模糊PID控制在变频恒压供水系统的应用

【摘要】随着城市居民区的不断扩建与改造，我国居民供水难的问题越来越突出，原有的自来水管网的压力出现了不足，用水困难给生活带来极大不便。本文研制了交流变频恒压供水控制器。该控制器是以AT89C52系列单片机为核心，并与变频器、压力传感器等器件有机结合起来，构成了变频恒压供水系统。本文采用数字PID和模糊控制对系统中的恒压控制器进行设计，最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。

【关键词】恒压供水；变频调速；模糊PID控制

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，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。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，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.变频恒压供水系统简介

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转速公式为：

（1）

连续地改变电机定子的供电频率就可以平滑改变电动机的转速，从而达到调节速度的目的。

2.PID控制器

变频恒压供水系统的核心是恒压控制，它是根据水压给定值与供水管道中实际压力值的压差大小，控制变频器输出频率，使变频器实时调节水泵电机的转速以适应管路中压力的变化。PID控制和模糊控制是目前使用的两种主要方法。

2.1PID控制器的设计

PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e（t）与输出u（t）的关系为：

（2）

由于离散的PID算法与模拟的PID算法相比较，具有独特的优点，所以我们采用离散的PID对水压进行恒定控制。

2.2模糊控制器

由于供水系统管网较长，流量变化缓慢，水压的调节有较大的滞后性，所以难以建立一个精确的数学模型，用传统的PID调节器难以获得满意的效果。模糊控制器的优点是不要求掌握受控对象的精确的数学模型。

根据小区实际供水情况和操作人员的实践经验，总结出模糊控制规则表，由控制规则按模糊推理合成规则求出相应的控制决策U，再按隶属度最大值的原则得到相应的控制量，经计算机离线计算并反复调试修正，最后得到实际应用的模糊控制表，将该表存于单片机中，系统运行时先根据输入数据计算出E、EC，然后将它们量化求出模糊量的论域值，接着查找模糊控制表获得控制量，再乘以比例系数即可得到输出量，最后将其送到D/A转换器转换成模拟量去控制变频器。

2.3模糊PID控制器

鉴于PID控制与模糊控制的优缺点，将两者有机地结合起来扬长避短，使得组合后的模糊PID控制既具有模糊控制良好的动态性能，能够随着误差E的变化修改控制规则，有一定的自适应能力，又具有PID控制精度高、静态性能良好的特点。为此，把PID控制引入模糊控制中，构成模糊PID控制器。

控制策略选择的基本原则是：在大误差范围内，采用模糊控制，以提高动态响应速度，增强自适应能力；在小误差范围内，采用PID控制，以消除静态误差，提高控制精度。同时，为了防止控制策略的切换过于频繁，在误差的切换点，系统规定控制策略不作切换，维持上一次的动作。

3.系统的软、硬件设计

3.1系统的硬件设计

系统的硬件主要由电控柜、单片机、变频器等组成。电控柜由继电器、接触器等组成，实现工频电网与变频器的投人、切除、转换等功能。控制器系统以AT89C52单片机作为整个系统的控制核心，应用其强大的接口功能，构成整个恒压供水控制的硬件系统。变频器是该系统的执行部件，本设计中直接采用了日本三恳公司进口的变频器作为本系统的VVVF变频器。如图所示：

该设备应用传感器完成对水压的数据采集，传感器置于水体内，利用水压的变化产生的力的变化将水压量转换成电压值，经前置放大，A/D转换为一组数字量进入单片机，经微处理器与相应预置参量进行比较后，得到误差量A，该误差量与前一误差量又可得到误差的变化量B，A和B作为模糊控制器的输入，由软件中的算法进行处理，模糊控制器的输出则作为一调节参量即控制量，经D/A转换控制变频器，产生一系列的变化的电压：电压大，水泵转速加快，水压升高，反之水压降低，近似达到恒压节能的目的。

3.2系统的软件设计

软件的实现主要是单片机编程，在WINDOWS界面的WAVE6000环境下进行C语言编程。程序设计主要有以下几个部分：压力测量子程序，故障检测子程序，模糊控制算法子程序，显示子程序，功能选择子程序，功能子程序。

4.结束语

变频调速恒压供水是现代化城市和生活小区供水的发展方向，采用单片机控制的变频供水系统具有工作可靠、实现容易、价格低廉等特点，是较理想的控制器。本论文的研究主要完成了以下内容：通过对变频恒压供水控制系统的工作原理和控制原理的分析，用单片机语言C51结合硬件电路，设计出以AT89C52为核心的恒压供水控制器。并将模糊自整定PID算法应用到变频恒压供水控制器中，使得用户在使用时更加方便快捷。

参考文献

[1]李长军.变频调速在恒压供水的应用[J].煤矿机械，2004，第11期P122-124

[2]杨凌云.PID调节器在恒压供水系统中应用[J].微计算机信息，1966，12（5）：49-51

[3]刘美俊.基于AT89C51单片机的变频恒压供水控制系统[J].轻工机械，2004，02期P102-104