智能恒压控制系统设计(论文+DWG图纸+外文翻译+文献综述+开题报告)机械设计带图纸文档
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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（文献综述）文献综述03工业电气自动化1班 高静 1引言作为交流变频调速装置的一个代表，变频器恒压供水装置技术己经成熟在市场上得到良好反映，从节能运行到系统稳定可靠得到社会认可。该系统伴随着控制器和变频器的发展技术也不断更新和发展。就控制器来说，其发展经历了从继电器逻辑，到单片机、PLC，再到专用控制器等几步。从变频器调速来说，其发展经历了多段速度控制、模拟量给定控制到专用控制器。每一步发展都意味着更新更好的器件代替传统方式。 用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低;用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，月水少时供水也少，从而可提高了供水的质量。为了提高供水质量，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击。由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命。还可以消除起动称停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水系统实现节水、节电、节综上所述，变频调速给水在建筑给水中应用越来越广泛，其主要原因是:.变频调速给水的供水压力可调，可以方便地.满足各种供水压力的需要。2变频器技术1.目前，变频器技术己经成熟，在一市场上有很多国内外品牌的变频器，这为变频调速提供了充分的技术和物质基础。2.变频调速恒压供水具有优良的节能效果。 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。 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）123。 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。 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。采用闭环调节控制技术，达到了恒压供水，避免了由于超压供水造成的电浪费。变频器采用软起动工作方式，消除了直接起动对电网的冲击和干扰，彻万避免了水泵启动时大电流和水压突增的情况，.减少对供电电网的冲击，降低了。机及电气元件的故障率。由于系统自身检测及保护功能完备，延长机泵和阀门A.网的使用寿命。该设备可控制1-3台泵，从而使变频容量得以降低。由于是软成和软停，电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水圣的寿命大大提高。模拟和数字信号全部采用光隔离，全面提高电磁兼容性。3模糊逻辑控制技术在变频调速恒压供水系统中的应用 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：(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 ( Negative ) P(Positive)，B (Big)，S (Small)，0 (Zero)等及其组合形式来表示。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。1.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:IF(过程状态)THEN中间变量1)IF(中间变量N) THEN(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:IF 过程状态1) THEN(应用规则集A)IF(过程状态N) THEN(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:IF过程状态1) THEN（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:IF(新目标)THEN(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(初给化规则组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控制问题的能力，这也正是模糊逻辑控制器的目的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。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tl，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。输入输出变量的词集一般为NB, NM, NS, N0, P0, PS, PM,PB。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。在精确度要求不是很高时，可采用梯形分布或三角形分布洲。控制规则可用条件语句描述，即IF A and $ THEN C等，然后建立控制规则表。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。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。把输出的模糊量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由于一般二维模糊控制器的控制规则可写成IF E=A, and E thenU=C (i=1, 2, 3, , m, j=1, 2, 3, , n)的形式，所以可以根据采样得到的误差，误差变化计算出相应的控制量变化，据此实现模糊的算法。对所有X, Y中的元素的所有组合，全部算出相应的控制量变化值，然后写成矩阵，一般将矩阵制成表，称为查询表，然后将查询表存入内存中(ail。实际控制中，根据模糊量化后的误差值及误差变化值直接查表，再集比例因子即可作为输出去控制被控制对象，完成模糊控制的过程5674总结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。同时，还用组态软件一Kingview对上位机监控界面进行了设计，实现了系统的远程监控。该监控系统界面友好、易于操作，图形形象丰富，能以动画的形式实时显示现场设备的运行状态。参考目录1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)：84-882邬宽明.80c51系列微控制器系统原理、功能、集成与应用.北京航空航天大学出版社，19953蔡美琴、张为民、沈新群、张荣娟.MCS-51系列单片机系统及其应用.高等教育出版社，20004侯振程.继电接触控制.高等教育出版社，19855美国德克萨斯州器件公司(Texas Instruments Incorporated)英文器件资料20016韩安荣.通用变频器及其应用.北京:机械工业出版社，20007王伟，李祖才，秦泅新.变频调速恒压供水系统.自动化技术与应用.2000,19(2):26-278李士勇.模糊控制.神经控制和智能控制论.哈尔滨工业大学出版社，19979王乾，都朝辉.实现高速串行通信的设计方法.黑龙江电子技术.199910赵永健.单片机变频调速恒压供水系统.山东工业大学.电气自动化.1996, 111王彩霞 糊变频恒压控制系统的研究 2002. 1212陈志云 高精度SPWM变频触发的恒压控制器硬件系统设计2005.413姜义初 高精度SPWM变频控制器软件系统设计2005.414刘萍莉 变频恒压供水控制器的设计 2005年3月15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 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