基于plc和模糊控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于PLC和模糊控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　為了解決由高塔供水和水泵直接供水模式造成的水質(zhì)低劣和浪費(fèi)電力問(wèn)題，我們引入了恒壓供水系統(tǒng)，它采用嵌入式的模糊控制技術(shù)，使PLC及變頻器作為其核心。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行，水管的壓力通過(guò)壓力傳感器從終端X0輸入到PLC。通過(guò)比較實(shí)測(cè)值與設(shè)定壓力值，由模糊計(jì)

2、算器輸出信號(hào)，PLC控制著變頻器工作頻率，從而控制水泵的旋轉(zhuǎn)速度和調(diào)節(jié)水管的壓力。本文設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制性能，是根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證被全權(quán)證明了的。硬件模塊是穩(wěn)定且可靠的，模糊控制器是合適且有效的，它能夠保證更穩(wěn)定的水壓。</p><p>　　關(guān)鍵詞：模糊控制；PLC；變頻調(diào)速控制</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　隨

3、著高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，，能源緊缺正變得越來(lái)越明顯別且人們對(duì)飲用水的水質(zhì)和可靠性的要求也越來(lái)越高。因此應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)恒定的供水系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)水資源的高節(jié)能型和高可靠性變成了一種不可避免的趨勢(shì)。</p><p>　　由于用戶對(duì)供水的需求往往不穩(wěn)定，為了保持恒定水壓力閉環(huán)監(jiān)管系統(tǒng)需要使用外圍變頻器，這在過(guò)去已廣泛地由PID實(shí)現(xiàn)了。然而，供水系統(tǒng)是一個(gè)具有巨大慣性且極為落后的系統(tǒng)同時(shí)用戶對(duì)供水需求已變得非常

4、有隨機(jī)性，這可能會(huì)導(dǎo)致這條管道的水壓的改變沒(méi)有任何規(guī)律，因此使得用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述這個(gè)過(guò)程變成了一個(gè)艱苦的工作。由此得出，利用傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)很難得到滿意的控制效果。</p><p>　　模糊控制技術(shù)在使用模糊推理來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制中是一個(gè)很好的方法，它不需要建立數(shù)學(xué)模型[1]。近年來(lái)，許多研究人員將模糊控制策略應(yīng)用于多種控制方案，并取得了令人滿意的結(jié)果。Li Zhong</p><p&

5、gt;　　和其他人設(shè)計(jì)了一種由PLC控制得模糊控制供水系統(tǒng)，它可以克服上述問(wèn)題能夠調(diào)整傳統(tǒng)PID控制很難修改的系統(tǒng)參數(shù)[2]。Zhao Bao-yong設(shè)計(jì)出的模糊PID控制器，在單個(gè)芯片上具有自我調(diào)節(jié)的要素，它在供水控制系統(tǒng)的非線性和滯后特點(diǎn)的控制中發(fā)揮了重要作用，也解決在傳統(tǒng)的PID控制中調(diào)整參數(shù)困難的問(wèn)題 [3]。LI Xin-chun設(shè)計(jì)了一個(gè)基于AT89C51和應(yīng)用模糊自適應(yīng)的PID算法的恒壓供水控制器 [4]。Qiao We

6、ide提出了對(duì)管道壓力的自適應(yīng)閉環(huán)控制設(shè)計(jì)功能，它通過(guò)組合管道網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯，現(xiàn)在此技術(shù)已經(jīng)很耐用和可靠了[5]。Wang Cai-xia設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊的水供應(yīng)一變頻系統(tǒng)控制三個(gè)水泵，此設(shè)計(jì)已大大降低了設(shè)計(jì)和操作成本[6]。</p><p>　　在上述計(jì)劃中，大部分是基于PID控制，它們有更大的頻率波動(dòng)并且容易導(dǎo)致管道中的水壓不穩(wěn)定。為了解決這些問(wèn)題，在全面系統(tǒng)得分析了供水的工作特點(diǎn)和為實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)控制要求的技術(shù)

