智能恒压供水系统的设计学士学位论文.docx
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智能恒压供水系统的设计学士学位论文
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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
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
ABSTRACT
Thepaperhasachievedwatersupplywithconstantpressurebyfuzzy-PIDcontrollerinthewatersupplysystemduetotheshortcomingofthetraditionalwatersupply.Thesystemhasthemethodsoflowcost,easytobeusedandsavingsupplyenergy,andsoon.
ThispaperadoptsfuzzyPIDcontrolalgorithmwhichcombinesfuzzycontrolandPIDcontrolaccordingindividualcharacteristicandtheoryeffectivelygetsovertheirdisadvantage,atthesametime,preservingtheirmerits.Themethodsofthefuzzy-PIDcontroller,system-controlling,failure-detecting，states-displayingaredescribedindetails.
Keywords:
fuzzy-PID；watersupplyingwithconstantpressure；variedfrequencycontrolling；SCM
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
1.2.4.1PID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A。
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
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
3.1PID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
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