智能恒压供水控制系统设计[毕业论文+电气原理图]

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智能恒压控制系统设计[毕业论文+电气原理图]

摘 要

小区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难问题越来越突出，大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水，高层居民经常出现用水难问题，给生活带来极大不便。

针对上述问题，本文研制了变频调速恒压供水控制器，通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，来实现恒压供水。同时达到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。采用该供水系统不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染。

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 控制恒压供水、变频控制、单片机。

ABSTRACT

The small area extends continuously with the reformation, the several-storied building layer count of add continuously high, our country the residents is more and more outstanding with the difficult problem of water, big and parts of regions are widespread to exist the useful high peak of water to expect the key figures to provide not up water,
the high residents usually appear with the difficult problem of water, bringing for life biggest inconvenient .and at the above-mentioned problem, this text researches to manufacture to change the Frequency to adjust soon presses the water supply controller, pass the control changes the machine of Frequency of exportation frequency regulate the water pump electrical engineering to turn thus and automatically soon, carry out the to press the water supply.Attain the purpose" use how much water, provide how much water" of supply water the efficiency at the same time.The adoption should supply water the system not to need to construct a water tank, water tower, the fluid matter has no to pollute two times.

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 controllersystem-controlling,
failure-detecting，states-displaying aredescribed in detail。

Keywords: fuzzy-PID,water supplying constant-pressure, vari ed-frequency-controlling,MCU.

目 录

摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪 论 1
1.1引言 1
1.2变频调速技术现状 1
1.2.1 模糊控制技术现状 2
1.2.2单片机技术现状 3
1.3项目来源，研究内容及研究结果 3
第二章 变频恒压供水控制器的总体设计 4
2.1 系统概述 4
2.1.1系统的组成 4
2.1.2系统优点 6
2.2.1变频器的控制方式 6
2.2.2控制系统的工作原理 7
2.3 系统的控制原理 9
2.4 控制器的硬件系统设计 9
2.4.1 硬件总体说明 9
2.4.2恒压变频控制板设计 10
2.4.3 单片机主控制电路设计 10
2.5人机界面设计 15
2.6电机控制电路设计 17
2.7故障检测电路设计 18
2.8压力检测电路设计 19
第三章 主要硬件设备介绍 21
3.1变频器的控制原理 21
3.2系统的方案设计 24
3.3系统工作过程 25
第四章 PID控制与模糊控制 27
4.1 PID控制 27
4.2 模糊控制 28
4.2.1模糊控制的基本思想 28
4.2.2模糊控制系统组成 29
4.3模糊控制器 30
4.3.1模糊控制器的结构 31
4.3.2 模糊控制系统的Simulink仿真 35
第五章 系统的软件设计 37
5. 1系统方案的设计 37
5. 2系统运行主程序 38
5.3故障检测流程图 39
5.4键盘处理子程序 40
5.5压力测量子程序 40
5.6模糊控制子程序 41
5.7 模数转换(A/D压力数据采集)子程序 42
5.8水泵故障检测子程序 42
结论与展望 43
参考文献 44
致谢 46

第一章 绪 论

1.1引言

随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，居民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。智能恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。，这在能量日益紧缺的今天尤为重要。

而本文就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，节电节水采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好的节能性，具有良好的经济和社会效益。

1.2.变频调速技术现状

20世纪是变频调速技术由诞生到发展的时代，特别是20世纪90年代以后，IGBT,IGCT(集成门极换向性晶闸管)等新型电力电子器件的发展，DSP(数字信号处理器)和ASIC(专用集成电路技术)的快速发展以及新颖控制理论和技术(如磁场定向矢量控制，直接转矩拉制等)的完善，使变频调速系统在调速范围，调速精度，动态响应，功率因数，运行效率和使用方便等性能指标超过了支流调速系统，达到了取代直流调速的地步，受到各行业的欢迎，并取得显著的经济效益。目前，变频调速技术以显著的节电效果，优良的调速性能以及广泛的实用性，而成为电器传动的发展主流方向，变频调速技术涉及到电机，电力电子技术，微电子技术，信息技术与控制技术等多个领域。

