通過利用虛擬儀器模糊控制技術來實現恒壓供水系統(tǒng)的設計

城市供水，歷來是一個城市發(fā)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(fā)展，傳統(tǒng)的泵組供水系統(tǒng)不但使水壓高低不穩(wěn)，而且還浪費大量的能源，使工廠的用電量急劇上升，節(jié)能環(huán)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(tǒng)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(yōu)化。本文在傳統(tǒng)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(wěn)定性，節(jié)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(tǒng)。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(tǒng)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(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計基于規(guī)則的模糊控制器，主要應用領域為工業(yè)過程控制及專家系統(tǒng)。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(guī)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(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(tǒng)，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(tǒng)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。

2.2恒壓供水控制原理

當系統(tǒng)開始工作時，首先在設定水壓值，之后啟動系統(tǒng)。系統(tǒng)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(tǒng)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(wěn)定在設定值，實現了恒壓供水，整個控制過程是動態(tài)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(tǒng)的硬件組成

基于虛擬儀器的模糊控制系統(tǒng)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(fā)控制系統(tǒng)過程可分成兩步：(1)開發(fā)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。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(tǒng)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(huán)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(huán)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(huán)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(yōu)化系統(tǒng)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(tǒng)的要求，同時能夠達到節(jié)能最大化。

4、結 論

基于虛擬儀器模糊控制恒壓供水系統(tǒng)投入工作以后，經過一年多的運行，其節(jié)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(tǒng)采集的數據進行分析、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)電達到30%～35%，大大提高了節(jié)電率。

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