PAGE24-摘要小區的不斷擴建與改造，樓房層數的不斷加高，我國居民用水難問題越來越突出，大部分地區普遍存在著用水高峰期高層供不上水，高層居民經常出現用水難問題，給生活帶來極大不便。針對上述問題，本文研制了變頻調速恒壓供水控制器，通過控制變頻器的輸出頻率從而自動調節水泵電機的轉速，來實現恒壓供水。同時達到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。采用該供水系統不需建造高位水箱，水塔，水質無二次污染。本文根據模糊控制和PID控制的特點及其原理，把模糊控制和PID控制結合起來，形成模糊PID控制，有效的克服了它們的缺點而發揮了它們的優勢。本文詳細闡述了該系統中模糊PID控制器的實現方法、系統的各種控制、故障檢測以及狀態顯示關鍵字:模糊PID控制恒壓供水、變頻控制、單片機。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.目錄TOC\o"1-3"\h\z摘要 IABSTRACT II目錄 III第一章緒論 11.1引言 11.2變頻調速技術現狀 11.2.1模糊控制技術現狀 21.2.2單片機技術現狀 31.3項目來源，研究內容及研究結果 3第二章變頻恒壓供水控制器的總體設計 42.1系統概述 42.1.1系統的組成 42.1.2系統優點 62.2.1變頻器的控制方式 62.2.2控制系統的工作原理 72.3系統的控制原理 92.4控制器的硬件系統設計 92.4.1硬件總體說明 92.4.2恒壓變頻控制板設計 102.4.3單片機主控制電路設計 102.5人機界面設計 152.6電機控制電路設計 172.7故障檢測電路設計 182.8壓力檢測電路設計 19第三章主要硬件設備介紹 213.1變頻器的控制原理 213.2系統的方案設計 243.3系統工作過程 25第四章PID控制與模糊控制 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模糊控制系統組成 294.3模糊控制器 304.3.1模糊控制器的結構 314.3.2模糊控制系統的Simulink仿真 35第五章系統的軟件設計 375.1系統方案的設計 375.2系統運行主程序 385.3故障檢測流程圖 395.4鍵盤處理子程序 405.5壓力測量子程序 405.6模糊控制子程序 415.7模數轉換(A/D壓力數據采集)子程序 425.8水泵故障檢測子程序 42結論與展望 43參考文獻 44致謝 46第一章緒論1.1引言隨著社會經濟的迅速發展，水對人民生活與工業生產的影響日益加強，居民對供水的質量和供水系統可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統的新要求。智能恒壓供水系統集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體。，這在能量日益緊缺的今天尤為重要。而本文就針對小區供水系統的實際情況，選用單片機模糊PID控制器和變頻器組成模糊PID恒壓供水系統，充分利用單片機技術，模糊PID控制技術和交流變頻技術等高新技術，不但使水壓保持恒定，節電節水采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的集中管理與監控;同時系統具有良好的節能性，具有良好的經濟和社會效益。1.2.變頻調速技術現狀20世紀是變頻調速技術由誕生到發展的時代，特別是20世紀90年代以后，IGBT,IGCT(集成門極換向性晶閘管)等新型電力電子器件的發展，DSP(數字信號處理器)和ASIC(專用集成電路技術)的快速發展以及新穎控制理論和技術(如磁場定向矢量控制，直接轉矩拉制等)的完善，使變頻調速系統在調速范圍，調速精度，動態響應，功率因數，運行效率和使用方便等性能指標超過了支流調速系統，達到了取代直流調速的地步，受到各行業的歡迎，并取得顯著的經濟效益。目前，變頻調速技術以顯著的節電效果，優良的調速性能以及廣泛的實用性，而成為電器傳動的發展主流方向，變頻調速技術涉及到電機，電力電子技術，微電子技術，信息技術與控制技術等多個領域。變頻調速系統中PWM技術的發展:PWM控制是變頻調速系統的核心，任何拉制算法幾乎都是以各種PWM控制方式實現。九十年代以來的產品，正弦形PWM(SPWM)調制方法已逐步為以下方式取代:快速電流跟蹤PWM技術:快速電流跟蹤型PWM逆變器為電流控制型的電壓源逆變器，一般采用滯環電流控制、使三相電流快速跟蹤指令電流。該逆變器硬件簡單，電流控制響應快，兼有電壓和電流控制型逆變器的優點，普遍用于PMSM伺服系統和異步電動機矢量變換拉制系統。磁鏈跟蹤控制PWM技術:這種方法把逆變器和電動機視為一體，以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機理想的圓形磁場為基準，用逆變器不同開關模式所產生的實際磁鏈矢量來跟蹤基準磁鏈圓，由跟蹤結果決定逆變器的開關模式，形成PWM波。由于磁鏈的軌跡是靠空間矢量的選擇來實現，因此又稱電壓空間矢量法。直接轉矩的智能拉制PWM技術:常規的直接轉矩PWM技術無法區別轉矩、磁鏈的非常大的偏差和相對小的偏差，這將造成電機啟動期間系統的停滯.而采用智能控制中的模糊控制，可以通過定子磁鏈的空間位置，由一系列偏差的正大，正小等模糊語言，根據模糊規則推出逆變器的開關模式，使系統性能改善。雙PWM控制技術:交-直-交電壓型逆變器是目前最廣泛使用的型式，但常對電網構成諧波污染。自前雙PWM控制技術的研究非?；钴S，即由PWM整流器和PWM逆變器組成的雙PWM變頻器無須任何附加電路就可使電網側的輸入電流接近正弦波，使系統的功率因數約為1，徹底消除網側的諧波污染，并實現了四象限運行。矢量變換控制技術:自1971年矢量變換技術控制理論建立以來，以轉子磁場定向，采用矢量變換的方法，實現異步電動機轉速和磁鏈控制的完全介藕。從而使異步電動機具有和直流電動機一樣優良的控制性能。該技術得到了廣泛地應用。1.2.1模糊控制技術現狀模糊控制是以模糊集合理論為基礎的一種新興的控制手段，它是模糊系統理論和模糊技術與自動控制技術相結合的產物。將模糊集合理論運用于自動控制而形成的模糊控制理論，在近年來得到了迅速的發展，其原因在于對那些時變的非線性的復雜系統，當無法獲得精確的數學模型的時候，利用具有智能的模糊控制器能給出有效的控制。例如，在煉鋼，化工，人文系統，經濟系統以及醫學心理系統中，要得到正確而且精密的數學模型是相當困難的。對于這些系統卻具有大量的以定性的形式表示的極其重要的先驗信息，以及僅僅用語言規定的性能指標。同時，要求過程的操作人員是系統的基本組成部分等。所有這些都是一種不精確性，應用一般的控制理論是很難實現拉制的，但是，這類系統由人來控制卻往往容易做到。這是因為過程操作人員的拉制方法是建立在直觀的和經驗的基礎上，他們憑借實踐積累的經驗，采取適當的對策完成控制任務。于是，人們把操作人員的控制經驗歸納成定性描述的一組條件語句，然后運用模糊集合理論將其定量化，使控制器得以接受人的經驗，模仿人的操作策略，這樣就產生了以模糊集合理論為基礎的模糊控制器。模糊控制理論的提出是控制思想的一次深刻的變革，它標志著人工智能發展到了一個新的階段。