自适应模糊控制技术在变频调速恒压供水系统中的应用研究
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摘要
随着经济与社会的高速发展，能源越来越紧缺，而人们对供水质量和供水系统可靠性的要求也不断提高，因此采用先进的自动化控制技术来设计高节能、高可靠性的恒压供水系统成为必然趋势。
针对目前的小区供水系统中存在的电能、水资源浪费且供水质量差等问题，本文研究并设计了一种变频调速恒压供水控制器。该控制器是以AT89S52单片机为核心，并与变频器、继电器、压力传感器等器件结合起来，共同构成了变频恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定参数，根据用水量的大小由单片机控制投入运行的水泵的数量及电机的转速，实现管网水压的闭环调节，即实现恒压供水。
本文首先根据供水系统的管阻特性曲线和水泵扬程特性曲线，分析了恒压供水的原理；然后根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理。接着分析了变频调速恒压供水系统的构成、工作原理和控制流程。本文在研究了模糊控制原理的基础上，设计了一种应用于变频调速恒压供水系统的自适应模糊控制器，并建立了离线模糊控制查询表。最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍，并指出了系统所存在的EMI问题，并给出了相关的抑制方法。
经过试验验证，本课题所设计的恒压供水系统对水压的实时控制性能良好，硬件模块工作稳定、可靠，所设计的自适应模糊控制器正确有效，较好的保证了管网水压的稳定性。该系统是一种较理想的控制系统。
With the rapid development of economy and society, energy resources are seriously lacking. At the same time, the demands for quality and reliability of water supply system are increased continually. So it is inevitable tendency to design one kind of water supply system which is high reliable and saves on energy well, with the help of advanced technique of automation and control.
Direct towards the problems of actual water supply system, such as electric power and water resource waste and low quality of water supply, this paper mainly studied and designed a controller of the VF speed regulating constant-pressure water supply system. With the core of SCM AT89S52, this controller combined transducer, relay and pressure sensor. The pressure value of the water-supply pipeline was setted, and the number of running pumps and the rotate speed of motor to implement the closed-loop control of water pressure was controlled in this system, namely constant-pressure water supply.
This paper explained the principle of constant-pressure water supply on the basis of characteristic curve of pipeline resistance and water pump head. And water supply system's energy-saving principle of water pump VF speed control was clarified according to characteristic curve of running pipelines and water pump. Then the structure and work principle and control flow of VF speed regulating constant pressure water supply system was analyzed in the paper. Based on the research of fuzzy control theory, this paper has designed an adaptive fuzzy controller and establishes the non-on-line query table. The design of the system's hardware and software was introduced thoroughly, and system's EMI problems and relevant restraining methods were put forward in the end.
The real time control performance to the water pressure of water supply system designed in this paper was proved to be all-right according to the experimentation validated. The hardware module is steady-going and reliable, and the adaptive fuzzy controller is proper and valid and can guarantee the better stability of water pressure. And this control system is perfect.
针对目前的小区供水系统中存在的电能、水资源浪费且供水质量差等问题，本文研究并设计了一种变频调速恒压供水控制器。该控制器是以AT89S52单片机为核心，并与变频器、继电器、压力传感器等器件结合起来，共同构成了变频恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定参数，根据用水量的大小由单片机控制投入运行的水泵的数量及电机的转速，实现管网水压的闭环调节，即实现恒压供水。
本文首先根据供水系统的管阻特性曲线和水泵扬程特性曲线，分析了恒压供水的原理；然后根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理。接着分析了变频调速恒压供水系统的构成、工作原理和控制流程。本文在研究了模糊控制原理的基础上，设计了一种应用于变频调速恒压供水系统的自适应模糊控制器，并建立了离线模糊控制查询表。最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍，并指出了系统所存在的EMI问题，并给出了相关的抑制方法。
经过试验验证，本课题所设计的恒压供水系统对水压的实时控制性能良好，硬件模块工作稳定、可靠，所设计的自适应模糊控制器正确有效，较好的保证了管网水压的稳定性。该系统是一种较理想的控制系统。
With the rapid development of economy and society, energy resources are seriously lacking. At the same time, the demands for quality and reliability of water supply system are increased continually. So it is inevitable tendency to design one kind of water supply system which is high reliable and saves on energy well, with the help of advanced technique of automation and control.
Direct towards the problems of actual water supply system, such as electric power and water resource waste and low quality of water supply, this paper mainly studied and designed a controller of the VF speed regulating constant-pressure water supply system. With the core of SCM AT89S52, this controller combined transducer, relay and pressure sensor. The pressure value of the water-supply pipeline was setted, and the number of running pumps and the rotate speed of motor to implement the closed-loop control of water pressure was controlled in this system, namely constant-pressure water supply.
