DZ175智能恒压控制系统设计
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毕 业 设 计 (论 文 )开 题 报 告信息与电子工程系工业电气自动化技术专业 03 级 1 班课题名称:智能恒压供水系统设计毕业设计(论文)起止时间:2006 年 2 月 15 日6 月 6 日(共 16周)学生姓名: 高 静 学 号: 200302010125 指导教师:黄云龙 朱秋琴 廖东进 报告日期: 2006.06.06 . 毕 业 设 计 (论 文 ) 信息与电子工程系工业电气自动化技术专业 03 级 1 班课题名称:智能恒压供水系统设计毕业设计(论文)起止时间:2006 年 2 月 15 日6 月 06 日(共 16周)学生姓名: 高 静 学 号: 200302010125 指导教师:黄云龙 朱秋琴 廖东进 报告日期: 2006.06.06 . 毕业设计(论文)任务书学生姓名 _高静 指导教师_黄云龙、廖东进、朱秋琴 职称副教授、助教、助教 系别_信息与电子工程系 专业 工业电气自动化技术 年级 03 班级 1 班 课题名称 供水管道恒压智能控制系统设计 任务与要求:一、 设计(论文)要求:本课题的主要任务是通过单片机控制系统,实现对供水管道的恒压智能控制。具体设计方案如下:采用传感器完成对水压的数据采集,并把水压量转换为电压值,经过放大、A/D 转换为数字量进入单片机控制系统,与单片机中预置的参量进行比较后,得到误差量,并与上一次采集的误差量进行比较,得到误差的变化量,把误差量和误差的变化量作为模糊控制器的输入,经过软件进行处理,输出控制量,经过 D/A 转换后作为变频器的给定信号控制变频器的输出电压和频率,从而调整水泵的电机转速,实现水压的自动调节,使管道压力稳定在设定值附近。设计的主要内容和要求:1、 根据所选的课题,参考一些优秀的学习网站,完成该课题的建设。2、 参与该课题的各位同学必须分工合作。在设计中既要有自己一定的工作量,同时具备良好的团队合作精神。3、 毕业设计论文体现了毕业设计的质量,所以各位同学必须在论文中体现自己在毕业设计中所采用的方法、思想以及设计策略。论文的格式包括:(1)中英文摘要(2)目录(3)正文(4)致谢(5)参考文献(6)附录。论文书写要求语言精练、简洁,表达力求准确,字数 12000 以上,最后要求用 A4 开纸打印,并装订成册,形成书目结构。4、 在整个设计当中要严格按照学校和系部的各种规章制度和要求,按时完成所要求完成的任务。二、 设计(论文)条件:提供设计所需的书籍、计算机、单片机设计所需的设备等。三、 设计(论文)资料:提供供水系统、单片机设计等相关所需资料。四、 设计(论文)教学要求:(可以同一专业相同)要求同学们有较强的学习和自学能力,能根据需要查找资料,独立思考和设计。要求同学熟悉供水系统的结构并具有一定的单片机设计能力。五、 设计(论文)进度安排:(可以同一专业相同)第 01 周至第 02 周:查阅中文及英文资料(并翻译一篇外文资料) ,了解步进电机的工作原理以及单片机设计内容,收集相关资料;第 03 周至第 03 周:完成毕业设计(论文)开题报告,并开始进行毕业设计;第 04 周至第 08 周:完成控制系统的硬件设计;第 09 周至第 12 周:完成控制系统的软件设计;第 13 周至第 13 周:软件和硬件的调试;第 14 周至第 15 周:整理相关资料,完成毕业设计(论文)手稿及最终电脑打印的毕业论文;第 16 周至第 16 周:毕业设计(论文)小组答辩;第 17 周至第 17 周:答辩。六、 学生分组名单陈永生、徐立、高静毕 业 设 计 (论 文 )开 题 报 告信息与电子工程系工业电气自动化技术专业 03 级 1 班课题名称:智能恒压供水系统设计毕业设计(论文)起止时间:2006 年 2 月 15 日6 月 6 日(共 16周)学生姓名: 高 静 学 号: 200302010125 指导教师:黄云龙 朱秋琴 廖东进 报告日期: 2006.06.06 . 毕 业 设 计 (论 文 ) 信息与电子工程系工业电气自动化技术专业 03 级 1 班课题名称:智能恒压供水系统设计毕业设计(论文)起止时间:2006 年 2 月 15 日6 月 06 日(共 16周)学生姓名: 高 静 学 号: 200302010125 指导教师:黄云龙 朱秋琴 廖东进 报告日期: 2006.06.06 . 毕业设计(论文)任务书学生姓名 _高静 指导教师_黄云龙、廖东进、朱秋琴 职称副教授、助教、助教 系别_信息与电子工程系 专业 工业电气自动化技术 年级 03 班级 1 班 课题名称 供水管道恒压智能控制系统设计 任务与要求:一、 设计(论文)要求:本课题的主要任务是通过单片机控制系统,实现对供水管道的恒压智能控制。具体设计方案如下:采用传感器完成对水压的数据采集,并把水压量转换为电压值,经过放大、A/D 转换为数字量进入单片机控制系统,与单片机中预置的参量进行比较后,得到误差量,并与上一次采集的误差量进行比较,得到误差的变化量,把误差量和误差的变化量作为模糊控制器的输入,经过软件进行处理,输出控制量,经过 D/A 转换后作为变频器的给定信号控制变频器的输出电压和频率,从而调整水泵的电机转速,实现水压的自动调节,使管道压力稳定在设定值附近。设计的主要内容和要求:1、 根据所选的课题,参考一些优秀的学习网站,完成该课题的建设。2、 参与该课题的各位同学必须分工合作。在设计中既要有自己一定的工作量,同时具备良好的团队合作精神。3、 毕业设计论文体现了毕业设计的质量,所以各位同学必须在论文中体现自己在毕业设计中所采用的方法、思想以及设计策略。论文的格式包括:(1)中英文摘要(2)目录(3)正文(4)致谢(5)参考文献(6)附录。论文书写要求语言精练、简洁,表达力求准确,字数 12000 以上,最后要求用 A4 开纸打印,并装订成册,形成书目结构。4、 在整个设计当中要严格按照学校和系部的各种规章制度和要求,按时完成所要求完成的任务。二、 设计(论文)条件:提供设计所需的书籍、计算机、单片机设计所需的设备等。三、 设计(论文)资料:提供供水系统、单片机设计等相关所需资料。四、 设计(论文)教学要求:(可以同一专业相同)要求同学们有较强的学习和自学能力,能根据需要查找资料,独立思考和设计。要求同学熟悉供水系统的结构并具有一定的单片机设计能力。五、 设计(论文)进度安排:(可以同一专业相同)第 01 周至第 02 周:查阅中文及英文资料(并翻译一篇外文资料) ,了解步进电机的工作原理以及单片机设计内容,收集相关资料;第 03 周至第 03 周:完成毕业设计(论文)开题报告,并开始进行毕业设计;第 04 周至第 08 周:完成控制系统的硬件设计;第 09 周至第 12 周:完成控制系统的软件设计;第 13 周至第 13 周:软件和硬件的调试;第 14 周至第 15 周:整理相关资料,完成毕业设计(论文)手稿及最终电脑打印的毕业论文;第 16 周至第 16 周:毕业设计(论文)小组答辩;第 17 周至第 17 周:答辩。六、 学生分组名单陈永生、徐立、高静浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 1 -1.