基于虛擬儀器的模糊控制恒壓供水系統

0 引 言

　　城市供水，歷來(lái)是一個(gè)城市發(fā)展過(guò)程中的一大問(wèn)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(chǎng)的用電量急劇上升，節能環(huán)保已經(jīng)成為了這個(gè)時(shí)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(wú)法實(shí)現控制方式的自?xún)?yōu)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(shù)來(lái)實(shí)現恒壓供水，該方法編程設計簡(jiǎn)單，操作界面美觀(guān)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(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，就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶(hù)設計定義虛擬面板，測控功能由軟件實(shí)現的一種計算機儀器系統。使用者用鼠標或鍵盤(pán)操作虛擬面板，就如同使用一臺專(zhuān)用的測控儀器。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計算機顯示器的顯示功能來(lái)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(shí)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(lǐng)域為工業(yè)過(guò)程控制及專(zhuān)家系統。它有4個(gè)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(guò)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(gè)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(lái)測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(jìn)行模糊控制器的實(shí)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(gè)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(guò)編程使水泵按照一定的工藝要求來(lái)工作，在工作過(guò)程中，4臺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

　　當系統開(kāi)始工作時(shí)，首先在設定水壓值，之后啟動(dòng)系統。系統首先啟動(dòng)M1水泵，M1水泵的轉速開(kāi)始增加，水管水壓逐漸增大，壓力檢測儀檢測水管壓力，實(shí)時(shí)傳給計算機，計算機通過(guò)實(shí)時(shí)計算來(lái)判斷用戶(hù)用水量大小，如果在經(jīng)過(guò)T時(shí)間達不到設定值系統此時(shí)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(shí)現全功率啟動(dòng)，再將M2水泵變頻啟動(dòng)，水泵的轉速增加，水壓進(jìn)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(shí)，則依次開(kāi)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(shí)，則依開(kāi)啟的順序關(guān)閉水泵，使壓力穩定在設定值，實(shí)現了恒壓供水，整個(gè)控制過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，同時(shí)是自調整的，不需人為控制。

3應用實(shí)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(xiàn)計算機，PXI6259模擬采集卡，信號調理，西門(mén)子變頻器和水泵組成。整個(gè)控制都在計算機上通過(guò)Labview8.2編程實(shí)現。

3.2 Labview軟件控制界面設計

　　使用Labview編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)控制系統過(guò)程可分成兩步：(1)開(kāi)發(fā)儀器面板、數據報表、板卡驅動(dòng)程序、數據分析程序等；(2)根據用戶(hù)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。

3.3基于Labview編程的模糊控制器設計

　　以水壓給定值SV和實(shí)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(jīng)模糊化后轉為用模糊語(yǔ)言描述，通過(guò)模糊控制法則來(lái)判斷控制量的真實(shí)值，之后此值通過(guò)PXI6259模板采集，來(lái)控制變頻器，進(jìn)而控制水泵的轉速。該系統取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)境下運行模糊邏輯控制器設計VI，通過(guò)隸屬函數編輯器設置輸入輸出變量語(yǔ)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(shí)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(huán)境下運行FCT，打開(kāi)FuzzyLog-icControlDesign模塊，并通過(guò)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(gè)語(yǔ)言變量的隸屬函數形狀等參數。3個(gè)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(guò)Labview模糊集合編輯器可以直觀(guān)方便地進(jìn)行各項參數的設計和修改。通過(guò)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計。

　　整個(gè)控制簡(jiǎn)單、實(shí)用，界面簡(jiǎn)捷、直觀(guān)，便于操作，將保存的數據進(jìn)行定期分析，來(lái)優(yōu)化系統參數，達到能源使用最大化。整個(gè)設計能夠滿(mǎn)足實(shí)際城市供水系統的要求，同時(shí)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(jīng)過(guò)一年多的運行，其節能效果是明顯的，在用水高峰時(shí)，投入1到2臺工頻和1臺變頻調速；在用水低谷時(shí)，用1臺變頻即可滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。同時(shí)不斷對系統采集的數據進(jìn)行分析、優(yōu)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。