目前，國內外科技界，企業界和政府部門都特別關注“模糊”領域，模糊技術既是一個學術熱點又是一個開發熱點，模糊技術成果和產品也逐漸由實驗室走向社會，取得了明顯的社會效益和經濟效益。而模糊拉制技術，這門由模糊數學、計算機科學、人工智能、知識工程等多門學科領域相互滲選而形成的理論性很強的科學技術，正以前所未有的步伐涉入到相當關泛的領域之中，其中包含交流伺服系統，液位系統，工業機器人，可編程控制器，天氣預報，圖象識別，醫療診斷，家用電器等領域。歸納起來，模糊控制技術現狀如下:(1)模糊控制器的構造1/采用傳統的單片機或微型機作為物理基礎，編制相應軟件來實現模糊推理和機制。2/用模糊單片機或集成電路芯片構造模糊控制器，利用配置數據來確定模糊控制器的結構形式。3/采用可編程門陣列構造模糊控制器。(2)模糊信息與精確信息轉換的物理結構和方法模糊信息與精確信息轉換問題，目前基本上采用A/D，D/A轉換技術。(3)模糊控制器對外界環境的適應性及適應技術對外界環境的適應性問題，目前還沒有一種專門的良好技術，大多還是采用傳統的技術或依賴傳統的工藝水平。(4)實現模糊控制系統的軟技術軟技術主要包括系統的仿真和實際工作軟件等，目前，世界上已有多種仿真軟件出現，如Neuralogix公司的產品。(5)模糊控制器和被控對象的匹配技術模糊控制器和被控對象的匹配技術仍然依賴于人們的經驗。1.2.2單片機技術現狀單片微型計算機簡稱為單片機，是在一塊芯片上集成了一臺微型計算機所需的CPU、存儲器、輸入/輸出部件和時鐘電路等。自問世以來，性能不斷提高和完善，加之具有集程度高，功能強，體積小，供耗低，性能可靠，價格低廉等特點，因此，在工業控制、智能儀器儀表、數據采集和處理、通信系統、高級計算機、家用電器等領域的應用日益廣泛，并且正在逐步取代現有的多片微機應用系統，數字單片機的位數越來越多，精度也越來越高。另外，在需要極高響應速度的控制場合，還出現了模糊單片機，它是專門執行模糊邏輯信號的器件，具有極高的模糊推理速度。今天，還出現了不少高級語言的開發工具，這些系統經過仿真可在更高的開發平臺上進行快速的開發，為單片機的廣泛應用鋪平了道路。所以，在未來的社會主義工業化建設中，單片機無疑會發揮更大的作用。1.3項目來源，研究內容及研究結果(1)項目來源:本項目來源于小區供水的實際應用。(2)研究內容:本設計研究了在主芯片為單片機的模糊變頻自動控制恒壓供水系統中，如何用模糊算法實現水壓的自動控制，達到設定值要求;除此之外，在硬件電路設計上考慮如何采用各種措施減小系統干擾，提高系統的穩定性，可靠性。(3)研究結果：經過研究設計，實際運行，該系統具有以下基本功能:1/用戶可自行設定水壓2/恒壓供水3/具有故障檢測功能，當水泵出現故障或無水時，可自動報警。4/可顯示當前水壓5/系統死機時，可自動復位恢復工作。6/使用模糊算法，系統響應時間可達到預期效果。

第二章變頻恒壓供水控制器的總體設計2.1系統概述給水行業為貫徹《城市供水行業2000年技術進步發展規劃》中提出的“二提高三降低”（即提高供水水質，提高供水安全可靠性，降低能耗、降低漏和降低藥耗）的奮斗目標和要求。由此，住宅小區的給水系統已逐步取消了高位水箱，而采用變頻調速供水，克服了傳統供水方法的缺點。這種供水方式既滿足供水安全，又避免水質的二次污染。對于多層住宅來說，是一種比較完善的供水系統。目前的自動恒壓供水系統應用的電動機調速裝置均采用交流變頻技術，而系統的控制裝置采用以單片機為基礎的供水控制器，因單片機系統不僅可實現泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統的數字PID調節功能，可對系統中的各種運行參數、控制點的實時監控，并完成系統運行工礦的LED顯示、故障報警等功能。自動恒壓供水系統還具有標準的通訊接口，可與城市供水的上位機聯網，實現城區供水系統提供了現代化的調度、管理、監控及經濟運行的手段。在自動恒壓供水系統中，由于管網是封閉的，泵站供水的流量是由用戶用水量決定的，泵站供水的壓力以滿足管網中壓力最不利點的壓力損失。根據反饋原理：要想維護一個物理量不變或基本不變，就應該引這個物理量與恒值比較，形成閉環系統。我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環系統。但被控制的系統特點是非線性、大慣性的系統，現代控制和PID相結合的方法，在壓力波動較大時使用模糊控制，以加快響應速度；在壓力范圍較小時采用PID來保持靜態精度。2.1.1系統的組成系統由變頻器、控制器、傳感器、水泵電機及相關電氣控制設備集成而成，是一種具有變頻調速和全自動閉環控制功能的機電一體化智能設備。它可同時對一臺或多臺三相380/220V、50/60Hz異步電動機進行變頻調速和閉環控制，其系統組成示意圖如圖2-1所示。圖2-1自動恒壓供水系統結構框圖從上圖中我們可以看到，自動恒壓供水控制系統的基本控制策略是：采用電動機調速裝置與供水控制器構成控制系統，進行優化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環控制在管網流量變化時達到穩定供水壓力和節約電能的目的。整個系統的具體工作流程為：系統通過安裝在出水總管上的壓力傳感器，將供水管網的非電量信號（動態壓力）轉變成電信號，輸入至供水控制器的輸入模塊，信號經單片機運算處理后與設定的信號進行比較運算，得出偏差值，再經過PID處理得出最佳的運行工況參數，并將其轉換成模擬信號，由系統的輸出模塊輸出變頻器的頻率設定值至變頻調速器，變頻調速器控制水泵的轉數來調節管網內的實際壓力值趨向于設定壓力值，從而實現閉環控制的恒壓供水。對于多臺泵調速的方式，控制器控制泵站投運水泵的臺數及變量泵運行工況，并實現對每臺水泵根據CPU指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。系統通過計算判定目前是否已達到設定壓力，決定是否增加（投入）或減少（撤出）水泵。即：當一臺水泵工作頻率達到最高頻率時，若管網水壓仍達不到預設水壓，則將此臺泵切換到工頻運行，變頻將自動啟動下一臺水泵，控制其變頻運行。此后，往復工作，直至滿足設定壓力要求為止。反之，若管網水壓大于預設水壓，控制器控制變頻器頻率降低，使變頻低于下限時自動切掉一臺工頻泵或此變頻泵，始終使管網水壓保持恒定。進入消防余興時，按下消防按扭，所有水泵逐臺切入工頻運行保證消防用水壓力，用戶可在適當地方外加消防按扭，以保證迅速切入工頻狀態?？傊?，系統可根據用戶用水量的變化，自動確定泵組的水泵的循環運行，以提高系統的穩定性及供水的質量。下面我們對系統的各組成部分分別加以介紹：由水泵-管道供水原理可知，調節供水流量原則上有兩種方法：一是節流調節，開大供水閥，流量上升；關小供水閥，流量下降。二是調速調節，水泵轉速升高，供水流量增加；轉速下降，流量降低，對于用水流量經常變化的場合（例如生活用水），采用調速調節流量，具有優良的節能效果，本文所采用的就是后一種方法，即調速調節方法。水池：在這我們所要做的工作是對其水位進行監測，當水位過低時就產生報警信號，再通過繼電器把報警信號傳給單片機，單片機控制報警燈亮同時發出報警聲，同時停泵保護。水泵：水泵電機是輸出環節，轉速由變頻器控制，實現變流量恒壓控制，在這些水泵中，一般只有一臺變頻泵。