课题所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述模糊控制在恒压供水系统的国内外研究现状迄今,处理现实对象的数学模型可以分为三大类:确定性数学模型、随机性数学模型和模糊性数学模型。前两者的共同点是所描述的事物本身的含义是确定的,后者则是不确定的。由于世界的复杂性和多样性,随着科技的发展,我们研究的对象越来越复杂,而复杂的对象是难以精确的,即是模糊的。比如,高、低、胖、瘦就是模糊性的概念。为了描述和处理世界的模糊性,产生了一门数学即模糊数学。模糊理论的研究对象就是世界的模糊性。 自从 1965 年美国自动控制理论学家 I A. Zedeh 引入模糊集合以来,模糊理论有了很大的发展,其应用也越来越广泛。其应用包括模糊分类、模糊识别、模糊诊断、模糊控制、模糊智能等。规模糊控制的两个主要问题在于:改进稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。在实际应用中,往往是将模糊控制或模糊推理的思想,与其它相对成熟的控制理论或方法结合起来,发挥各自的长处,从而获得理想的控制效果。由于模糊规则和语言很容易被人们广泛接受,加上模糊化技术在微处理器和计算机中能很方便的实现,所以这种结合展现出强大的生命力和良好的效果。对模糊控制的改进方法可大致的分为模糊复合控制,自适应和自学习模糊控制,以及模糊控制与智能化方法的结合等三个方面。(1)小需要建立被控过程的数学模型,控制指标和参数都是模糊概念。这样,我们小至于为建立数学模型而陷入死区。(2)理论基础是模糊理论,采用模糊语言和知识,描述过程比较接近实际,便于获取和表示所需要的知识,模糊逻辑最适宜作知识的表达,连续变量有效地被压缩。(3)模糊控制具有良好的鲁棒性。模糊 IC 卡及其开发系统的实现有利于推动模糊控制的发展。1、适应和自学习模糊控制: 自校正模糊控制器 :修改控制规则的自校正模糊控制器,从响应性能指标的评价出发,用模糊集合平移或隶属函数参数的改变,来实现控制规则的部分或全面修正,也可通过修正规则表或隶属函数本身来进行调整;基于模糊模型的自校正模糊控制器,包括利用模糊集理论辨识系统模型的语言化方法,基于参考模糊集的系统模糊关系模型辨识方法,以及由 I/O数据建立模糊规则模型,并以此作为自校正控制器设计的基础等。 参数自调整模糊控制 :自调整比例因子的模糊控制,引入性能测量和比例因子调整的功能,在线改变模糊控制器的参数,较大的增强了对环境变化的适应能力;基于模糊推理的 PID 自整定控制,如参数自整定模糊 PD控制,以及类似的 PI 及 PID 控制等。 模型参考自适应模糊控制器 :利用参考模型输出与控制作用下系统输出间的偏差来修正模糊控制器的输出,包括比例因子、解模糊策略、模糊控制规则等。 具有自学习功能的模糊控制 :包括多种对外扰影响或重复任务的性能具有自学习功能的模糊控制方法,以及自寻优模糊控制器等,其关键在于自寻优算法的设计,尤其是提高其速度和效率。自组织模糊控制器 :将参浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 2 -考模型和自组织机制相结合的模糊模型参考学习控制,及自适应递阶模糊控制等更高级的自组织形式具有很大的发展潜力。 2、模糊控制与其它智能控制方法的结合:尽管模糊控制在概念和理论上仍然存在着不少争议,但进入 90 年代以来,由于国际上许多著名学者的参与,以及大量工程应用上取得的成功,尤其是对无法用经典与现代控制理论建立精确数学模型的复杂系统特别显得成绩非凡,因而导致了更为广泛深入的研究,事实上模糊控制已作为智能控制的一个重要分支确定了下来。 3、专家模糊控制: 专家系统能够表达和利用控制复杂过程和对象所需的启发式知识,重视知识的多层次和分类的需要,弥补了模糊控制器结构过于简单、规则比较单一的缺陷,赋予了模糊控制更高的智能 ;二者的结合还能够拥有过程控制复杂的知识,并能够在更为复杂的情况下对这些知识加以有效利用。4、基于神经网络的模糊控制: 神经网络实现局部或全部的模糊逻辑控制功能,前者如利用神经网络实现模糊控制规则或模糊推理,后者通常要求网络层数多于三层 ;自适应神经网络模糊控制,利用神经网络的学习功能作为模型辨识或直接用作控制器;基于模糊神经网络的隶属函数及推理规则的获取方法,具有模糊连接强度的模糊神经网等,均在控制中有所应用;模糊系统与遗传算法相结合的控制器设计方法则提供了更为新颖的思路。 此外,模糊预测控制,模糊变结构方法,模糊系统建模及参数辨识,糊模式识别等的研究,也都属于较为前沿的研究方向。 二、模糊控制研究方向展望 模糊控制仍然是一个充满争议的领域。由于它的发展历史还不长,理论上的系统性和完善性,技术上的成熟性和规范性都还是不够的,有待人们的进一步提高。 模糊系统理论还有一些重要的理论课题没有解决。其中两个重要的问题是 :如何获得模糊规则及隶属函数,这在目前完全凭经验来进行;以及如何保证模糊系统的稳定性。 大体说来,在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要课题为: 适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法,稳定性评价理论体系 ;控制器的鲁棒性分析,系统的可控性和可观测性判定方法等。 模糊控制规则设计方法的研究,包括模糊集合隶属函数的设定方法,量化水平,采样周期的最优选择,规则的系数,最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题 ;进一步则要求我们给出模糊控制器的系统化设计方法。 模糊控制器参数最优调整理论的确定,以及修正推理规则的学习方式和算法等。 模糊动态模型的辨识方法。 模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。神经网络与模糊控制相结合,有望发展一套新的智能控制理论。模糊控制算法改进的研究 :由于模糊逻辑的范畴很广,包含大量的概念和原则;然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多。这方面的尝试有待深入。最优模糊控制器设计的研究 :依据恰当提出的性能指标,规范控制规则的设计依据,并在某种浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 3 -意义上达到最优。2设计(论文) 要解决的问题和已采用的研究方法本设计(论文)要解决的问题有以下几个方面:(1)系统整体方案的确立(2)系统软件与硬件的设计(3)元件的选取系统的方案包括自动控制方案,压力控制方案。本题选用模糊 PID控制方法控制变频器从而控制压力泵最后达到恒压供水的目的。模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制。模糊控制系统应用于诸如在测量数据不确切、要处理的数据量过大以致无法判断它们的兼容性、一些复杂可变的被控对象等场合是非常合适的。