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通過利用虛擬儀器模糊控制技術來實現恒壓供水系統的設計

2020-02-14
來源:電子發燒友

  城市供水,歷來是一個城市發展過程中的一大問題,目前城市能源的短缺已經越來越限制了城市整體的發展,傳統的泵組供水系統不但使水壓高低不穩,而且還浪費大量的能源,使工廠的用電量急劇上升,節能環保已經成為了這個時代的主題。為了達到能源利用最大化,工程師們針對供水系統設計出了各種各樣的控制方法,但大都需要大量的設備投入和復雜編程,而且無法實現控制方式的自優化。本文在傳統的控制方法基礎上,應用虛擬儀器模糊控制技術來實現恒壓供水,該方法編程設計簡單,操作界面美觀大方,控制可靠,即保證了供水壓力的穩定性,節約了能源,同時也為將來城市供水網絡化管理提供了接口。 1虛擬儀器控制簡介

  1.1虛擬儀器

  所謂虛擬儀器,就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上,由用戶設計定義虛擬面板,測控功能由軟件實現的一種計算機儀器系統。使用者用鼠標或鍵盤操作虛擬面板,就如同使用一臺專用的測控儀器。虛擬儀器的實質是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統的控制面板,以多種形式表達輸出結果,利用計算機強大的軟件功能實現數據的運算、分析、處理和保存,利用I/O接口設備完成信號采集、測量與控制。一臺計算機就是一臺測控系統。

  1.2虛擬儀器模糊控制器

  虛擬儀器的模糊邏輯工具箱用于設計基于規則的模糊控制器,主要應用領域為工業過程控制及專家系統。它有4個子VI組成:

  (1)模糊邏輯控制器設計VI。它提供了友好的人機交互界面,由模糊隸屬函數編輯器、模糊規則庫編輯器和輸入輸出性能測試三部分組成。

  (2)加載模糊控制器VI。通過它將存于擴展名為FC的文件中的所有模糊控制器參數加載到模糊控制器VI中。

  (3)模糊控制器VI。它可以將設計好的模糊控制器作為一個功能模塊添加到Labview的框圖程序中。

  (4)測試模糊控制器VI。用來測試模糊控制器的基本性能。模糊化單元的作用在于將實數論域上的精確量轉化成模糊邏輯系統所能處理的模糊量,亦即隸屬度。使用Labview的模糊邏輯工具箱,不但可以在友好的圖形化界面下設計模糊控制器,而且還可以利用Labview各種函數庫,尤其是與數據采集設備等硬件相連接,迅速構建所需的控制系統,進行模糊控制器的實際仿真和應用。

  2、城市供水模糊控制原理

  2.1城市供水原理

  整個控制系統由4臺泵組成,由一臺變頻器切換控制泵的啟、停、調速。通過編程使水泵按照一定的工藝要求來工作,在工作過程中,4臺水泵依照水壓的變化而依次啟動,遵循的原則是先啟,先停,如圖1所示。

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  2.2恒壓供水控制原理

  當系統開始工作時,首先在設定水壓值,之后啟動系統。系統首先啟動M1水泵,M1水泵的轉速開始增加,水管水壓逐漸增大,壓力檢測儀檢測水管壓力,實時傳給計算機,計算機通過實時計算來判斷用戶用水量大小,如果在經過T時間達不到設定值系統此時判斷用水量大,于是將M1泵由變頻控制轉為普通的工頻控制,實現全功率啟動,再將M2水泵變頻啟動,水泵的轉速增加,水壓進一步加大,直到當前的水壓值達到設定值,根據以上原理,在用水量增多時,則依次開啟水泵,反之,當用水量減少,變頻減小水泵的轉速到下限值時,則依開啟的順序關閉水泵,使壓力穩定在設定值,實現了恒壓供水,整個控制過程是動態的,同時是自調整的,不需人為控制。

  3、應用實例

  3.1控制系統的硬件組成

  基于虛擬儀器的模糊控制系統采用一臺PXI總線計算機,PXI6259模擬采集卡,信號調理,西門子變頻器和水泵組成。整個控制都在計算機上通過Labview8.2編程實現。

  3.2 Labview軟件控制界面設計

  使用Labview編程語言開發控制系統過程可分成兩步:(1)開發儀器面板、數據報表、板卡驅動程序、數據分析程序等;(2)根據用戶需求生成具有儀器面板,相應的數據分析管理功能的虛擬儀器?;谔摂M儀器的模糊控制系統,如圖2所示。

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  3.3基于Labview編程的模糊控制器設計

  以水壓給定值SV和實際的水壓測量值PV的誤差e及e的變化率ec為控制器的輸入,經模糊化后轉為用模糊語言描述,通過模糊控制法則來判斷控制量的真實值,之后此值通過PXI6259模板采集,來控制變頻器,進而控制水泵的轉速。該系統取5個模糊集合來描述水壓的誤差e,誤差變化率ec和控制量u,在域{-4,4)上模糊集如下[NL,NB,NM,NS,0,PS,PM,PB,PL]。

  在Labview環境下運行模糊邏輯控制器設計VI,通過隸屬函數編輯器設置輸入輸出變量語言值和相應的隸屬函數,為了使模糊控制器在目標范圍下快速反映,同時也為了減小噪音的影響,增強控制器的魯棒性,選取三角形隸屬函數。 在Labview環境下運行FCT,打開FuzzyLog-icControlDesign模塊,并通過具有交互式界面的FuzzySetEditor設計輸入、輸出變量的論域范圍及各個語言變量的隸屬函數形狀等參數。3個變量e、ec和u的隸屬函數為三角形,論域均離散為[-4,-3,-2-1,0,1,2,3,4]9級,通過Labview模糊集合編輯器可以直觀方便地進行各項參數的設計和修改。通過Labview及其模糊邏輯工具包提供的交互式的圖形編程環境,可以方便高效地進行基本模糊控制器的設計。

  整個控制簡單、實用,界面簡捷、直觀,便于操作,將保存的數據進行定期分析,來優化系統參數,達到能源使用最大化。整個設計能夠滿足實際城市供水系統的要求,同時能夠達到節能最大化。

  4、結 論

  基于虛擬儀器模糊控制恒壓供水系統投入工作以后,經過一年多的運行,其節能效果是明顯的,在用水高峰時,投入1到2臺工頻和1臺變頻調速;在用水低谷時,用1臺變頻即可滿足用戶的要求。同時不斷對系統采集的數據進行分析、優化。此套控制系統與傳統控制系統相比,平均節電達到30%~35%,大大提高了節電率。


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