变频调速系统中PWM技术的发展：PWM控制是变频调速系统的核心，任何拉制算法几乎都是以各种PWM控制方式实现。九十年代以来的产品，正弦形PWM ( SPWM)调制方法已逐步为以下方式取代: 快速电流跟踪PWM技术:快速电流跟踪型PWM逆变器为电流控制型的电压源逆变器，一般采用滞环电流控制、使三相电流快速跟踪指令电流。该逆变器硬件简单，电流控制响应快，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，普遍用于PMSM伺服系统和异步电动机矢量变换拉制系统。

磁链跟踪控制PWM技术:这种方法把逆变器和电动机视为一体，以三相对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准，用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来跟踪基准磁链圆，由跟踪结果决定逆变器的开关模式，形成PWM波。由于磁链的轨迹是靠空间矢量的选择来实现，因此又称电压空间矢量法。

直接转矩的智能拉制PWM技术:常规的直接转矩PWM技术无法区别转矩、磁链的非常大的偏差和相对小的偏差，这将造成电机启动期间系统的停滞.而采用智能控制中的模糊控制，可以通过定子磁链的空间位置，由一系列偏差的正大，正小等模糊语言，根据模糊规则推出逆变器的开关模式，使系统性能改善。

双PWM控制技术:交-直-交电压型逆变器是目前最广泛使用的型式，但常对电网构成谐波污染。自前双PWM控制技术的研究非常活跃，即由PWM整流器和PWM逆变器组成的双PWM变频器无须任何附加电路就可使电网侧的输入电流接近正弦波，使系统的功率因数约为1，彻底消除网侧的谐波污染，并实现了四象限运行。

矢量变换控制技术:自1971年矢量变换技术控制理论建立以来，以转子磁场定向，采用矢量变换的方法，实现异步电动机转速和磁链控制的完全介藕。从而使异步电动机具有和直流电动机一样优良的控制性能。该技术得到了广泛地应

1.2.1 模糊控制技术现状

模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。例如，在炼钢，化工，人文系统，经济系统以及医学心理系统中，要得到正确而且精密的数学模型是相当困难的。对于这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息，以及仅仅用语言规定的性能指标。同时，要求过程的操作人员是系统的基本组成部分等。所有这些都是一种不精确性，应用一般的控制理论是很难实现拉制的，但是，这类系统由人来控制却往往容易做到。这是因为过程操作人员的拉制方法是建立在直观的和经验的基础上，他们凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成控制任务。于是，人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句，然后运用模糊集合理论将其定量化，使控制器得以接受人的经验，模仿人的操作策略，这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革，它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。

目前，国内外科技界，企业界和政府部门都特别关注“模糊”领域，模糊技术既是一个学术热点又是一个开发热点，模糊技术成果和产品也逐渐由实验室走向社会，取得了明显的社会效益和经济效益。而模糊拉制技术，这门由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互渗选而形成的理论性很强的科学技术，正以前所未有的步伐涉入到相当关泛的领域之中，其中包含交流伺服系统，液位系统，工业机器人，可编程控制器，天气预报，图象识别，医疗诊断，家用电器等领域。归纳起来，模糊控制技术现状如下:

(1)模糊控制器的构造

1/采用传统的单片机或微型机作为物理基础，编制相应软件来实现模糊推理和机制。

2/用模糊单片机或集成电路芯片构造模糊控制器，利用配置数据来确定模糊控制器的结构形式。

3/采用可编程门阵列构造模糊控制器。

(2)模糊信息与精确信息转换的物理结构和方法

模糊信息与精确信息转换问题，目前基本上采用A/D，D/A转换技术。

(3)模糊控制器对外界环境的适应性及适应技术

对外界环境的适应性问题，目前还没有一种专门的良好技术，大多还是采用传统的技术或依赖传统的工艺水平。

(4)实现模糊控制系统的软技术

软技术主要包括系统的仿真和实际工作软件等，目前，世界上已有多种仿真软件出现，如Neuralogix公司的产品。

(5)模糊控制器和被控对象的匹配技术

模糊控制器和被控对象的匹配技术仍然依赖于人们的经验。

1.2.2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，加之具有集程度高，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