在传统控制器中,参数或控制输出的调整是根据对由一组微分方程描述的过程模型的状态分析和综合来进行的,而模糊控制器参数或控制输出是从过程函数的逻辑模型产生的规则来进行的,改善模糊控制性能的最有效方法是优化模糊控制规则。通常,模糊控制规则是通过将有关控制人员和专家的控制经验及指示转化为模糊语言形式获取的,因此模糊控制属于智能控制的范畴。模糊控制具有以下特点:1)无需知道被控对象的精确数学模型。2)具有良好的适应性和较强的鲁棒性。模糊控制是一种非线性控制,主要采用比例因子进行参数整定的控制,有利于实现参数的自适应,具有较强的鲁棒稳定性。3)控制规则容易理解。模糊控制是一种反应人类思维的智能控制,其控制规则是以人的经验和知识为基础建立起来的,容易理解和接受。4)容易实现。模糊控制系统的结构与一般的数字控制系统大致相同,模糊控制算法通过软件实现。在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称 PID 控制,又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用 PID 控制技术。PID 控制,实际中也有 PI 和PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例(P )控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error) 。 积分(I)控制 在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 4 -对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System with Steady-state Error) 。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因此,比例+积分(PI) 控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分(D)控制 在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。系统的硬件采用单片机控制,硬件组成主要包括压力传感器,A/D ,D/A转换器,电源电路,控制电路,故障检测电路,电压电流变换电路,变频器,电机,输入设定与输出显示设备等。元件的选取以系统各方面参数要求为准。浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 5 -3本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路重点研究与关键问题:(1)模糊 PID 控制;(2)单片机程序设计(3)传感器的数据转换。解决思路:模糊控制具体原理如下:微机中断采样获取被控量的精确值,然后将此量与给定值比较后得到误差信号 E,此误差信号作为模糊控制器的一个输入量,进行模糊量化变成模糊量,此模糊量可以用相应的模糊语言来表示,至此,得到了模糊语言集合的一个子集 e,e 和模糊控制规则 R 根据推理的合成规则进行模糊决策,得到模糊控制量 u,u 为:=uolt。其中 u 为一个模糊量,为了对被控对象施加精确地控制,还需将模糊量转换为精确量,即非模糊化处理,得到精确的数字控制量后,经数模变换变为精确的模拟量送给执行机构,对被控对象进行一步控制,然后中断等待第二次采样,进行第二步控制循环下去,就实现了对被控对象的模糊控制。以上为单输入单输出模糊控制原理,其它的单输入多输出模糊控制系统、多输入输出模糊控制系统原理类似,只不过输入输出变量个数相异,控制规则烦琐一些。从模糊控制器结构可以看出模糊控制器的三大功能:(1)把系统的偏差从数字量转化为模糊量(2)对模糊量进行一定的给出规则进行推理(3)把推理的结果从模糊量转化为可实用于实际控制的数字量对应于以上的三大功能,模糊控制器的实现需要三大过程:(1)模糊化过程:通过传感器把受控对象的相当物理量转换成电量,若传感器的输出量是连续的模拟量,还要通过模数转换器转换成数字量,作为计算机的输入测量值,接着再将此输入测量值做标准化处理,即把其变化范围映射到相应的论域中,再将论域中的该输入数据转换成相应语言变量的术语,并构成模糊集合,这样就把输入的精确量转换为由隶属函数表示的某一模糊变量的值,由此才能用检测到的输入量作为模糊控制规则中的条件来运用模糊控制规则进行推理。(2)模糊逻辑推理 :根据事先定好的一组模糊条件语句构成的模糊控制规则进行计算推理,实际上根据模糊控制规则对输入的一系列条件进行评估,以得到一个定性的用语言表示的量,这不结果只告诉你某一个确定的输出范围,即模糊输出量。浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 6 -4完成本课题所必须的工作条件(如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等)及解决的办法1、本课题运用到的了以下书籍: 1 田会山,杨爱华水泵和水泵站M北京:中国建筑工业出版社,1986 2 成都佳灵电气制造公司JP6C-T9 系列 PIM IGBT 高性能数字式变频器使用手册2001,23 陈国呈编著PWM 变频调速技术M北京:机械工业出版社,1998,74 段文泽等 . 泵站调速节能的自适应控制. 电气传动,1990,20(5):3845 5 郁汉琪,陆宝春等. 基于专家 PID 调节的变频调速恒压供水系统的研究. 电气传动自动化,1998,20(1):41 44 6 陶永华,尹怡欣,葛芦生等. 新型 PID 控制及其应用. 北京:机械工业出版社,19987 钱毅,韩涛, 微机控制的变频调速恒压供水系统J 资源节约和综合利用,1996,6(2)8 李红斌,张承慧,宋军,万军远程供水变频调速计算机控制系统设计J 电气传动,2002 第 1 期:14189 陈虹,史旺旺,唐鸿儒,刘正意中小型水厂自动化技术的实现方法J给水排水,2001,27(11):869010 邓星钟,机电传动控制( 第三版) 武昌:华中科技大学出版社,2001,311 全继萍陈玩丰大涌水厂给水泵房改造节能总结J 城镇供水2002,12 韩涛,钱毅变频调速供水系统控制特性的改进J 供水排水1995,21(6) :313213 蔡燕,陈振翼微机控制变频调速水泵恒压供水系统J 天津纺织工学院学报,1994,13(3):545714 高新陵,宋晓平变频调速恒压供水系统研制J 河海大学学报,2001,29(1): 11511815黄贤武。 传感器实际应用电路设计 电子科技大学出版社 16 刘国荣,阳宪惠等. 模糊自适应 PID 控制器 . 控制与决策,1995,10(6):55856217 Graham C. Goidwin, Stefan F Graebe, Mario E. Salgado. Control System Design. 