉及的地方再阐述，这里不一一赘述。4.3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。4.3.1模糊控制器的结构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4-3所示。图4-3模糊控制系统方框图图4-3模糊控制系统方框图设计一个模糊控制器要解决以下三个问题：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。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。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-200～200分为n档，n取4～8，这时量化因子K定义为如n=4则K=4/400=0.1。水压变化率e的变化范围为-10～10，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0～5，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，+0，+1，+2，+3}，取八位语言变量值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4-4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。将电流或电压信号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4-5所示图4-5输入变量隶属度函数曲线图4-6Kp隶属度函数曲线图4-7Ki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.。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4-6.4-7.图所示。(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