供水管道恒压智能控制系统设计.zip

浙江工业大学浙西分校浙江工业大学浙西分校 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 课题名称：课题名称：智能恒压供水系统设计 学生姓名：学生姓名：陈永生 系系 （部）：（部）：信息与电子工程系 专业班级：专业班级：03 工自(1)班 指导教师：指导教师：黄云龙、朱秋琴、廖东进 职职 称：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） I 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 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） II ABSTRACT The 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 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） III 目 录 第一章 绪 论.1 1.1 引言.1 1.2 恒压供水技术的发展现状.1 1.2.1 单片机技术现状.1 1.2.2 变频调速技术在恒压供水技术中的发展状况.1 1.2.3 模糊控制理论在恒压供水系统中的应用.2 1.2.4 控制器发展现状.2 1.3 课题来源，研究内容及研究结果.3 1.4 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.5 2.1 变频器的控制方式.5 2.2 变频调速的节能、调速原理.5 2.3 系统的方案设计.7 2.4 系统工作过程.8 第三章 PID 控制与模糊控制原理.10 3.1 PID 控制.10 3.2 模糊控制.10 3.2.1 模糊控制的基本思想.11 3.2.2 模糊控制系统组成.11 3.3 模糊控制器.11 3.4 模糊控制器设计.12 3.5 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.18 4.1 系统概述.18 4 .1.1 系统的组成.18 4.1.2 系统优点.20 4.2 控制系统的工作原理.20 4.3 系统的控制原理.21 4.4 控制器的硬件系统设计.22 4.4.1 恒压变频控制板设计 .22 4.4.2 人机界面设计.26 4.4.3 前向输入通道和后向输出通道设计.28 4.4.4 电机控制电路设计.29 4.4.6 压力检测电路设计.30 第五章 系统的软件设计.32 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） IV 5.1 系统方案的规划与设计.32 5.1.1 本系统实现的主要功能.32 5.1.2 本系统中单片机内的资源规划.32 5.2 系统运行主程序.33 5.3 故障检测子程序.34 5.4 键盘处理子程序.34 5.4.1 按键连击的处理.34 5.5 压力测量子程序.35 5.6 模糊控制子程序.35 5.7 水泵故障检测子程序.35 5.8 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.39 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -1- 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。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -2- 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 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） -3- 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