北京:清华大学出版社,2002,118 张曾科编著,模糊数学在自动化技术中的应用M 北京:清华大学出版社,1997,719 闻新,周露,李东江,贝超编著MATLAB 模糊逻辑工具箱的分析与应用M 北京:科学出版社,200120 姜成国,冉树成,郑雪梅,孙斌模糊控制在水处理系统中的应用探讨J工业水处理,2000,20(10):283021 刘增良主编模糊技术于应用选编(1)(2)(3)M北京:北京航空航天大学出版社,1997,222 胡包刚,应浩模糊 PID 控制技术研究发展回顾及其面临的若干重浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 7 -要问题J.自动化学报,2001,27(4):5675842、所需要的实验设备:单片机实验设备等3、所需要的计算机辅助高级软件有:word2003, KEIL 单片机程序编辑软件,protel,CAD 等。4、有条件本次毕业设计,本组同学想做一定的仿真实验或是实际实验。浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 8 -5设计(论文)完成进度计划第 01 周至第 02 周: 查阅中文及英文资料(并翻译一篇外文资料) ,了解该系统以及单片机设计相关内容,收集相关资料;第 03 周至第 03 周: 完成毕业设计(论文)开题报告,并开始进行毕业设计;第 04 周至第 08 周: 完成控制系统的硬件设计;第 09 周至第 12 周: 完成控制系统的软件设计;第 13 周至第 13 周: 软件和硬件的调试;第 14 周至第 15 周: 整理相关资料,完成毕业设计(论文)手稿及最终电脑打印的毕业论文;第 16 周至第 16 周: 毕业设计(论文)小组答辩;第 17 周至第 17 周: 答辩。于 2006 年 3 月 5 日前完成题报告。2006 年 6 月份上旬之前完成所有的设计及论文。6指导教师审阅意见 该课题切合实际,具有实际应用价值,同意开题。指导教师(签字):年 月 日浙江工业大学浙西分校信电系毕业设计(开题报告)- 9 -7. 教研室主任意见 教研室主任(签字): 系(签章)年 月 日说明:1.本报告必须由承担毕业设计(论文)课题任务的学生在接到“毕业设计(论文)任务书” 、正式开始做毕业设计(论文)的第 2 周或第 3 周末之前独立撰写完成,并交指导教师审阅。2.每个毕业设计(论文)课题撰写本报告一份,作为指导教师、教研室主任审查学生能否承担该毕业设计(论文)课题任务的依据,并接受学校的抽查。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)I摘 要小区的不断扩建与改造,楼房层数的不断加高,我国居民用水难问题越来越突出,大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水,高层居民经常出现用水难问题,给生活带来极大不便。针对上述问题,本文研制了变频调速恒压供水控制器,通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速,来实现恒压供水。同时达到供水效率的目的“用多少水,供多少水” 。采用该供水系统不需建造高位水箱,水塔,水质无二次污染。 本文根据模糊控制和 PID 控制的特点及其原理,把模糊控制和 PID 控制结合起来,形成模糊 PID 控制,有效的克服了它们的缺点而发挥了它们的优势。本文详细阐述了该系统中模糊 PID 控制器的实现方法、系统的各种控制、故障检测以及状态显示关键字:模糊 PID 控制恒压供水、变频控制、单片机。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)IIABSTRACTThe small area extends continuously with the reformation, the several-storied building layer count of add continuously high, our country the residents is more and more outstanding with the difficult problem of water, big and parts of regions are widespread to exist the useful high peak of water to expect the key figures to provide not up water, the high residents usually appear with the difficult problem of water, bringing for life biggest inconvenient .and at the above-mentioned problem, this text researches to manufacture to change the Frequency to adjust soon presses the water supply controller, pass the control changes the machine of Frequency of exportation frequency regulate the water pump electrical engineering to turn thus and automatically soon, carry out the to press the water supply.Attain the purpose use how much water, provide how much water of supply water the efficiency at the same time.The adoption should supply water the system not to need to construct a water tank, water tower, the fluid matter has no to pollute two times.This paper adopts fuzzy PID control algorithm which combines fuzzy control and PID control according individual characteristic and theoryeffectively gets over their disadvantage, at the same time, preservingtheir merits. The methods of the fuzzy-PID controllersystem-controlling,failure-detecting,states-displaying aredescribed in detail。Keywords: fuzzy-PID,water supplying constant-pressure, vari ed-frequency-controlling,MCU.浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)III目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 引言 .11.2 变频调速技术现状 .11.2.1 模糊控制技术现状.21.2.2 单片机技术现状 .31.3 项目来源,研究内容及研究结果 .3第二章 变频恒压供水控制器的总体设计 .42.1 系统概述 .42.1.1 系统的组成 .42.1.2 系统优点 .62.2.1 变频器的控制方式 .62.2.2 控制系统的工作原理 .72.3 系统的控制原理 .92.4 控制器的硬件系统设计 .92.4.1 硬件总体说明.92.4.2 恒压变频控制板设计 .102.4.3 单片机主控制电路设计.102.5 人机界面设计 .152.6 电机控制电路设计 .172.7 故障检测电路设计 .182.8 压力检测电路设计 .19第三章 主要硬件设备介绍 .213.1 变频器的控制原理 .213.2 系统的方案设计 .243.3 系统工作过程 .25浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)IV第四章 PID 控制与模糊控制.274.1 PID 控制 .274.2 模糊控制 .284.2.1 模糊控制的基本思想 .284.2.2 模糊控制系统组成 .294.3 模糊控制器 .304.3.1 模糊控制器的结构 .314.3.2 模糊控制系统的 Simulink 仿真.35第五章 系统的软件设计 .375. 1 系统方案的设计 .375. 2 系统运行主程序 .385.3 故障检测流程图 .395.4 键盘处理子程序 .405.5 压力测量子程序 .405.6 模糊控制子程序 .415.7 模数转换(A/D 压力数据采集)子程序 .425.8 水泵故障检测子程序 .42结论与展望 .43参考文献 .44致谢 .46浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)V浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 1 -第一章 绪 论1.1引言随着社会经济的迅速发展,水对人民生活与工业生产的影响日益加强,居民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域,成为对供水系统的新要求。智能恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。 ,这在能量日益紧缺的今天尤为重要。而本文就针对小区供水系统的实际情况,选用单片机模糊 PID 控制器和变频器组成模糊 PID 恒压供水系统,充分利用单片机技术,模糊 PID 控制技术和交流变频技术等高新技术,不但使水压保持恒定,节电节水采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性,方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好的节能性,具有良好的经济和社会效益。1.2.变频调速技术现状20 世纪是变频调速技术由诞生到发展的时代,特别是 20 世纪 90 年代以后,IGBT,IGCT(集成门极换向性晶闸管)等新型电力电子器件的发展,DSP(数字信号处理器)和 ASIC(专用集成电路技术)的快速发展以及新颖控制理论和技术(如磁场定向矢量控制,直接转矩拉制等)的完善,使变频调速系统在调速范围,调速精度,动态响应,功率因数,运行效率和使用方便等性能指标超过了支流调速系统,达到了取代直流调速的地步,受到各行业的欢迎,并取得显著的经济效益。目前,变频调速技术以显著的节电效果,优良的调速性能以及广泛的实用性,而成为电器传动的发展主流方向,变频调速技术涉及到电机,电力电子技术,微电子技术,信息技术与控制技术等多个领域。变频调速系统中 PWM 技术的发展:PWM 控制是变频调速系统的核心,任何拉制算法几乎都是以各种 PWM 控制方式实现。九十年代以来的产品,正弦形 PWM ( SPWM)调制方法已逐步为以下方式取代: 快速电流跟踪 PWM 技术:快速电流跟踪型 PWM 逆变器为电流控制型的电压源逆变器,一般采用滞环电流控制、使三相电流快速跟踪指令电流。该逆变器硬件简单,电流控制响应快,兼有电压和电流控制型逆变器的优点,普遍用于 PMSM 伺服系统和异步电动机矢量变换拉制系统。磁链跟踪控制 PWM 技术:这种方法把逆变器和电动机视为一体,以三相对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准,用逆变器不同开关模式所产生的实际磁链矢量来跟踪基准磁链圆,由跟踪结果决定逆变器的开关模式,形成 PWM 波。由于磁链的轨迹是靠空间矢量的选择来实现,因此又称电压空间矢量法。直接转矩的智能拉制 PWM 技术:常规的直接转矩 PWM 技术无法区别转矩、磁浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 2 -链的非常大的偏差和相对小的偏差,这将造成电机启动期间系统的停滞.而采用智能控制中的模糊控制,可以通过定子磁链的空间位置,由一系列偏差的正大,正小等模糊语言,根据模糊规则推出逆变器的开关模式,使系统性能改善。双 PWM 控制技术:交-直-交电压型逆变器是目前最广泛使用的型式,但常对电网构成谐波污染。自前双 PWM 控制技术的研究非常活跃,即由 PWM 整流器和PWM 逆变器组成的双 PWM 变频器无须任何附加电路就可使电网侧的输入电流接近正弦波,使系统的功率因数约为 1,彻底消除网侧的谐波污染,并实现了四象限运行。矢量变换控制技术:自 1971 年矢量变换技术控制理论建立以来,以转子磁场定向,采用矢量变换的方法,实现异步电动机转速和磁链控制的完全介藕。从而使异步电动机具有和直流电动机一样优良的控制性能。该技术得到了广泛地应用。1.2.1 模糊控制技术现状模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段,它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论,在近年来得到了迅速的发展,其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统,当无法获得精确的数学模型的时候,利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。例如,在炼钢,化工,人文系统,经济系统以及医学心理系统中,要得到正确而且精密的数学模型是相当困难的。对于这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息,以及仅仅用语言规定的性能指标。同时,要求过程的操作人员是系统的基本组成部分等。所有这些都是一种不精确性,应用一般的控制理论是很难实现拉制的,但是,这类系统由人来控制却往往容易做到。这是因为过程操作人员的拉制方法是建立在直观的和经验的基础上,他们凭借实践积累的经验,采取适当的对策完成控制任务。