7、后，我們已在PLC和變頻器的基礎(chǔ)上采取了模糊控制的方法來(lái)建立一個(gè)恒壓供水系統(tǒng)。我們利用模糊邏輯控制理論，來(lái)制造壓力傳感器輸出信號(hào)的輸入和控制變量模糊根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)模糊邏輯推理的模糊控制表。在實(shí)時(shí)控制過(guò)程中，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)檢測(cè)到輸出實(shí)時(shí)的壓力尋求模糊邏輯控制表，然后我們就得到了精確的輸出模糊決策。最后，系統(tǒng)根據(jù)精確的輸出來(lái)控制電機(jī)的頻率完成模糊邏輯控制的全過(guò)程以恒定水壓。經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試，我們已經(jīng)證明，本文設(shè)計(jì)的恒壓供水系統(tǒng)具有良好的

8、實(shí)時(shí)控制性能并且其硬件模塊工作穩(wěn)定可靠。在本文設(shè)計(jì)得自適應(yīng)模糊控制器也是正確和有效的，能夠保證水管里的水壓穩(wěn)定，確實(shí)是一個(gè)很好的控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　系統(tǒng)控制計(jì)劃 </b></p><p><b>　　系統(tǒng)控制原理</b></p><p>　　同時(shí)在系統(tǒng)中運(yùn)行3個(gè)水泵。 PLC周期實(shí)時(shí)檢測(cè)給定的壓力和實(shí)際

9、檢測(cè)到的管道網(wǎng)壓力，它們的值都被輸入到PLC。 模糊控制器計(jì)算它們的偏差E和變化 偏離率􀇻E。從而就得到了模糊控制模擬器的輸出控制信號(hào)。這是通過(guò)模擬轉(zhuǎn)換器發(fā)送到輸出模塊來(lái)調(diào)整泵的電機(jī)電源電壓和頻率。當(dāng)需要少量的水時(shí)，一個(gè)泵在變頻器控制下穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)需要大量的水以致于水泵全速運(yùn)行還不能保證在管道網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時(shí)， 下限PLC的壓力信號(hào)和變頻器的高速信號(hào)被PLC在同一時(shí)間檢測(cè)。 PLC使第一個(gè)泵從多種頻率狀態(tài)轉(zhuǎn)換到工作頻率狀

10、態(tài)，以保持壓力的連續(xù)性， 而另一個(gè)泵是由變頻器啟動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行，以增加管道網(wǎng)的水量來(lái)保持穩(wěn)定的壓力。如果運(yùn)行的 兩個(gè)水泵還不能滿足壓力要求，在變化頻率狀態(tài)的泵就轉(zhuǎn)化為在工作頻率的狀態(tài)，而另一個(gè)泵將啟動(dòng)。當(dāng)用水量減少，信號(hào)顯示變頻器工作在 最低速度就是有效的。此時(shí)如果壓力 上限信號(hào)仍然存在，PLC將停止第一個(gè)運(yùn)行在工作頻率狀態(tài)的泵以減少水量供應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)仍在存在時(shí)，只要最后的泵由變頻器啟動(dòng)供水，PLC就會(huì)終止第二個(gè)運(yùn)行在工作頻率狀態(tài)的泵。&

11、lt;/p><p>　　系統(tǒng)硬件 系統(tǒng)選用西門(mén)子S7 - 214PLC [7]，配有I / O擴(kuò)展模塊。主要檢測(cè)元件是光控開(kāi)關(guān)，壓力檢測(cè)開(kāi)關(guān)，總共有12個(gè)輸入信號(hào)。執(zhí)行元件是電機(jī)，變頻器，聲光報(bào)警器等等，總共3個(gè)輸出點(diǎn)。控制系統(tǒng)原理圖所示圖。 1。</p><p>　　PLC主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)，報(bào)警，控制變頻器</p><p>　　完成調(diào)整壓力。三個(gè)

12、泵的驅(qū)動(dòng)由變頻器直接驅(qū)動(dòng)以保持壓力恒定。變頻器的啟動(dòng)和停止分為手動(dòng)控制和PLC控制。在控制面板上有一個(gè)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，自動(dòng)時(shí)PLC有實(shí)時(shí)檢測(cè)狀態(tài)。當(dāng)選定手動(dòng)功能時(shí)，水泵的啟動(dòng)和停止以及對(duì)水泵開(kāi)關(guān)操作是通過(guò)面板上的按鈕和開(kāi)關(guān)手動(dòng)控制的。當(dāng)自動(dòng)功能被選擇時(shí)，所有控制和報(bào)警由PLC完成。</p><p>　　三．模糊控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用二維模糊控制器。

