智能恒压供水系统设计开题报告.docx

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1、开题报告课题名称：智能恒压供水系统设计1-本课题所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述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，加之具有集成度高，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

2、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化建设中，单片机无疑会发挥更大的作用。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

3、。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控制的，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

4、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。而模糊控制技术,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广泛的领域之中，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

5、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。变频恒压供

6、水系统的国内外的研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期,由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时 保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器,对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以

7、及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了恒压供水专用

8、变频器5kw22kw),可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。2.设计(论文)要解决的问题和拟采用的研究方法本设计(论文)要解决的问

9、题有以下几个方面：(1)系统整体方案的确立(2)系统软件与硬件的设计(3)元件的选取系统的方案包括自动控制方案，压力控制方案。本题选用模糊PID控制方法控制变频器从而控制压力泵最后达到恒压供水的目的。模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制。模糊控制系统应用于诸如在测量数据不确切、要处理的数据量过大以致无法判断它们的兼容性、一些复杂可变的被控对象等场合是非常合适的。在传统控制器中，参数或控制输出的调整是根据对由一组微分方程描述的过程模型的状态分析和综合来进行的，而模糊控制器参数或控制输出是从过程函数的逻辑模型产生的规则来进行的，改善模糊控制性能的最有效方法是

10、优化模糊控制规则。通常，模糊控制规则是通过将有关控制人员和专家的控制经验及指示转化为模糊语言形式获取的，因此模糊控制属于智能控制的范畴。模糊控制具有以下特点口生1)无需知道被控对象的精确数学模型。2)具有良好的适应性和较强的鲁棒性。模糊控制是一种非线性控制，主要采用比例因子进行参数整定的控制，有利于实现参数的自适应，具有较强的鲁棒稳定性。3)控制规则容易理解。模糊控制是一种反应人类思维的智能控制，其控制规则是以人的经验和知识为基础建立起来的，容易理解和接受。4)容易实现。模糊控制系统的结构与一般的数字控制系统大致相同，模糊控制算法通过软件实现。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、

11、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式。

12、其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)o积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Error)0为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可

13、以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例项”往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从

14、而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。系统的硬件采用单片机控制，硬件组成主要包括压力传感器，A/D, D/A转换器，电源电路，控制电路，故障检测电路，电压电流变换电路，变频器，电机，输入设定与输出显示设备等。元件的选取以系统各方面参数要求为准。-3-3.本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路重点研究与关键问题：(1)模糊PID控制；(2)压力泵转速与压力的关系；(3)传感器的数据转换。解决思路：模糊控制具体原理如下：微机中断采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定值比较后得到误差信号E,此误差信号作为模糊控制

15、器的一个输入量，进行模糊量化变成模糊量，此模糊量可以用相应的模糊语言来表示，至此，得到了模糊语言集合的一个子集e, e和模糊控制规则R根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量11,11为=。其中u为一个模糊量，为了对被控对象施加精确地控制，还需将模糊量转换为精确量，即非模糊化处理，得到精确的数字控制量后，经数模变换变为精确的模拟量送给执行机构，对被控对象进行一步控制，然后中断等待第二次采样，进行第二步控制循环下去，就实现了对被控对象的模糊控制。以上为单输入单输出模糊控制原理，其它的单输入多输出模糊控制系统、多输入输出模糊控制系统原理类似，只不过偷入输出变量个数相异，控制规则烦琐一些。从模糊控制器结构可以看出模糊控制器的三大功能:(1)把系统的偏差从数字量转化为模糊量(2)对模糊量进行一定的给出规则进行推理(3)把推理的结果从模糊量转化为可实用于实际控制的数字量对应于以上的三大功能，模糊控制器的实现需要三大过程：(1)模糊化过程 通过传感器把受控对象的相当物理量转换成电