于是,人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句,然后运用模糊集合理论将其定量化,使控制器得以接受人的经验,模仿人的操作策略,这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革,它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。目前,国内外科技界,企业界和政府部门都特别关注“模糊”领域,模糊技术既是一个学术热点又是一个开发热点,模糊技术成果和产品也逐渐由实验室走向社会,取得了明显的社会效益和经济效益。而模糊拉制技术,这门由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互渗选而形成的理论性很强的科学技术,正以前所未有的步伐涉入到相当关泛的领域之中,其中包含交流伺服系统,液位系统,工业机器人,可编程控制器,天气预报,图象识别,医疗诊断,家用电器等领域。归纳起来,模糊控制技术现状如下:(1)模糊控制器的构造1/采用传统的单片机或微型机作为物理基础,编制相应软件来实现模糊推理和机制。2/用模糊单片机或集成电路芯片构造模糊控制器,利用配置数据来确定模糊控制器的结构形式。3/采用可编程门阵列构造模糊控制器。(2)模糊信息与精确信息转换的物理结构和方法模糊信息与精确信息转换问题,目前基本上采用 A/D,D/A 转换技术。(3)模糊控制器对外界环境的适应性及适应技术浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 3 -对外界环境的适应性问题,目前还没有一种专门的良好技术,大多还是采用传统的技术或依赖传统的工艺水平。 (4)实现模糊控制系统的软技术软技术主要包括系统的仿真和实际工作软件等,目前,世界上已有多种仿真软件出现,如 Neuralogix 公司的产品。(5)模糊控制器和被控对象的匹配技术模糊控制器和被控对象的匹配技术仍然依赖于人们的经验。1.2.2单片机技术现状单片微型计算机简称为单片机,是在一块芯片上集成了一台微型计算机所需的 CPU、存储器、输入/输出部件和时钟电路等。自问世以来,性能不断提高和完善,加之具有集程度高,功能强,体积小,供耗低,性能可靠,价格低廉等特点,因此,在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算机、家用电器等领域的应用日益广泛,并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统,数字单片机的位数越来越多,精度也越来越高。另外,在需要极高响应速度的控制场合,还出现了模糊单片机,它是专门执行模糊逻辑信号的器件,具有极高的模糊推理速度。今天,还出现了不少高级语言的开发工具,这些系统经过仿真可在更高的开发平台上进行快速的开发,为单片机的广泛应用铺平了道路。所以,在未来的社会主义工业化建设中,单片机无疑会发挥更大的作用。1.3项目来源,研究内容及研究结果(1)项目来源:本项目来源于小区供水的实际应用。(2)研究内容:本设计研究了在主芯片为单片机的模糊变频自动控制恒压供水系统中,如何用模糊算法实现水压的自动控制,达到设定值要求; 除此之外,在硬件电路设计上考虑如何采用各种措施减小系统干扰,提高系统的稳定性,可靠性。(3)研究结果:经过研究设计,实际运行,该系统具有以下基本功能:1/用户可自行设定水压 2/恒压供水3/具有故障检测功能,当水泵出现故障或无水时,可自动报警。4/可显示当前水压 5/系统死机时,可自动复位恢复工作。6/使用模糊算法,系统响应时间可达到预期效果。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 4 -第二章 变频恒压供水控制器的总体设计2.1 系统概述给水行业为贯彻城市供水行业 2000 年技术进步发展规划中提出的“二提高三降低” (即提高供水水质,提高供水安全可靠性,降低能耗、降低漏和降低药耗)的奋斗目标和要求。由此,住宅小区的给水系统已逐步取消了高位水箱,而采用变频调速供水,克服了传统供水方法的缺点。这种供水方式既满足供水安全,又避免水质的二次污染。对于多层住宅来说,是一种比较完善的供水系统。目前的自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术,而系统的控制装置采用以单片机为基础的供水控制器,因单片机系统不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制,并可完成系统的数字 PID 调节功能,可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控,并完成系统运行工矿的 LED 显示、故障报警等功能。自动恒压供水系统还具有标准的通讯接口,可与城市供水的上位机联网,实现城区供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。在自动恒压供水系统中,由于管网是封闭的,泵站供水的流量是由用户用水量决定的,泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失。根据反馈原理:要想维护一个物理量不变或基本不变,就应该引这个物理量与恒值比较,形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定,因此就必须引入水压反馈值与给定值比较,从而形成闭环系统 。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统,现代控制和 PID 相结合的方法,在压力波动较大时使用模糊控制,以加快响应速度;在压力范围较小时采用 PID 来保持静态精度。2.1.1系统的组成系统由变频器、控制器、传感器、水泵电机及相关电气控制设备集成而成,是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。它可同时对一台或多台三相 380/220V、50/60Hz 异步电动机进行变频调速和闭环控制,其系统组成示意图如图 2-1 所示。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 5 -图 2-1 自动恒压供水系统结构框图 从上图中我们可以看到,自动恒压供水控制系统的基本控制策略是:采用电动机调速装置与供水控制器构成控制系统,进行优化控制泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数,完成供水压力的闭环控制在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。整个系统的具体工作流程为:系统通过安装在出水总管上的压力传感器,将供水管网的非电量信号(动态压力)转变成电信号,输入至供水控制器的输入模块,信号经单片机运算处理后与设定的信号进行比较运算,得出偏差值,再经过 PID 处理得出最佳的运行工况参数,并将其转换成模拟信号,由系统的输出模块输出变频器的频率设定值至变频调速器,变频调速器控制水泵的转数来调节管网内的实际压力值趋向于设定压力值,从而实现闭环控制的恒压供水。