13、 </p><p>　　輸入量是給定的水壓力同測(cè)量的自來(lái)水管網(wǎng)的水壓力的偏差E，并且這個(gè)偏差的變化率是兩個(gè)偏差計(jì)算得到的。模糊控制器的輸出是控制系統(tǒng)的增量􀇻U。模糊控制的規(guī)則是根據(jù)供水住宅區(qū)的實(shí)際情況和操作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而成的。相應(yīng)的控制決策可以由基

14、于模糊控制規(guī)則和模糊推理合成規(guī)則獲得，同時(shí)相應(yīng)的水量控制可以從最大用戶原則下得到。當(dāng)電腦計(jì)算完成，并已反復(fù)調(diào)試和修正后，模糊控制表將可以在實(shí)踐中應(yīng)用，這時(shí)就可以輸入到PLC內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，它開(kāi)始從輸入數(shù)據(jù)里計(jì)算E，􀇻E同時(shí)計(jì)算模糊域值。然后搜索模糊控制表以獲得控制數(shù)量，而后頻率轉(zhuǎn)換器的輸出由控制數(shù)量乘以比例系數(shù)得到[8,9]。</p><p>　　A.輸入輸出模糊變量</p>&

15、lt;p>　　The universes of discourse of input variable E and 􀇻E</p><p>　　are {-3,-2,-1,0,1,2,3}. Its Fuzzy language values are</p><p>　　{NB(negative big), NM(negative middle), NS(negati

16、ve</p><p>　　small), ZO(zero), PS(positive small), PM (positive middle)</p><p>　　and PB(positive big)}. Membership function uses triangle ,</p><p>　　shows in Fig. 2.</p><p

17、>　　The universes of discourse of output variable 􀇻U are {-</p><p>　　4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}. Its Fuzzy language values are {</p><p>　　NB(negative big), NM(negative middle), NS (negativ

18、e</p><p>　　small), ZO(zero), PS(positive small), PM (positive middle)</p><p>　　and PB(positive big)}. Membership function uses triangle ,</p><p>　　shows in Fig. 3.</p><p&

19、gt;<b>　　B,模糊規(guī)則表 </b></p><p>　　模糊規(guī)則表的表一顯示，這是從一線操作者手動(dòng)調(diào)節(jié)水的壓力的經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)而成。</p><p>　　C.模糊關(guān)系矩陣和模糊控制查詢表</p><p>　　表一顯示的雙輸入和單輸出語(yǔ)言控制策略是由49個(gè)模糊的條件組成。我們通過(guò)同最大用戶法則一致來(lái)消除模糊值􀇻U來(lái)獲得的精

20、確的數(shù)值。因?yàn)?所有的組合元素都在E和􀇻E內(nèi)，我們能夠計(jì)算出與??ü相應(yīng)于每個(gè)組合得確切數(shù)值。因此，我們可以得到模糊控制查詢表。 </p><p><b>　　四。系統(tǒng)軟件 </b></p><p>　　為了編程和調(diào)試的方便， 系統(tǒng)控制器采用模塊化編程。主要模塊包括手工操作模塊，自動(dòng) 操作模塊，故障診斷和報(bào)警模塊。</p>

21、<p>　　A：手動(dòng)運(yùn)行模塊 當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，PLC的只接收 保護(hù)電路和傳感器的信號(hào)并且檢測(cè) 水泵的運(yùn)行狀態(tài)。在發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警器 信號(hào)輸出。通過(guò)控制板上的按鈕和開(kāi)關(guān)可以手動(dòng)控制啟動(dòng)，停止，以及水泵的開(kāi)關(guān) 。B.自動(dòng)運(yùn)行模塊 自動(dòng)操作模塊包括系統(tǒng)初始化，測(cè)試的啟動(dòng)順序，數(shù)據(jù)采集 子程序，模糊控制子程序，初始值 子程序，電機(jī)控制子程序等。模塊 流程圖如圖。 4。 </p><

22、p>　　數(shù)據(jù)采集子程序：完成從主管道獲得壓力數(shù)據(jù)。 </p><p><b>　　電機(jī)控制子程序：</b></p><p>　　操作和控制 三個(gè)水泵。頻率器的輸出頻率與水泵的速度相關(guān)。結(jié)果是，耗水量越大，轉(zhuǎn)換器的輸出頻率越大，從而水泵的速度變得更大。然而小的用水量時(shí)，變頻器的輸出頻率就低了，于是泵的速度降低了。當(dāng)頻率達(dá)到50赫茲，即泵全速運(yùn)行，但是它不能滿足