當供水設備供電開始工作時，先啟動變頻泵，管網水壓達到設定值時，變頻器的輸出頻率則穩定在一定的數值上。每臺水泵均采用星-三角的啟動方式，各水泵之間實行變頻循環軟啟動。軟啟動可減小電動機硬啟動（即直接起動）引起的電網電壓降，使之不影響其它電氣設備的正常運行，可減小電動機的沖擊電流，沖擊電流會造成電動機局部溫升過大，降低電動機壽命，可減小硬起動帶來的機械沖力，沖力加速所帶來的傳動機械（軸，齒合、齒輪等）的磨損，減少電磁干擾，沖擊電流會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運行。軟起動使堤岸動機可以起停自如，減少空轉，提高作業率，因而有節能作用。傳感器：將其安裝在水池與用戶之間的出水管道上，它的任務是實時地測量參考點的水壓檢測管網出水壓力，并將其轉換成4~20mv的電信號，再將此信號傳給A/D芯片進行處理。變頻器：它的作用是接收PID控制器的信號，為水泵電機提供可變頻率的電源。供水控制器：這是本文主要研究內容，將在后面的章節詳細地加以論述。2.1.2系統優點1、恒壓供水技術因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調節水泵轉速改變水泵出口壓力，比靠調節閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。2、由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。3、因實現恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節省了人力。4、水泵電動機采用軟啟動方式，按設定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速再成泵系統的喘振。5、由于變量泵工作在變頻工作狀態，在其運行過程中其轉速是由外供水量決定的，故系統在運行過程中可節約可觀的電能末期經濟效益是十分明顯的。由于其節電效果明顯，所以系統具有收回投資快，而長期受益，其產生的社會效益也是非常巨大。2.2.1變頻器的控制方式變頻器的發展已有數十年的歷史，在變頻器的發展過程中也曾經出現過多種類型的變頻器，但目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖2—2所示的基本結構。圖2—2變頻器的基本結構變頻調速的控制方式經歷了V/F控制、轉差頻率控制、矢量控制的發展，前者屬于開環控制，后兩者屬于閉環控制，正在發展的是直接轉矩控制。1、V/F控制異步電動機的轉速與定子電源頻率f和極對數有關，改變f就可以平滑的調節同步轉速，但是頻率f的上升或者下降可能會引起磁路飽和轉矩不足的現象，所以在改變f的同時，還需要調節定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動機的效率不下降，這就是V/F控制。V/F控制簡單，通用性優良。2、轉差頻率控制由電機學的基礎知識可知，異步電動機轉矩M與氣隙磁通Φ、轉差頻率f2的關系為：(2-1)只要保持氣隙中磁通Φ一定，控制轉差頻率f2就可以控制電動機的轉矩，這就是轉差頻率控制。3、矢量控制 矢量控制是在交流電動機上模擬直流電動機控制轉矩的規律，將定子電流分解成相應于直流電動機的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進行任意控制。矢量控制能夠對轉矩進行控制，獲得和直流電動機一樣的優良的調速性能2.2.2控制系統的工作原理供水管網中的流量和壓力是隨著用戶用水量的改變而不斷變化的，而改變泵電機的轉速就可以提高供水壓力或減少供水壓力。所以，為了保持出口供水壓力恒定就必須根據用水量的大小不斷改變電機的轉死。三相交流電機的轉速公式為：(2-2)式中n為電機轉速，f為定子供電頻率，s為轉差率（s0.02），p為電機的極對數。由公式可見，水泵轉速=n正比于供電頻率，因此，連續地改變電機定子的供電頻率就可以平滑改變電動機的轉速，從而達到天界速度的目的。由流體力學知：管網壓力P，流量Q和功率N的關系為N=PQ，而功率與水泵轉速n成三次方的正比關系。圖2中的n族曲線為不同功率（轉速）下水泵P=F（Q）特性曲線上的不同點，其管阻是不同的。因為有公式：Q=式中，K為管阻系數，對某恒定管阻，K為常數，圖2-3中β族曲線為不同管阻時的P=F（Q）曲線，同一曲線上的不同點，其功率是不同的。圖2-3水泵的特性曲線圖2-4恒壓過程分析圖由圖2-4可見：設定壓力值為，初始用水量為工作點為檢，可假定用戶需要用水量為打開閥門（可定打開時間t0），管阻將突然變化，點沿線下降，在未下降至只前，壓力傳感器以將檢測到的下降壓力PID控制器，經比較處理后，輸出一個令變頻器頻率升高的信號，從而水泵轉速升高，工作點不會降至，而是沿著β曲線升至，達新的穩態。實際上，用水量是不會突變的。管阻不會一下下降很多，實際工作情況如圖2-5所示?！鱌=P0-P1由管阻變化時間和系統的響應時間決定。圖2-5變頻調速供水原理為了保持電機在調速時最大轉距不變，需要維持磁通恒定，這就要求定子供電電壓也作相應的調節，而VVVF變頻器可以滿足這個要求，根據上述和用戶要求設定供水系統壓力，并在供水出口處設置壓力傳感器，隨時檢測用戶用水情況，然后將檢測的壓力與設定壓力相比較，經控制器運算，輸出通過變頻器改變泵電機轉速，使輸出壓力始終保持在恒定壓力。其閉環控制原理如圖2-6所示。圖2-6變頻恒壓供水系統閉環控制系統框圖2.3系統的控制原理該變頻恒壓供水控制器以單片機為核心，在水泵的出水管道上安裝一個壓力傳感器，用于檢測管道壓力，并把出口壓力變成0~5V或4~20MA的模擬信號，送入單片機進行數據處理。單片機經運算后與設定的壓力進行比較，得出偏差值，再經PID調節得出控制參數，經D/A轉換變成0~5V或0~10V的模擬信號，送入變頻器中，以控制其輸出頻率的大小，以此改變水泵的電機轉速，從而達到控制管道壓力的目的。當實際管道壓力小于給定壓力時，變頻器輸出頻率升高，電機轉速加快，管道壓力升高；反之，頻率越低，電機轉速減小，管道壓力降低。其變過程可以表示如下：檢測壓力↓→控制器輸出↑→變頻器頻率↑→電機轉速↑，反之相反，最終達到恒壓。2.4控制器的硬件系統設計2.4.1硬件總體說明整個系統電控部分以ATMEL公司的AT89C52為核心芯片，這種芯片內置有4K的EPROM，具有控制信號采集、處理、輸出三個功能。因為系統要求控制線較多，如果采用8031外置EPROM程序控制結構，則會造成控制線不夠；而AT89C52卻可以利用P0、P1口作控制總線，大大簡化了硬件結構，并可以直接控制鍵盤參數輸入、LED數據顯示，方便現場調試和維護，使整個系統的通用性和智能化得到很大地提高。其硬件結構框圖如圖2-7所示。硬件原理框圖如圖所示。下面詳細介紹一下各部分硬件電路的組成和功能。圖2-7變頻恒壓供水系統的硬件結構框圖2.4.2恒壓變頻控制板設計恒壓控制板設計主要包括基于AT89C52的單片機主控制電路設計、輸入信號調理與轉換設計、人機界面設計和模數（A/D）和數模（D/A)設計。2.4.3單片機主控制電路設計單片機主控制電路以AT89C52單片機作為可以變成微控制器核心，在外部晶體振提供的12MHZ工作頻率下開始工作，內部通過編程實現模糊PID控制。