对于多台泵调速的方式,控制器控制泵站投运水泵的台数及变量泵运行工况,并实现对每台水泵根据 CPU 指令实施软启动、软切换及变频运行。系统通过计算判定目前是否已达到设定压力,决定是否增加(投入)或减少(撤出)水泵。即:当一台水泵工作频率达到最高频率时,若管网水压仍达不到预设水压,则将此台泵切换到工频运行,变频将自动启动下一台水泵,控制其变频运行。此后,往复工作,直至满足设定压力要求为止。反之,若管网水压大于预设水压,控制器控制变频器频率降低,使变频低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵,始终使管网水压保持恒定。进入消防余兴时,按下消防按扭,所有水泵逐台切入工频运行保证消防用水压力,用户可在适当地方外加消防按扭,以保证迅速切入工频状态。总之,系统可根据用户用水量的变化,自动确定泵组的水泵的循环运行,以提高系统的稳定性及供水的质量。下面我们对系统的各组成部分分别加以介绍:由水泵-管道供水原理可知,调节供水流量原则上有两种方法:一是节流调节,开大供水阀,流量上升;关小供水阀,流量下降。二是调速调节,水泵转速升高,供水流量增加;转速下降,流量降低,对于用水流量经常变化的场合(例如生活用水) ,采用调速调节流量,具有优良的节能效果,本文所采用的就是后一种方法,即调速调节方法。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 6 -水池:在这我们所要做的工作是对其水位进行监测,当水位过低时就产生报警信号,再通过继电器把报警信号传给单片机,单片机控制报警灯亮同时发出报警声,同时停泵保护。水泵:水泵电机是输出环节,转速由变频器控制,实现变流量恒压控制,在这些水泵中,一般只有一台变频泵。当供水设备供电开始工作时,先启动变频泵,管网水压达到设定值时,变频器的输出频率则稳定在一定的数值上。每台水泵均采用星-三角的启动方式,各水泵之间实行变频循环软启动。软启动可减小电动机硬启动(即直接起动)引起的电网电压降,使之不影响其它电气设备的正常运行,可减小电动机的冲击电流,冲击电流会造成电动机局部温升过大,降低电动机寿命,可减小硬起动带来的机械冲力,冲力加速所带来的传动机械(轴,齿合、齿轮等)的磨损,减少电磁干扰,冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。软起动使堤岸动机可以起停自如,减少空转,提高作业率,因而有节能作用。传感器:将其安装在水池与用户之间的出水管道上,它的任务是实时地测量参考点的水压检测管网出水压力,并将其转换成 420mv 的电信号,再将此信号传给 A/D 芯片进行处理。变频器:它的作用是接收 PID 控制器的信号,为水泵电机提供可变频率的电源。供水控制器:这是本文主要研究内容,将在后面的章节详细地加以论述。2.1.2系统优点1、恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率,而达到调节水泵转速改变水泵出口压力,比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式,具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。2、由于变量泵工作在变频工况,在其出口流量小于额定流量时,泵转速降低,减少了轴承的磨损和发热,延长泵和电动机的机械使用寿命。3、因实现恒压自动控制,不需要操作人员频繁操作,降低了人员的劳动强度,节省了人力。4、水泵电动机采用软启动方式,按设定的加速时间加速,避免电动机启动时的电流冲击,对电网电压造成波动的影响,同时也避免了电动机突然加速再成泵系统的喘振。5、由于变量泵工作在变频工作状态,在其运行过程中其转速是由外供水量决定的,故系统在运行过程中可节约可观的电能末期经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显,所以系统具有收回投资快,而长期受益,其产生的社会效益也是非常巨大。2.2.1变频器的控制方式变频器的发展已有数十年的历史,在变频器的发展过程中也曾经出现过多种类型的变频器,但目前成为市场主流的变频器基本上有着图 22 所示的基本结构。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 7 -图 22变频器的基本结构变频调速的控制方式经历了 V/F 控制、转差频率控制、矢量控制的发展,前者属于开环控制,后两者属于闭环控制,正在发展的是直接转矩控制。1、V/F 控制异步电动机的转速与定子电源频率 f 和极对数有关,改变 f 就可以平滑的调节同步转速,但是频率 f 的上升或者下降可能会引起磁路饱和转矩不足的现象,所以在改变 f 的同时,还需要调节定子的电压,使气隙磁通保持不变,电动机的效率不下降,这就是 V/F 控制。V/F 控制简单,通用性优良。2、转差频率控制由电机学的基础知识可知,异步电动机转矩 M 与气隙磁通 、转差频率 f2的关系为:(2-1)2f只要保持气隙中磁通 一定,控制转差频率 f2就可以控制电动机的转矩,这就是转差频率控制。3、矢量控制矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律,将定子电流分解成相应于直流电动机的电枢电流的量和励磁电流的量,并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制,获得和直流电动机一样的优良的调速性能2.2.2控制系统的工作原理供水管网中的流量和压力是随着用户用水量的改变而不断变化的,而改变泵电机的转速就可以提高供水压力或减少供水压力。所以,为了保持出口供水压力恒定就必须根据用水量的大小不断改变电机的转死。三相交流电机的转速公式为:(2-2)1(60spfn式中 n 为电机转速 , f 为定子供电频率, s 为转差率( s 0.02) , p 为电机的极对数。由公式可见,水泵转速 =n 正比于供电频率,因此,连续地改变电机定子的供电频率就可以平滑改变电动机的转速,从而达到天界速度的目的。由流体力学知:管网压力 P,流量 Q 和功率 N 的关系为 N=PQ,而功率与水泵转速 n 成三次方的正比关系。图 2 中的 n 族曲线为不同功率(转速)下水泵P=F( Q) 特性曲线上的不同点,其管阻是不同的。因为有公式: Q= gHK浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 8 -式中, K 为管阻系数,对某恒定管阻, K 为常数,图 2-3 中 族曲线为不同管阻时的 P=F( Q) 曲线,同一曲线上的不同点,其功率是不同的。图 2-3 水泵的特性曲线 图 2-4 恒压过程分析图由图 2-4 可见:设定压力值为 ,初始用水量为 工作点为检 ,可假定0p1Q1a用户需要用水量为 打开阀门(可定打开时间 t 0) ,管阻将突然变化,点 沿2Q1线下降,在未下降至 只前,压力传感器以将检测到的下降压力 PID1n1a控制器,经比较处理后,输出一个令变频器频率升高的信号,从而水泵转速升高,工作点不会降至 ,而是沿着 曲线升至 ,达新的稳态。