This paper explained the principle of constant-pressure water supply on the basis of characteristic curve of pipeline resistance and water pump head. And water supply system's energy-saving principle of water pump VF speed control was clarified according to characteristic curve of running pipelines and water pump. Then the structure and work principle and control flow of VF speed regulating constant pressure water supply system was analyzed in the paper. Based on the research of fuzzy control theory, this paper has designed an adaptive fuzzy controller and establishes the non-on-line query table. The design of the system's hardware and software was introduced thoroughly, and system's EMI problems and relevant restraining methods were put forward in the end.
The real time control performance to the water pressure of water supply system designed in this paper was proved to be all-right according to the experimentation validated. The hardware module is steady-going and reliable, and the adaptive fuzzy controller is proper and valid and can guarantee the better stability of water pressure. And this control system is perfect.
引文
1．陈爱民，高贵敏．变频调速技术实现恒压供水．河北理工学院学报，2003，25：66—69
2．陈江林，中尔日，陈义俊，一类非线性系统的自适应模糊控制．系统工程理论与实践，2003，23 (10)：81—85
3．邓智泉，彭兆行．异步电动机的非线性自适应控制．控制理论与应用，1997 (5)：727—731
4．董长善．变频调速的应用前景和选用原则．石油化工设备技术，1994，7 (01)：32—36
5．董红生，杨智，耿烈．在线自整定PID控制器的研究．兰州工业高等专科学校学报，2001，8 (2)：14—16
6．范忠军，姜哓章．变频调速装置在水泵电机上的节电应用及控制方案．农业机械化与电气化，2001，4：42
7．龚运新．单片机C语言开发技术．北京：清华大学出版社．2006．10：273—281
8．顾跃．基于PLC的变频调速恒压供水系统研究．[硕士学位论文]．长沙：中南大学，2005
9．洪云飞．基于遗传算法的供水系统模糊优化设计．[硕士学位论文]．阜新：辽宁工程技术大学，2004
10．胡汉才．单片机原理及其接口技术．清华大学出版社．2001
11．黄成静．基于模糊逻辑工具箱的控制系统．计算机仿真．2003 (2)：75—78
12．黄健，王振斌，梁勤．优化变频调速恒压供水控制系统探讨．电工园地，2003，06：30—31
13．黄文梅，杨勇，熊桂林．系统分析与仿真——MATLAB语言及应用．国防工业出版社，1999：192—197
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15．李立，黎福海，黄望军等．TMS320LF2407在异步电动机控制系统中的应用．南华大学学报，2003，17：75—78
16．李利平，王东风．基于自适应Smith预估器的PID自整定方法．自动化技术与应用，2001 (6)：3—5
17．李维斌，朱荣生，李红等．智能控制系统在恒压供水中的应用．农机化研究，2003，01：157—158
18．刘建鹏，刘建辉．基于TMS320F240的交流变频调速系统．微计算机信息，2004，20：43—44
19．刘萍莉．交流变频恒压供水控制器的设计．[硕士学位论文]．大连海事大学，2005．03
20．刘向东，高军，杨乐民．一种新的一阶系统自调整模糊控制器．哈尔滨理工大学学报，2003，8 (5)：75—79
21．刘学鹏，梅雪松，吴序堂．基于DSP对交流伺服系统控制的研究．机床与液压，2002，2：35—36
22．马金祥，余发山等．一种模糊自适应PID控制器的设计与仿真．焦作工学院学报 (自然科学版)2002，21 (3)：197—200
23．乔铁柱，范永伟，范玉华．自适应模糊控制在交流调速中的应用．太原理工大学学报，34，2：193—195
24．求是科技，单片机典型模块设计实例导航．北京：人民邮电出版社：366—376
25．沈安文．基于DSP的全数字电梯专用变频器的研究与开发．[硕士学位论文]．武汉：华中科技大学，2003
26．田峰．自适应模糊控制技术的应用研究．[硕士学位论文]．贵州：贵州工业大学，2004
27．万福君，单片微机原理系统设计与应用．第2版．中国科学技术大学出版社，2001
28．王彩霞．模糊变频恒压控制系统的研究．[硕士学位论文]．长春：长春理工大学，2002
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52．周谟仁．流体力学——泵与风机．中国建筑工业出版社，1990
53．周晓兰，田沛，朱越添．规则自调整模糊控制新算法及其在汽温控制中的应用．电力情报，2003，3：33—36
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