外部電路設計包括：擴展并口，擴展串口，擴展存儲器，地址鎖存，看門狗電路，報警電路。設計各模塊設計的具體介紹如下：（1）微控制器由于整個系統的工作速度要求不高，采樣處理速度為每秒5次，本設計采用技術成熟，穩定性能好，性價比極高的AT89C52足已滿足性能要求。C52單片機內部資源比較豐富，包適：8K的片內ROM，256個字節的RAM32根I/O并口1個UART串口，中斷線有6根，內部定時器有3個16位的定時妻/計數器等資源[1][2][3]本設計把P0口作為主要數據/地址總線端口接74LS373地址鎖存器；P2口哦主要用語控制擴展串口和產生重要的片選信號；P1口主要做鍵盤輸入端口和其他的一些狀態控制信號。單片機內部ROM用于燒寫整個控制系統的主程序，各種處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等重要引腳接法見圖2-8。圖2-8單片機借口電路（2）擴展并口由于C52單片機的并口資源較少，又由于人機界面中的顯示模塊要占用很多的并口（要3個8位并口），為解決這一矛盾，本設計采用8255A擴展并口，把8255A設置成工作方式0（直接傳輸，不需要C端口來控制），3個并口PA，PB，，PC都定義成輸出，驅動顯示和報警。擴展電路如圖2-9所示。圖2-9擴展并口電路圖 基于系統集成的考慮，該數字模塊可以用VHDL實現。由于該數字模塊設計比較復雜，針對擴展并口的應用，本設計用VHDL只實現了工作方式0的8255具體設計如下1.8255A的結構8255A芯片結構圖如圖2-10所示。由內部結構圖可知8255主要由以下幾個基本部件組成圖2-10并口8255內部結構與外部連接8255內部結構由4部分電路組成。他們是A口，B口，C口。A組控制器和B組控制器，數據緩沖器及讀寫控制邏輯。具體介紹如下：(1)A口，B口和C口：A口，B口和C口均為8位I/O數據口，但結構上略有差別。A口由一個8位數據輸出緩沖/鎖存器和一個8位數據輸入緩沖/鎖存器組成，B口和C口各有一個8位數據輸出緩沖/鎖存器和一個8位數據輸入緩沖器（無輸入數據鎖存器，故B口不可在模式2下工作）組成。(2)A組件控制器和B控制器：都有控制字寄存器和控制邏輯組成?？刂谱旨拇嫫鹘邮蹸PU送來的控制字，用于決定8255A的工作模式，控制邏輯用于對8255A工作模式的控制。A組控制字寄存器控制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)數據緩沖器：這是一個雙向8位緩沖器，用于傳送C52和8255A的控制字，狀態(4)讀寫控制邏輯：這部分電路可以接受C52送來的讀寫命令和選口地址，用于控制對8255A的讀寫。2.8255A的引腳功能8255A共有40條引腳線，采用雙列直捅式封裝。(1)數據總線8條：AD7～ADO為數據總線，JIJ于傳送CP[J和8255A間的數據、命令字和控制字。(2)控制總線6條：RESET：復位線，高電平有效。CS：片選線，低電平有效。RD和WR：RD為讀命令線，WR為寫命令線，皆為低電甲有效。A0和Al：地址輸入線，用丁選中A口、B口、C口和控制寄存器中哪一個工作。上述控制線對8255A端口和工作方式的選擇見表圖表2．18255A控制信號功能表(3)并行I／O總線(24條)：PA7～PA0：雙向I／O總線，用來傳送I／O數據，可以設定為輸出方式，也可以設定為輸出／輸入雙向方式，由控制字決定。PB7～PB0：雙向I／O總線，用來傳送I／O數據，也可設定為輸出或輸入方式，有控制字決定。PC5~PC0：雙向數據/控制總線，用來傳送I/O數據或控制/狀態信息，可以設頂為輸出或輸入方式，也可以設定為控制/狀態方式，由控制字決定。(4)電源線（2）條：VCC為+5V電源線，允許變化+-10%；GND為地線。3.8255A的控制字和工作模式8255A有兩個控制字：方式控制字和C口單一置復位控制字。用戶通過程序可以把這兩個控制字送到8255A的控制字寄存器(AlA0=11B)，以設定8255A的工作模式和C端口的工作模式和C端口各位狀態。這兩個控制字以D7位狀態作為標志。8255A有三種工作模式：模式0(Mode0)、模式1(Mode1)和模式2(Mode2)，通過8255A方式控制字，用程序送到8255A的控制寄存器即可設定工作模式。(1)模式0：8255A的A口、B口和C口均可設定為模式O，并可根據需要規定各端口為輸入方式或輸出方式。因此在模式0下C25可對8255A進行I／0數據的無條件傳送，外設的I／0數據可以在8255A的各端口得到鎖存和緩沖。模式0屬于基本輸入／輸出方式。(2)模式l：模式1有選通輸入和選通輸出兩種工作方式，A口和B口皆可獨立的設置成這種工作方式。在模式l下，8255A的A門和B口通常用于傳送與它們相連的外設的I／O數據。C口用于A口和B口的握手聯絡信號，以實現中斷方式傳送I／0數據。(3)模式2：模式2只有A口才能設定。在模式2方式下，PA7-PA0為雙向I/0總線。模式2特別適用于像終端一類的外部設備，因為這些設備有時需要把鍵盤輸入的編碼信號通過A口送給CPU，有時CPU又需要把數據通過A口送給終端顯示[4][5]。4.8255A的初始化根據本系統的具體要求，8255A的A口用于輸出設定壓力值到顯示端、B口于輸出適時壓力變化量到顯示端和C口于各種報警控制線等均為輸出模式。因此我們選擇8255A的工作模式為模式0。所以8255A的模式控制字為80H控制字寄存器選口地址為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）地址鎖存電路設計74LS373用于對繼電器輸出狀態硬件鎖存，以防止輸出狀態被干擾。（如圖2-11所示）同時在74LS373的CLEAR管腳外接了RC電路，用于開機上電時清零74LS273的輸出端，可以防止繼電器的誤動作，對變頻器起到保護作用。圖2-11（4）設計為了實時監控電源狀態，出現故障能自動產生復位信號，本設計采用MAX1232看門狗電路，同時也能通過R鍵實現手動復位。其接法見圖2-11。圖2-11看門狗電路（5）報警電路設計MC1413為七達林頓結構非門，具有集成度高、性能可靠、靜態功耗電流低、抗干擾能力強等特點，其工作電壓范圍3~18V，輸出電流200mA，由于輸入阻抗高，故輸入電流在1ｕA以下，最高時鐘頻率可達10MHZ。利用MC1413和繼電器組形成簡單的“0-1”裝置（如圖2-12所示）來控制水泵電機的起停和報警信號。5.模數（A/D）和數模（D/A)電路設計圖2-12的電路不僅能完成A/D轉換的功能，還能完成D/A轉換的功能。D/A轉換器一共有4個信道，除進行A/D轉換占用一個外，D/A轉換可以任用其它的三個，只是在程序上稍有分別。每個信道的輸出端可接電壓電流變換裝置來控制變頻器，進一步控制三個泵的電機的轉速和變頻電網。對D/A轉換器的操作指令為11位二進制數，頭三位代表輸出信道，后8位為要轉換輸出的數據。對程序的操作可以滿足任意選擇信道進行電壓輸出。當電壓輸出變大時，后接的變頻器電流相應變大，使泵加速，從而所控制的水壓增大;反之減速，水壓減小。由此AT89C52可以通過D/A轉換器、電壓電流變換器、變頻器實現對水泵的控制，使水壓保持在壓力設定值，達到恒壓供水的目的。