智能恒压供水系统设计

智能恒压供水系统设计

本文根据传统供水中存在的不足和缺点，将模糊PID控制技术应用于小区供水系统中，实现恒压供水。该系统解决了传统小区供水中、占用面积大、建设费用高、管理维护复杂困难、水质二次污染等缺点。

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。

第一章绪论

1.1引言

在目前的小区高楼供水中，还有很多采用恒速泵供水系统，水塔高位水箱供水和气压罐供水系统等供水方式。在这些供水方式中，由于扬水较高且电机一直高速运行，造成较大的电能消耗，目前的水费成本中，电费的比例达50%以上。

本文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，而且灵活性高，占地面积小，投资省，操作方便，运行可靠，具有良好的经济和社会效益。

1.2恒压供水技术的发展现状

1.2.1 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。

1.2.2 变频调速技术在恒压供水技术中的发展状况

近年来，交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。但长期以来，交流电的频率却一直固定而不能受人为控制。变频调速技术的出现使频率变成可以利用的资源。

随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业，并取得显著的经济效益。尤其在水泵、风机方面的应用，取得了显著的节能效果。

随着科学技术的进步，人民生活正趋向于高标准、高质量和现代化。在居民生活用水供水系统中，由于高层建筑越来越高，采用传统设备不能满足高层建筑高水压、大流量的快速供水需求。另外，在现代供水需求中，供水量是随机变化的，如果采用传统供水方式，难以保证供水的实时性，且能量浪费严重。随着交流电机变频调速技术的日臻完善，变频调速恒压供水方式可以很好地克服传统供水方法的缺点，成为一种很有发展前途的供水方式。

在笼式异步电机拖动离心水泵的恒压供水闭环系统中，在满足恒压供水的目标前提下，为了有效节能而采用了变频调速技术。当供水系统各出口流量随机变化时，各压力监测点处的压力传感器传递的压力信号实时地反应了各点压力的变化情况。用被单片机处理以后的该压力信号作为控制信号来控制变频调速网络的电机转速，通过控制电机转速的变化来达到恒压供水的目的。在该运行方式下，由于系统始终在设计压力点工作，没有剩余压力，因此没有能量浪费，达到了高效节能的效果。该系统控制原理框图见图1-1。由于变频调速技术的应用，恒压供水变频调速系统有效地解决了如下问题：

1、出口流量大时，管网压力偏低而导致出口流量不足的问题；

2、出口流量小时，管网压力偏大而导致管网寿命减少的问题；

3、阀门调节而导致的能量浪费问题。

图1-1变频调速恒压供水系统框图

综上所述，变频调速恒压供水系统主要具有以下优点：

（1）系统可根据供水系统出口水压和流量来控制变频器，完成对电机和水泵的转速控制，实现按需供水。

（2）不需要水塔、高位水箱和气罐，设备简单，控制实时性好，且能满足不断增加的供水需求。

（3）当建筑高度增加时，只需改变变频器的设定值就能满足新的供水需求，而无需改变供水系统。

（4）能根据系统出口水压和流量判别供水系统的运行状况，使系统运行在最合理的状态，达到节能目的。

1.2.3 模糊控制理论在恒压供水系统中的应用

在变频调速恒压供水系统中，利用模糊控制的相关理论，把系统输入的压力、流量等传感器信号以及系统的输出变量进行了模糊化处理，然后结合根据操作经验等制成的控制规则表，经过模糊推理，得到了系统控制的模糊控制表。在实时控制过程中，系统通过查找模糊控制表把实时采集的压力等输入信号转化成输出，然后通过模糊决策得到输出的清晰量，最后系统根据该清晰量进行电机变频控制，完成了恒压控制的模糊控制过程。具体实现请参考后续有关章节。

1.2.4 控制器发展现状

1.2.4.1 PID 控制

在过去的 50 年，调节 PID 控制器参数的方法获得了极大的发展。其中有利用开环阶跃响应信息，如 Coon-Cohen 响应曲线法[1]；还有使用Nyquist 曲线法的，如 Ziegler-Nichols 连续响应法。然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分，不能理想的调节参数。随着计算机技术的发展，人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中，根据现场实际情况，计算机能自动调整 PID 参数。这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作，改善响应特性而推动了自整定 PID 控制技术的发展。

自整定技术可追溯到 50 年代自适应控制处于萌芽时期，60 年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器，因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。80 年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用，才使得自整定控制器得以开发，PID 控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。

1.2.4.2 模糊 PID 控制

模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 L.A.Zaden 首先提出

的，经过 20 多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就[2、3]。模糊控制适用于非

线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而 PID 控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。在文献中介绍了多种能提高 PID 控制精度的模糊 PID 混合控制方案，例如：引入积分因子的模糊 PID 控制器；混合型模糊 PID 控制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应 PID 控制、神经网络模糊 PID 控制等。

1.2.4.3 模糊自整定 PID 控制

模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对 PID 参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差e 和误差变化c e 作为输入，可以满足不同时刻的e 和c e 对参数自整定

的要求。它将模糊控制和 PID 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强，调节速度快的优点，又具有 PID 控制无静差、稳定性好、精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。