關(guān)鍵詞：模糊控制 恒壓供水 變頻調(diào)速 單片機(jī)

在傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式中，由于揚(yáng)水較高且電機(jī)一直高速運(yùn)行，造成的電能消耗比較大，幾乎占到水費(fèi)成本的一半以上。變頻調(diào)速是一項(xiàng)有效的節(jié)能降耗技術(shù)，節(jié)電率很高，一般可節(jié)20%～40%。由于其具有高速精度高、功率因數(shù)高等特點(diǎn)，采用它可以提高出水質(zhì)量、降低物科和設(shè)備的損耗，同時(shí)也能減少機(jī)械磨損和噪聲。

小區(qū)用水具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）用水變化量大；（2）對水壓的要求比較高；（3）流量基本上由用戶控制。針對這些特點(diǎn)，本文提出一種基于模糊控制理論的新型恒壓供水系統(tǒng)。它與傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)相比，不但可使水壓保持恒定、節(jié)電節(jié)水，而且靈活性高、占地面積小、投資省、操作方便、運(yùn)行可靠、具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 系統(tǒng)的控制原理

本系統(tǒng)具備同時(shí)控制多臺(tái)水泵的功能。根據(jù)不同場合、不同需要可以采取多臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行、定時(shí)換泵等多種工作方式。泵電機(jī)全部軟啟動(dòng)，以先啟先停為原則。本系統(tǒng)具有變頻器頻率顯示和實(shí)時(shí)壓力顯示；具有變頻器故障、遠(yuǎn)傳表故障、欠壓超時(shí)和水位報(bào)警批示。

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，在水泵的出水管道上安裝一個(gè)壓力傳感器，用于檢測管道壓力，并把其壓力信號(hào)變成0～5V的模擬電信號(hào)，送到單片機(jī)系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器輸入端，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算后的壓力值 與設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，得出偏差值，再經(jīng)PID調(diào)節(jié)得出控制參數(shù)，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變成0～10 V的模擬信號(hào)，送入變頻器控制其輸出頻率的大小，以此改變水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制管道壓力的目的。當(dāng)實(shí)際管道壓力小于給定壓力時(shí)，變頻器輸出頻率升高，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，管道壓力升高；反之，變頻器頻率降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，管道壓力降低。如此上下調(diào)整多次，直到偏差值為零為止。這樣，實(shí)際壓力值圍繞設(shè)定壓力值上下波動(dòng)而穩(wěn)定，從而保持供水壓力恒定。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，應(yīng)用其強(qiáng)大的接口功能，構(gòu)成整個(gè)恒壓供水控制的硬件系統(tǒng)。

本系統(tǒng)硬件主要由A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、鍵盤、顯示系統(tǒng)、電源、故障檢測電路以及時(shí)鐘系統(tǒng)等幾部分組成。各模塊的主要功能如下：（1）A/D轉(zhuǎn)換器的功能是把水管的壓力信號(hào)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成0～5V的模擬電壓信號(hào)，再變成數(shù)字信號(hào)，然后送入單片機(jī)；（2）D/A轉(zhuǎn)換器的功能是把實(shí)際水壓與設(shè)定壓力之差經(jīng)單片機(jī)處理后而輸出的數(shù)據(jù)（8位立即數(shù)）轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，用以控制變頻器的輸出頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制水壓的目的；（3）鍵盤用于通過人機(jī)對話的方式監(jiān)控系統(tǒng)，例如改變系統(tǒng)的壓力設(shè)定值等參換水泵的時(shí)間、水泵的工作方式等；（4）顯示系統(tǒng)用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如設(shè)定的水壓值、實(shí)際水壓值、缺水和漏水警報(bào)等；（5）故障檢測電路用于監(jiān)測變頻器、水泵以及蓄水池的狀態(tài)。

3 模糊控制器設(shè)計(jì)

由于供水系統(tǒng)管網(wǎng)較長，流量變化緩慢，水壓的調(diào)節(jié)有較大的滯后性，所以難以建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型，用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器難以獲得滿意的效果。模糊PID控制是結(jié)合PID控制和模糊控制而得出的一種新型控制方式。模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)是不要求掌握受控對象的精確的數(shù)學(xué)模型。筆者對模糊PID調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行了Matlab仿真比較，如圖2所示。其中曲線1是PID調(diào)節(jié)器的仿真曲線，曲線2是模糊PID調(diào)節(jié)器的仿真曲線。從圖2中可以看出，曲線2的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要比曲線1快得多，而且靜態(tài)誤差也比較小。因此，模糊PID控制器在控制過程的前期階段具有模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)（動(dòng)態(tài)響應(yīng)快），而在控制過程的后期階段又具有PID調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢（靜態(tài)誤差�。９时疚牟捎玫哪：齈ID調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢（靜態(tài)誤差�。�。故本文采用的模糊PID控制器比傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器具有優(yōu)越的性能。

圖3

從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。但是維數(shù)越高，模糊控制規(guī)則變的越復(fù)雜，控制算法實(shí)現(xiàn)起來越困難�；谝陨戏治�，本文采用二維模糊控制器，輸入量為誤差