圖2.12AT89C52同雙8位串行D/A連接圖2.5人機界面設計人機界面設計如圖2-13所示，主要本鍵盤輸入和顯示模塊圖2-13人機界面A：管路壓力顯示（紅色）B：壓力設定顯示（黃色）C：異常故障指示缺水失壓SENSOR故障時燈亮D：手動交替指示E：驅動A機運轉的信號輸出F：驅動B機運轉的信號輸出G：Alarm報警1H：Alarm報警2I：交替切換鈕J：參數設定選擇鈕K：設定值增加鈕L：設定值減少鈕M：恢復鈕（1）顯示模塊實現圖2-14顯示模塊電路R鍵（復位鍵）在看門狗電路設計中已實現，圖2-15電路圖實現：A/B鍵（A、B水交替切換鍵）、MANU鍵（參數設定選擇鍵）、鍵（設定值增加鍵）鍵（設定值減少鍵）。當有鍵按下，則輸出‘0’信號，經“與門”得出INT1=‘1’，即有鍵按下時，生產外部中斷觸發單片機馬上處理新的鍵盤輸入數據。圖2-15鍵盤設計電路因為按鍵大多數是機械式的開關結構，雖然只是按一次就放開，但在開關切換的瞬間會出現在接觸點出現彈跳的現象，因此按鍵信號穩定的前后會出現一些不該出現的噪聲。為了消除按鍵的不良噪聲，又由于一般人的按鍵速度最多10次／秒，即一次按鍵的時間1~lOOms，所以按下的時間估算為50ms，如果取樣信號KEY—SAMPLE周期為8ms，那么最多可以取到6次。對丁不穩定噪聲在4ms以下，最多只能取樣一次。所以本設計在周期為8ms的采樣時鐘控制下，采用兩級D觸發器延時后，抽取兩個信號DO毫D1進行處理，再輸入到RS觸發器，根據RS觸發器原理，R，S分別為“0．0”時輸出保持?！?，l”時，輸出為l；“l，0”時輸出為0。只有兩次取樣值不變才能輸出，否則保持原先狀態：從而得到經消抖處理的按鍵信號。按鍵消抖電路如圖2-16所示。圖2-16按鍵消抖電路圖中的KKl表示其中一個輸入的按鍵信號，KEY—SAMPLE表示的是采樣時鐘，經消抖處理的K1。按鍵消抖電路功能仿真如圖2-21所示，可見，通過彈跳消除電路的輸入信號KKl，經過取樣脈沖KEYSAMPLE取樣后，按鍵開關前后的噪聲脈沖消除了，得到無噪聲的按鍵信號K1。由于其它按鍵的消抖均與上述方法相同。此處從略。多個消抖模塊最終集成FPGA中，其中R—S觸發器的時鐘CP由FPGA內部提供[7][8][9]。2.6電機控制電路設計電機控制部分分為強電部分和弱電部分。因為強電部分工作在大電流、大電壓狀態下，而且主要與所提供的水泵、氣泵等外圍設備有關，不屬于本設計范疇之內所以將不對其進行詳細的介紹。下面重點說明弱電部分，也就是和89C52相關聯的一部分電路，主要有電壓、電流轉換電路和變頻器e89C52對電機的控制是通過對D/A系統和變頻器的控制實現的?？刂菩畔⒂蒁/A裝置轉換為電壓量，但變頻器對電機的控制是通過調節電流實現的，這就需要一種電路，使輸入的電壓量適當地轉變成為電流量，其功能實質就是一個壓拉電流源(見圖2.23)。圖中包含兩個集成運算放大器和一個使用在共集極狀態下的三極管(射極跟隨器)，A為電壓輸入端，P6為電流輸出端。電容C4和電阻組成低通濾波網絡。根據放大器虛短、虛斷原理，有(1)式成立;流過發射極的電流由電阻R1的上端電壓Ut和電壓U10共同決定，由歐姆定理得(2)式。(2-3)(2-4)(2-5)通過上式，可以看出當RA.凡電阻值非常大時(幾十千歐)A.C通路中電流近似為0。不難推出U12=U10;調節電阻RA,RB,RD，根據放大倍數有Ut=2U10根據(2.2)式，電壓量有效的轉換成為電流量，輸出的電流量將交給變頻器管理。圖2.17電壓電流變換電路2.7故障檢測電路設計（1）故障檢測電路本系統的故障檢測功能并不是對系統本身(數字部分、模擬部分)而設立的，它的主要目的是監視和控制工作中的電機和工作的環境是否達到要求(是否有水)。在系統上電工作時，主程序開始啟動，它除了控制電機，給電機加速、減速以使實際水壓達到用戶設置的預定值外，它還要處理來自故障檢測電路發出的中斷信號.圖2-18即為故障檢測電路的一部分，當水泵無故障時熱繼電器al,a2,a3不會吸和，A,B,C端與地端斷開，輸出為高電平;當水泵非正常工作時，圖中的熱繼電器就會吸和，則A.B.C三端至少有一端會與地端導通，輸出低電平。A,B,C分別代表了水泵1,水泵2和水泵3oA,B,C哪一端輸出電平為低就說明哪一個水泵發生了故障A,B,C端分別和單片機89C52相連，輸入的信號經過89C52判斷、輸出如果認為哪一個水泵放生了故障，就點亮相應的警示燈或發光二極管、蜂鳴器，提示工作人員排除故障。(2)熱繼電器熱繼電器的作用是對電機進行過流保護。電機正常工作時，互感器的電壓輸出較小，繞阻溫度低于限值;當電機過載運行一段時間后，繞阻升溫達到限值，此時熱繼電器運作使電動機短電，從而保護電動機。圖2-18故障檢測電路圖2.8壓力檢測電路設計壓力檢測部分電路主要由傳感器和信號調節轉換電路組成。(見圖2-19)傳感器是能夠規定被測量并按著一定的規律將其轉換成可用輸出信號的器件或裝置.通常由敏感組件和轉換組件組成。傳感器的輸出信號有很多形式:電壓、電流、頻率、脈沖等。輸出信號的形式由傳感器的原理確定.常見的信號調節與轉換電路:放大器、電橋、震蕩器、電荷放大器等。該設計采用電阻式遠傳壓力表作為傳感器，直流電橋、差分放大器作為信號調節和轉換電路。圖中SR為傳感器，滑動變阻器為調零電阻。當水壓為0時電橋輸出應為0V，但有時因為其它原因電橋輸出不為0，這時就要適當調節滑動電阻器Rh使電橋輸出為0V。設滑動變阻器為Rh電源電壓為U,輸出電壓為Uo，輸出端兩端電壓分別為U1、U2，則電橋輸出電壓和電源電壓的關系為:(2-6)(2-7)(2-8)圖2-19壓力檢測電路圖

第三章主要硬件設備介紹變頻器的發展已有數十年的歷史，在變頻器的發展過程中也曾經出現過多種類型的變頻器，但目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖2—1所示的基本結構。3.1變頻器的控制原理變頻調速的控制方式經歷了V/F控制、轉差頻率控制、矢量控制的發展，前者屬于開環控制，后兩者屬于閉環控制，正在發展的是直接轉矩控制。圖3—1變頻器的基本結構變頻調速的控制方式經歷了V/F控制、轉差頻率控制、矢量控制的發展，前者屬于開環控制，后兩者屬于閉環控制，正在發展的是直接轉矩控制。1、V/F控制異步電動機的轉速與定子電源頻率f和極對數有關，改變f就可以平滑的調節同步轉速，但是頻率f的上升或者下降可能會引起磁路飽和轉矩不足的現象，所以在改變f的同時，還需要調節定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動機的效率不下降，這就是V/F控制。V/F控制簡單，通用性優良。2、轉差頻率控制 由電機學的基礎知識可知，異步電動機轉矩M與氣隙磁通Φ、轉差頻率f2的關系為：(3-1)只要保持氣隙中磁通Φ一定，控制轉差頻率f2就可以控制電動機的轉矩，這就是轉差頻率控制。3、矢量控制 矢量控制是在交流電動機上模擬直流電動機控制轉矩的規律，將定子電流分解成相應于直流電動機的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進行任意控制。矢量控制能夠對轉矩進行控制，獲得和直流電動機一樣的優良的調速性能。