基于虛擬儀器的模糊控制恒壓供水系統(tǒng)

0 引 言

　　城市供水，歷來(lái)是一個(gè)城市發(fā)展過程中的一大問題，目前城市能源的短缺已經(jīng)越來(lái)越限制了城市整體的發(fā)展，傳統(tǒng)的泵組供水系統(tǒng)不但使水壓高低不穩(wěn)，而且還浪費(fèi)大量的能源，使工廠的用電量急劇上升，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為了這個(gè)時(shí)代的主題。為了達(dá)到能源利用最大化，工程師們針對(duì)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了各種各樣的控制方法，但大都需要大量的設(shè)備投入和復(fù)雜編程，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制方式的自優(yōu)化。本文在傳統(tǒng)的控制方法基礎(chǔ)上，應(yīng)用虛擬儀器模糊控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，該方法編程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作界面美觀大方，控制可靠，即保證了供水壓力的穩(wěn)定性，節(jié)約了能源，同時(shí)也為將來(lái)城市供水網(wǎng)絡(luò)化管理提供了接口。 1虛擬儀器控制簡(jiǎn)介

1.1虛擬儀器

　　所謂虛擬儀器，就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義虛擬面板，測(cè)控功能由軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。使用者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺(tái)專用的測(cè)控儀器。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來(lái)模擬傳統(tǒng)的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理和保存，利用I／O接口設(shè)備完成信號(hào)采集、測(cè)量與控制。一臺(tái)計(jì)算機(jī)就是一臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)。

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(shè)計(jì)基于規(guī)則的模糊控制器，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)過程控制及專家系統(tǒng)。它有4個(gè)子VI組成：

　　(1)模糊邏輯控制器設(shè)計(jì)VI。它提供了友好的人機(jī)交互界面，由模糊隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則庫(kù)編輯器和輸入輸出性能測(cè)試三部分組成。

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

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

　　(4)測(cè)試模糊控制器VI。用來(lái)測(cè)試模糊控制器的基本性能。模糊化單元的作用在于將實(shí)數(shù)論域上的精確量轉(zhuǎn)化成模糊邏輯系統(tǒng)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(shè)計(jì)模糊控制器，而且還可以利用Labview各種函數(shù)庫(kù)，尤其是與數(shù)據(jù)采集設(shè)備等硬件相連接，迅速構(gòu)建所需的控制系統(tǒng)，進(jìn)行模糊控制器的實(shí)際仿真和應(yīng)用。

2城市供水模糊控制原理

2.1城市供水原理

　　整個(gè)控制系統(tǒng)由4臺(tái)泵組成，由一臺(tái)變頻器切換控制泵的啟、停、調(diào)速。通過編程使水泵按照一定的工藝要求來(lái)工作，在工作過程中，4臺(tái)水泵依照水壓的變化而依次啟動(dòng)，遵循的原則是先啟，先停，如圖1所示。

2.2恒壓供水控制原理

　　當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先在設(shè)定水壓值，之后啟動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)首先啟動(dòng)M1水泵，M1水泵的轉(zhuǎn)速開始增加，水管水壓逐漸增大，壓力檢測(cè)儀檢測(cè)水管壓力，實(shí)時(shí)傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過實(shí)時(shí)計(jì)算來(lái)判斷用戶用水量大小，如果在經(jīng)過T時(shí)間達(dá)不到設(shè)定值系統(tǒng)此時(shí)判斷用水量大，于是將M1泵由變頻控制轉(zhuǎn)為普通的工頻控制，實(shí)現(xiàn)全功率啟動(dòng)，再將M2水泵變頻啟動(dòng)，水泵的轉(zhuǎn)速增加，水壓進(jìn)一步加大，直到當(dāng)前的水壓值達(dá)到設(shè)定值，根據(jù)以上原理，在用水量增多時(shí)，則依次開啟水泵，反之，當(dāng)用水量減少，變頻減小水泵的轉(zhuǎn)速到下限值時(shí)，則依開啟的順序關(guān)閉水泵，使壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水，整個(gè)控制過程是動(dòng)態(tài)的，同時(shí)是自調(diào)整的，不需人為控制。

3應(yīng)用實(shí)例

3.1控制系統(tǒng)的硬件組成

　　基于虛擬儀器的模糊控制系統(tǒng)采用一臺(tái)PXI總線計(jì)算機(jī)，PXI6259模擬采集卡，信號(hào)調(diào)理，西門子變頻器和水泵組成。整個(gè)控制都在計(jì)算機(jī)上通過Labview8.2編程實(shí)現(xiàn)。

3.2 Labview軟件控制界面設(shè)計(jì)

　　使用Labview編程語(yǔ)言開發(fā)控制系統(tǒng)過程可分成兩步：(1)開發(fā)儀器面板、數(shù)據(jù)報(bào)表、板卡驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)分析程序等；(2)根據(jù)用戶需求生成具有儀器面板，相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析管理功能的虛擬儀器。基于虛擬儀器的模糊控制系統(tǒng)，如圖2所示。

3.3基于Labview編程的模糊控制器設(shè)計(jì)

　　以水壓給定值SV和實(shí)際的水壓測(cè)量值PV的誤差e及e的變化率ec為控制器的輸入，經(jīng)模糊化后轉(zhuǎn)為用模糊語(yǔ)言描述，通過模糊控制法則來(lái)判斷控制量的真實(shí)值，之后此值通過PXI6259模板采集，來(lái)控制變頻器，進(jìn)而控制水泵的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)取5個(gè)模糊集合來(lái)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(huán)境下運(yùn)行模糊邏輯控制器設(shè)計(jì)VI，通過隸屬函數(shù)編輯器設(shè)置輸入輸出變量語(yǔ)言值和相應(yīng)的隸屬函數(shù)，為了使模糊控制器在目標(biāo)范圍下快速反映，同時(shí)也為了減小噪音的影響，增強(qiáng)控制器的魯棒性，選取三角形隸屬函數(shù)。 在Labview環(huán)境下運(yùn)行FCT，打開FuzzyLog-icControlDesign模塊，并通過具有交互式界面的FuzzySetEditor設(shè)計(jì)輸入、輸出變量的論域范圍及各個(gè)語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)形狀等參數(shù)。3個(gè)變量e、ec和u的隸屬函數(shù)為三角形，論域均離散為[-4，-3，-2-1，0，1，2，3，4]9級(jí)，通過Labview模糊集合編輯器可以直觀方便地進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)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(huán)境，可以方便高效地進(jìn)行基本模糊控制器的設(shè)計(jì)。

　　整個(gè)控制簡(jiǎn)單、實(shí)用，界面簡(jiǎn)捷、直觀，便于操作，將保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行定期分析，來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，達(dá)到能源使用最大化。整個(gè)設(shè)計(jì)能夠滿足實(shí)際城市供水系統(tǒng)的要求，同時(shí)能夠達(dá)到節(jié)能最大化。

4結(jié) 論

　　基于虛擬儀器模糊控制恒壓供水系統(tǒng)投入工作以后，經(jīng)過一年多的運(yùn)行，其節(jié)能效果是明顯的，在用水高峰時(shí)，投入1到2臺(tái)工頻和1臺(tái)變頻調(diào)速；在用水低谷時(shí)，用1臺(tái)變頻即可滿足用戶的要求。同時(shí)不斷對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、優(yōu)化。此套控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，平均節(jié)電達(dá)到30％～35％，大大提高了節(jié)電率。