23、供水要求時(shí)，PLC會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換第一個(gè)泵從可變頻率到工作頻率狀態(tài)。 同時(shí)由變頻器啟動(dòng)的第二個(gè)泵就會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果第二泵已全速運(yùn)行 ，但還是不能滿足供水需求時(shí)，PLC會(huì)自動(dòng)切換第二泵到工作 頻率操作，由變頻器啟動(dòng)的第三個(gè)泵就開(kāi)始運(yùn)行。根據(jù)從低到高， 水泵將逐一投入運(yùn)行。當(dāng)有兩個(gè) 全速運(yùn)行的水泵并工作在工作頻率狀態(tài)而第三泵工作在變頻狀態(tài)，水 需求量減少同時(shí)輸出頻率就會(huì)下降。 如果頻率達(dá)到了最低的限度，而供水也 大于用水量時(shí)，系統(tǒng) 會(huì)自動(dòng)停止第三個(gè)水

24、泵。同理，如果在第三個(gè) 泵停止后供水 仍大于用水量，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止第二個(gè)泵， 等等以此類推。..</p><p><b>　　模糊控制子程序：</b></p><p>　　它被稱作是時(shí)間中斷。它的功能是通過(guò)調(diào)節(jié)泵的速度來(lái)保持恒定的輸出水 壓力。當(dāng)主程序?qū)⑾到y(tǒng)初始化，我們首先得到 目前的實(shí)際水壓。我們還可以得到本 錯(cuò)誤數(shù)量減去使用這種壓力的壓力 設(shè)置和誤差的變化將變得目

25、前使用 錯(cuò)誤數(shù)量減去以前的錯(cuò)誤數(shù)量。和那么我們可以透過(guò)模糊的模糊控制音量量變到錯(cuò)誤的數(shù)量及其變化和尋求模糊控制表。最后，真正的控制量，來(lái)自模糊控制量的規(guī)模乘以因子控制由PLC和變頻器頻率的溝通，以保持恒壓供水供應(yīng)。其流程圖如圖。 5。</p><p>　　C.故障診斷和報(bào)警模塊</p><p>　　變頻器具有避免短路和超載的功能。當(dāng)水水泵電機(jī)有短路，過(guò)載故障時(shí)，變頻器將自動(dòng)切斷電源供電線路

26、，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并且輸出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)連接輔助節(jié)點(diǎn)接觸器，斷路器對(duì)應(yīng)點(diǎn)沒(méi)有PLC同時(shí)PLC會(huì)掃描這些接觸點(diǎn)的狀態(tài)。這些狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)PLC存儲(chǔ)在存儲(chǔ)區(qū)域。根據(jù)邏輯分析控制程序和狀態(tài)的設(shè)置，系統(tǒng)可以判斷是否有設(shè)備或部件故障。如果有故障，水泵的接觸將被切斷，變頻器將重置。然后是后備泵的接觸將閉合，這時(shí)備份泵將啟動(dòng)。在同時(shí)，系統(tǒng)將輸出泵的故障報(bào)警信號(hào)，如照明指標(biāo)。</p><p>　　五，結(jié)論 模糊控制理論是用來(lái)轉(zhuǎn)

27、換系統(tǒng)的輸入到輸出，在人工控制時(shí)以豐富人們的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)然，這反映在自動(dòng)控制過(guò)程，并為系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供一個(gè)保證。 PLC是作為控制器，其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。水泵系統(tǒng)的電機(jī)可以無(wú)級(jí)變速調(diào)速。它的運(yùn)行參數(shù)可以自動(dòng)調(diào)整以保持恒定水壓來(lái)滿足當(dāng)用水量變化時(shí)的要求。此外，在的S7-214 PLC基本單元內(nèi)有一個(gè)RS - 485接口，通過(guò)它可以同樓宇監(jiān)測(cè)中心保持通訊從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的遠(yuǎn)程控制。經(jīng)過(guò)6個(gè)月的測(cè)試，這個(gè)系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定，操作可靠和節(jié)能效果

28、。</p><p><b>　　參考書(shū)目</b></p><p>　　[1] Zadeh L.A, “Fuzzy sets information and control”,1965,(8),pp.338-</p><p><b>　　353.</b></p><p>　　[2] Zhong Li,

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