一、水泵工況點的確定以及變化水泵工作點（工況點）是指水泵在確定的管路系統中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數。如果把某一水泵的性能曲線（即H-Q曲線）和管路性能曲線畫在同一坐標系中（圖3-2），則這兩條曲線的交點A,就是水泵的工作點。工作點A是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定在A點。若把水泵的效率曲線η-Q也畫在同一坐標系中，在圖2-2中可以找出A點的揚程HA、流量QA以及效率A。圖3-2水泵工作點的確定從圖2-2中可以看出，水泵在工作點A點提供的揚程和管路所需的水頭相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。一旦當水泵或管路性能中的一個或同時發生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現新的平衡。另外確定工作點一定要保證水工作點的參數，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設計和運行管理中一個重要問題。在變頻調速恒壓供水過程中，水泵工況點的變化如圖2—3所圖3—3水泵工況點的變化當P1、P2高于P0時，說明管網系統用水量減少，管路阻力特性曲線A1、A2向A0方向變化，此時水泵轉速逐漸降低，管網口壓力也由P2、P1逐漸下降，當P’低于P0時，其工況點變化與上述相反即由A1逐漸向A0移動，使管網系統供水始終保持恒定。圖3-4水泵變速恒壓工況根據2-4圖水泵變速恒壓工況分析：當管網用水由Q2、Q1….向Q0移動時，通過改變水泵轉速使P0保持恒定。二、變頻調速恒壓供水系統中水泵工況調節過程交流電動機的轉速n與電源頻率f具有如下關系：（3—2）式2—2中：p極對數,s轉差率因此不改變電動機的極對數，只改變電源的頻率，電動機的轉速就按比例變動。在變頻調速恒壓供水系統中，通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉速n。改變水泵的轉速，可以使水泵性能曲線改變，達到調節水泵工況目的。當管網負載減小時，通過VVVF降低交流電的頻率，電動機的轉速從n1降低到n2。另外根據葉片泵工作原理和相似理論，改變轉速n,可使供水泵流量Q、揚程H和軸功率N以相應規律改變。（3—3）（3—4）（3—5）或（3—6）式2——6是頂點在坐標原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線[10][11]在變頻調速恒水位供水系統中，單臺水泵工況的調節是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉速n，從而改變水泵性能曲線得以實現的。其工況調節過程可由圖2-5來說明。圖3-5變頻調速恒壓供水水泵工況調節圖由圖3-5可見，設定管網壓力值（揚程）為，管網初始用水量為，初始工況點為A，水泵電機的轉速為，工作點A的軸功率即為四點所圍的面積。當管網負載減小時，管網壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉換成4-20電流信號送往模糊調節器，經比較處理后，輸出一個令變頻器頻率降低的信號，從而降低電機轉速至,水泵轉速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點A移至B點，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應減小。恒壓供水系統中壓力值恒定在,因此水泵工作點又沿著轉速所對應的水泵性能曲線從點B移至C點，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點C點，在圖3中可以找出C點的揚程、流量以及效率，工作點C的軸功率即為四點所圍的面積。考察水泵的效率曲線-Q,，水泵轉速的工況調節必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。三、變頻調速恒壓供水系統調速范圍的確定考察水泵的效率曲線-Q,，水泵轉速的工況調節必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調速范圍，在根據用戶的揚程確定具體最低調速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區，水泵的調速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉速下降在20%以內，在此范圍內，電動機的負載率在50%-100%范圍內變化，電動機的效率基本上都在高效區。3.2系統的方案設計變頻調速恒壓供水系統構成如下圖所示，由模糊控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器、起動器等構成。系統采用一臺變頻器拖動2臺電動機的起動、運行與調速，采用循環使用的方式運行。單片機上接工控計算機，壓力傳感器采樣水壓力信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給模糊控制器,模糊控制器根據這兩個信號經模糊運算，發出指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。模糊控制器上接工控計算機，上位機裝有監控軟件，對恒壓供水系統進行監測控制。如圖3-6所示:圖3-6變頻調速恒壓供水控制系統示意圖3.3系統工作過程根據小區用水的實際情況，只需開動一臺泵供小區居民日常用水，另一臺相同水泵配合循環使用以及預防其中一臺水泵發生故障時仍然正常為小區提供良好的供水。用水高峰時段水泵以工頻狀態運行；用水低谷時段水泵停止運行，以侍網供水；用水普通時段水泵以變頻狀態運行。分析自動控制系統電機工作過程,可分為以下三個工作狀態：1)電機變頻起動；2)電機工頻運行；3)電機不運行。一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態之中，當源水的水壓發生變化時，管網壓力也就隨之變化，三種工作狀態就要發生相應轉換，因此這三種工作狀態對應著三個切換過程。1.切換過程Ⅰ系統開始工作時，壓力低于設定壓力下限，按下相應的按鈕，在模糊控制器控制下，電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端，變頻器對拖動泵的電動機采用軟起動，在頻率未達到工頻頻率（即）的情況下水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉速下降，水泵輸出流量減少；變頻器輸出頻率上升，電機轉速上升，水泵輸出流量增加。水泵在變頻器的拖動下變頻運行。2.切換過程Ⅱ由電機變頻運行。用水高峰時段，隨著運行頻率的增加，當變頻器輸出頻率增至工頻（即50HZ），模糊控制器發出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，電機自變頻器輸出端斷開，電機切換至工頻運行。電機工頻運行后,開啟泵閥門，泵工作在工頻狀態。從而實現水泵由變頻切換至工頻電網運行，在系統調節下變頻器輸出頻率不斷增加，直到壓力達到設定值為止。3.切換過程Ⅲ由電機工頻狀態。當變頻器輸出頻率下降到指定值，電機轉速下降到指定值；水管水壓高于設定水壓上限時,在模糊控制器控制下電機停止運行。系統開始工作時，壓力低于設定壓力下限，模糊控制器控制下，電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端，變頻器對拖動泵的電動機采用軟起動，在頻率不大于工頻頻率（即）的情況下水泵電機在變頻器的拖動下變頻運行?？刂葡到y又回到初始工作狀態Ⅰ，開始新一輪循環。在程序設計中，必須認真考慮這三個切換過程，才能保證系統在一個工作周期內實現正常切換與運行。電機工作過程流程圖如下：圖3-7電機工作過程流程圖第四章PID控制與模糊控4.1PID控制在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。（1）比例（P）控制：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-stateerror）。（2）積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統（SystemwithSteady-stateError）。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩誤差。（3）微分（P）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。4.2模糊控制模糊自動控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機控制。從線性與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制;從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前實現智能拉制的一種重要而有效的形式，尤其是模糊控制和神經網絡，遺傳算法及混沌理論等新學科的相融合，正在顯示其巨大的應用潛力.本章分部分介紹了模糊控制原理，模糊控制核心部件一模糊拉制器及其設計。4.2.1模糊控制的基本思想在自動控制技術產生以前，人們在生產過程中只能采用手動控制方式。手動控制過程首先是觀測被控對象的輸出，其次是才壓據觀測結果作出決策判斷，然后手動調整輸入。操作工人‘就是這樣不斷地觀測一決策一調整，從而實現對生產過程的手動拉制，這三個步驟分別由人的眼一腦一手來完成。后來，由于科學和技術的進步，人們采用各種測量裝置代替人的眼睛，完成對被控量的觀測任務;利用各種控制器部分地取代人腦的作用實現比較，綜合被控制量與給定量之間的偏差，控制器所給出的輸出信號相當于手動過程中的人腦的決策;使用各種執行機構對被控對象施加某種控制作用，這就起到了手動控制中手的調整作用，這就是人們所熟悉的常規負反饋控制系統。經過人們長期研究和實踐形成的經典控制理論對于解決線性定常系統的拉制問題是很有效的，然而經典控制論對于非線性時變系統難以奏效。隨著計算機的發展和應用，自動控制理論和技術獲得了飛躍的發展，基于狀態變量描述的現代控制理論對于解決線性或非線性，定?；驎r變的多輸入多輸出系統問題，獲得了廣泛的應用，例如在阿波羅的姿態控制宇宙飛船和導彈的精密制導以及在工業生產過程控制等方面得到了成功的應用。但是無論采用經典控制論還是現代控制論設計一個控制系統，都需要事先知道被拉對象(或生產過程)精確的數學模型，然后根據數學模型以及給定的性能指標，選擇適當的控制規律，進行控制系統設計，然而在許多情況下被控對象的精密的數學模型很難建立，過程變量多，且各種參數存在不同程序的時變性，這種過程數學模型難以建立，甚至根本辦不到。在這樣的事實面前，人們又重新研究和考慮人的控制行為的特點，能否對無法構造數學模型的對象讓計算機模擬人的思維方式，進行控制決策。在這種情況下，人們總結了自身的控制行為，正是遵循反饋及負反饋控制的思想，人的手動控制決策可以用語言加以描述，總結成一系列條件語句一控制規則。利用微機程序實現這些控制規則，微機就起到了控制器的作用，于是利用微機取代人可以對被控對象進行自動控制。這樣，模糊控制技術相應而生了。模糊控制技術是一種由模糊數學，計算機科學，人工智能，知識工程等多門學科領域相互滲透，理論性很強的科學技術。綜上，相對于傳統的控制方法，從被控對象的數學結構上去考慮進行控制，模糊控制的基本思想就是:從人類智能活動的角度和基礎上去考慮實施控制.4.2.2模糊控制系統組成模糊控制系統是一種自動控制系統，它以模糊數學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規則理論為理論基礎，采用計算機控制技術構成的一種具有反饋通道的閉環結構的數學控制系統，核心是具有智能型的模糊控制器。模糊控制系統的組成如圖4.1。模糊控制系統一般可分為四個組成部分:(1)被控對象可以是一種設備或裝置以及它們的群體，也可以是一個生產的自然的，社會的，生物的或其他各種的狀態轉移過程，這些被控對象可以是確定的或模糊的，單變量的或多變量的，有滯后的或無滯后的，也可以是線性的或非線性的，定常的或時變的以及具有強藕合和干擾等多種情況，對于那些難以建立精確數學模型的復雜對象更適合采用模糊控制。(2)執行機電氣的可以是交直流電機，伺服電動機，步進電機等;其它氣動的或液壓的，如各類氣動調節閥和液壓馬達，液壓閥等均可。(3)控制器模糊控制系統的核心部分，由于被控時象不同以及對系統的靜態、動態特性的要求和所用的控制規則相異，可構成各種類型的控制器:經典控制論中，采用Pm控制器，串并校正器;現代控制論中，狀態觀測器;智能控制論中，則采用模糊知識表示和規則推理的語言型的模糊控制器，這是模糊控制系統區別于其它自動控制系統的特點所在。實質上一臺微型計算機，根據控制系統的需要既可以采用系統機也可采用單片機或單板機。(4)輸入/輸出接口裝置實際模糊控制系統中，由于被控對象的控制量以及可觀測的狀態量是模擬量，因此，模糊控制系統與通常的全數字控制系統或混合拉制系統一樣，也必須具有模數，數模轉換單元。模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲得數字量信號，并將模糊控制器決策的輸出信號經過數模變換，將其轉換為模擬信號送給執行機構去控制被控對象，不同的是在模糊控制系統中，還應該具有模糊邏輯處理的“模糊化”與“解模糊化”環節這部分，通常也被看作是模糊控制器的輸入/輸出接口。(5)測量裝置是將被測對象的的各種非電量如電流，溫度，壓力，速度，濃度等轉換為電信號的一類裝置。通常由各類數字的或模擬的測量儀器，檢測元件或傳感器等組成。它在模糊控制系統中占據十分重要的地位，其精度往往影響整個系統的性能指標，因此要求其精度高，可靠性強且穩定性好。4.1.3模糊控制的基本原理在此僅以一步模糊控制系統為例，簡要的介紹一下模糊控制的基本原理，如圖4.2所示:核心部件模糊控制器具體原理如下:微機中斷采樣獲取被控量的精確值，然后將此量與給定值比較后得到誤差信號E，此誤差信號作為模糊控制器的一個輸入量，進行模糊量化變成模糊量，此模糊量可以用相應的模糊語言來表示，至此，得到了模糊語言集合的一個子集e,e和模糊控制規則R根據推理的合成規則進行模糊決策，得到模糊控制量u,u為u=u*R。其中u為一個模糊量，為了對被控對象施加精確地控制，還需將模糊量轉換為精確量，即非模糊化處理，得到精確的數字控制量后，經數模變換變為精確的模擬量送給執行機構，對被控對象進行一步控制，然后中斷等待第二次采樣，進行第二步控制……循環下去，就實現了對被控對象的模糊控制。以上為單輸入單輸出模糊控制原理，其它的單輸入多輸出模糊控制系統、多輸入多輸出模糊控制系統原理類似，只不過輸入輸出變量個數相異，控制規則煩瑣一些，在后面涉及的地方再闡述，這里不一一贅述。4.3模糊控制器模糊控制理論應用于實際的橋梁即模糊控制器，是模糊控制的核心部件，它具有以下特點:模糊控制器不依賴于被控對象的精確數學模型，易于對不確定系統進行控制。模糊控制器是易于控制，易于掌握的較理想的非線性控制器，是一種語言控制器。模糊控制器杭干擾能力強，響應速度快，并對系統參數的變化有較強的魯棒性。模糊控制器可劃分為:模糊輸入接口，模糊推理判決機構，模糊輸出接口三大部分，它們構成了模糊控制器的控制機理和算法結構。據此，實際應用中，模糊控制器有兩種組成形式:一種是由模糊邏輯芯片組成的硬件專用模糊控制器，它是用硬件芯片來直接實現模糊控制算法。這種模糊控制器特點是推理速度快，控制精度高，但價格昂貴，輸入和輸出二級模糊規則均有限且靈活性差，實際中較少使用，另一種組成方式是采用與數字控制器相同的硬件結構。模糊控制器的三大功能：(1)把系統的偏差從數字量轉化為模糊量(2)對模糊量進行一定的給出規則進行推理(3)把推理的結果從模糊量轉化為可實用于實際控制的數字量對應于以上的三大功能，模糊控制器的實現需要三大過程:(1)模糊化過程(2)模糊邏輯推理(3)精確化計算因此，模糊拉制器的最終設計問題就是上述三個過程的設計問題，在詳細討論系統設計之前，我們先定性的分析一下三大部件的設計。(1)模糊化過程測量輸入變量的值并將數字表示形式的輸入量轉化為通常用語言表示的某一限定碼的序數，每一限定碼表示論域內的一個模糊子集，并由其隸屬度函數來定義。通常選用三角形和梯形函數的隸屬度函數。(2)模糊推理過程設計模糊推理過程設計主要考慮模糊控制器的規則基和知識基的設計。所謂規則基指的是所有條件語句，即控制規則的全體.所謂知識基指的是數據基和規則基合起來。(3)精確化過程設計在本設計中，考慮小區供水的實際情況，采用最大隸屬度法求取控制值。4.3.1模糊控制器的結構模糊控制是依據模糊控制規則進行控制，而模糊控制規則是熟練工作人員或控制專家經長期實踐，有意或無意地綜合考慮各種因素，通過操作者的學習，測驗及長期經驗積累的出的控制策略。它可以通過自然語言描述，這種自然語言用的是定性的、不準確的模糊條件語句。模糊控制系統的結構如圖4-3所示。圖4-3模糊控制系統方框圖圖4-3模糊控制系統方框圖設計一個模糊控制器要解決以下三個問題：精確量的模糊化。把語言變量的語言值化為適當的論域點的模糊子集。模糊控制算法設計。通過一組模糊條件語句構成模糊控制規則。輸出量的模糊判決。由輸入量和控制規則決定輸出量并轉化為精確量。圖3-1所示的模糊控制系統方框圖中，虛線內為模糊控制器，E和E為誤差及誤差的變化率e和e1的模糊化量。U為輸出u的模糊化量，模糊化為精確量的模糊化，模糊判決為模糊量的精確化。模糊控制算法為根據輸入和控制規則的模糊推理過程。實驗證明，模糊控制系統不僅能成功地實現控制，且能模仿人的思維方法，對一些無法構造模型的被控過程實施有效控制。模糊化模糊控制器的輸入與輸出都是精確量。對輸入而言，要進行模糊化處理將精確值變為模糊值；模糊控制器的輸出則是將依據模糊控制規則得出的模糊值精確化，即解模糊。在模糊化過程中要解決幾個問題：論域離散化、確定量化因子和比例因子，確定語言變量以及語言變量的子集。一個精確量模糊化的前提是將精確量大小分檔。假如一個恒壓控制系統輸入的變化范圍為-200～200分為n檔，n取4～8，這時量化因子K定義為如n=4則K=4/400=0.1。水壓變化率e的變化范圍為-10～10，n取4，則K=4/20=0.2。對輸出而言基于量化因子的概念定義一個比例因子，如輸出確定量u的范圍為0～5，取n=10，則K=u/n=5/10=0.5k,說明u變化分5檔。比例因子K取得過大則會造成阻尼程度下降，反應靈敏，易造成輸出震蕩，過小則被控過程反應遲鈍。為了確保被控對象在過程中保持最佳，對一些響應過程長的大慣性系統可以用幾組量化因子/比例因子，在控制過程的不同狀態使用不同的因子，以取得滿意的效果。語言變量的選擇常常根據人們的習慣將同類事物分為大中小，一般在設計模糊控制器時常選用正大（PB）,正中（PM）,正小(PS)零(0)小負(NS)負中(NM)負大（NB）。取模糊隸屬函數如圖3-2所示。語言變量論域上的模糊子集，通過總結操作者的經驗或由其它方法得到上面離散化e的情況為{-3，-2，-1，-0，+0，+1，+2，+3}，取八位語言變量值PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB，取模糊隸屬函數如圖3-2所示。確定隸屬函數應注意幾個方面。一是隸書函數的尖銳程度，較尖銳則控制的靈敏度高；較平緩則控制的靈敏度低，控制特性較平緩。二是PB，PM，PS，…對論域的覆蓋程度。在論域中任取一點，這一點應屬于某一隸書函數且對應。對應的隸書函數不能太小，如在論域某一點隸書函數覆蓋不到或值太小則會出現失控。三是集合間的交叉程度，交叉程度高被控過程參數變化適應性強，魯棒性好，但交叉程度過大，兩語言的變量值又難以區分。圖4-4模糊控制系統方框圖模糊控制偏差e和偏差變化率之間的模糊關系，在運行中通過不斷的檢測e和并將它們作為控制器的輸入，由控制器根據模糊控制規則對參數進行在線調整，以滿足不同e和對控制器參數的不同要求，從而使被控對象具有良好的動、靜態性能。(1)輸入輸出變量的確立由以上分析，本系統將偏差e和偏差變化率作為模糊控制器的輸入。將電流或電壓信號作為模糊控制器的輸出。(2)輸入變量的模糊化控制器控制水壓是通過改變變頻器的輸出從而改變水泵電機的轉速來實現的。水壓通過壓力傳感器檢測送回單片機，由單片機進行相應的模糊運算后控制變頻器的輸出。因此系統的輸入量是水壓的變化偏差和偏差變化率。相應的隸屬度函數，輸入變量e和的隸屬函數曲線如圖4-5所示圖4-5輸入變量隸屬度函數曲線圖4-6Kp隸屬度函數曲線圖4-7Ki隸屬度函數曲線(3)輸出變量的模糊化模糊控制是通過實時調整模糊控制器的控制參數，然后由單片機中的模糊控制指令來實現最終的調整控制的。變頻器中的模糊參數都有它的設定范圍.。設定輸出量KP、KI和KD的模糊子集為{零，正小，正中，正大}，簡記為{ZO,PS,PM,PB}，并將KP量化到區域(10,100)內，KI量化到區域(4,6)內，KD量化到區域(0,3)內。建立數輸出變量的隸屬度函數后，輸出變量KP、KI和KD的隸屬函數曲線分別如4-6.4-7.圖所示。(4)模糊規則的確立三個參數的作用是各自獨立的，互不影響的。改變一個調節參數，只影響一種調節作用，不會影響其他的調節作用。顯然，對于大多數系統來說，單獨使用上面任意一種控制規律都難以獲得良好的控制性能。根據參數KP、KI和KD對系統輸出特性的影響情況，可以得到對于不同的偏差e和偏差變