实际上,用 4a水量是不会突变的。管阻不会一下下降很多,实际工作情况如图 2-5 所示。P=P0-P1由管阻变化时间和系统的响应时间决定。图 2-5 变频调速供水原理为了保持电机在调速时最大转距不变,需要维持磁通恒定,这就要求定子供电电压也作相应的调节,而 VVVF 变频器可以满足这个要求,根据上述和用户要求设定供水系统压力,并在供水出口处设置压力传感器,随时检测用户用水情况,然后将检测的压力与设定压力相比较,经控制器运算,输出通过变频器改变泵电机转速,使输出压力始终保持在恒定压力。其闭环控制原理如图 2-6所示。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 9 -图 2-6 变频恒压供水系统闭环控制系统框图2.3 系统的控制原理该变频恒压供水控制器以单片机为核心,在水泵的出水管道上安装一个压力传感器,用于检测管道压力,并把出口压力变成05V或420MA的模拟信号,送入单片机进行数据处理。单片机经运算后与设定的压力进行比较,得出偏差值,再经PID调节得出控制参数,经D/A转换变成 05V或010V的模拟信号,送入变频器中,以控制其输出频率的大小,以此改变水泵的电机转速,从而达到控制管道压力的目的。当实际管道压力小于给定压力时,变频器输出频率升高,电机转速加快,管道压力升高;反之,频率越低,电机转速减小,管道压力降低。其变过程可以表示如下:检测压力控制器输出变频器频率电机转速,反之相反,最终达到恒压。2.4 控制器的硬件系统设计2.4.1 硬件总体说明整个系统电控部分以ATMEL公司的AT89C52为核心芯片,这种芯片内置有4K的EPROM,具有控制信号采集、处理、输出三个功能。因为系统要求控制线较多,如果采用8031外置EPROM程序控制结构,则会造成控制线不够;而AT89C52却可以利用P0、P1口作控制总线,大大简化了硬件结构,并可以直接控制键盘参数输入、LED数据显示,方便现场调试和维护,使整个系统的通用性和智能化得到很大地提高。其硬件结构框图如图2-7所示。硬件原理框图如图所示。下面详细介绍一下各部分硬件电路的组成和功能。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 10 -图2-7 变频恒压供水系统的硬件结构框图2.4.2恒压变频控制板设计恒压控制板设计主要包括基于AT89C52的单片机主控制电路设计、输入信号调理与转换设计、人机界面设计和模数(A/D)和数模( D/A)设计。2.4.3 单片机主控制电路设计单片机主控制电路以AT89C52单片机作为可以变成微控制器核心,在外部晶体振提供的12MHZ工作频率下开始工作,内部通过编程实现模糊 PID控制。外部电路设计包括:扩展并口,扩展串口,扩展存储器,地址锁存,看门狗电路,报警电路。设计各模块设计的具体介绍如下:(1)微控制器由于整个系统的工作速度要求不高,采样处理速度为每秒 5 次,本设计采用技术成熟,稳定性能好,性价比极高的 AT89C52 足已满足性能要求。C52 单片机内部资源比较丰富,包适:8K 的片内 ROM,256 个字节的 RAM32 根 I/O 并口 1 个 UART 串口,中断线有 6 根,内部定时器有 3 个 16 位的定时妻/ 计数器等资源 123本设计把 P0 口作为主要数据 /地址总线端口接 74LS373 地址锁存器;P2 口哦主要用语控制扩展串口和产生重要的片选信号;P1 口主要做键盘输入端口和其他的一些状态控制信号。单片机内部 ROM 用于烧写整个控制系统的主程序,各种处理和算法的子程序及控制表。ALE,RD ,WR,TXD,RXD,RESET,DUSPLAYCS ,PWM1CS 和PWM2CS 等重要引脚接法见图 2-8。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 11 -图 2-8 单片机借口电路(2)扩展并口由于 C52 单片机的并口资源较少,又由于人机界面中的显示模块要占用很多的并口(要 3 个 8 位并口) ,为解决这一矛盾,本设计采用 8255A 扩展并口,把 8255A 设置成工作方式 0(直接传输,不需要 C 端口来控制) ,3 个并口PA,PB, ,PC 都定义成输出,驱动显示和报警。扩展电路如图 2-9 所示。图 2-9 扩展并口电路图浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 12 -基于系统集成的考虑,该数字模块可以用 VHDL 实现。由于该数字模块设计比较复杂,针对扩展并口的应用,本设计用 VHDL 只实现了工作方式 0 的8255具体设计如下1. 8255A 的结构8255A 芯片结构图如图 2-10 所示。由内部结构图可知 8255 主要由以下几个基本部件组成图 2-10 并口 8255内部结构与外部连接8255 内部结构由 4 部分电路组成。他们是 A 口, B 口,C 口。A 组控制器和 B 组控制器,数据缓冲器及读写控制逻辑。具体介绍如下:(1) A 口,B 口和 C 口:A 口,B 口和 C 口均为 8 位 I/O 数据口,但结构上略有差别。A 口由一个 8 位数据输出缓冲/锁存器和一个 8 位数据输入缓冲/锁存器组成,B 口和 C 口各有一个 8 位数据输出缓冲/ 锁存器和一个 8 位数据输入缓冲器(无输入数据锁存器,故 B 口不可在模式 2 下工作)组成。(2) A 组件控制器和 B 控制器:都有控制字寄存器和控制逻辑组成。控制字寄存器接受 CPU 送来的控制字,用于决定 8255A 的工作模式,控制逻辑用于对 8255A 工作模式的控制。A 组控制字寄存器控制 A 口和 C 口上半部(PC7-PC4) , B 控制字寄存器控制 A 口和 C 口下半部( PC3PC0) 。(3) 数据缓冲器:这是一个双向 8 位缓冲器,用于传送 C52 和 8255A 的控制字,状态(4) 读写控制逻辑:这部分电路可以接受 C52 送来的读写命令和选口地址,浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 13 -用于控制对 8255A 的读写。2.8255A 的引脚功能8255A 共有 40 条引脚线,采用双列直捅式封装。(1) 数据总线 8 条:AD7ADO 为数据总线,JIJ 于传送 CPJ 和 8255A 间的数据、命令字和控制字。(2)控制总线 6 条:RESET:复位线,高电平有效。CS:片选线,低电平有效。RD 和 WR: RD 为读命令线,WR 为写命令线,皆为低电甲有效。A0和 Al:地址输入线,用丁选中 A 口、B 口、C 口和控制寄存器中哪一个工作。上述控制线对 8255A 端口和工作方式的选择见表图表 21 8255A 控制信号功能表(3)并行 IO 总线(24 条):PA7PA0 :双向 IO 总线,用来传送 IO 数据,可以设定为输出方式,也可以设定为输出输入双向方式,由控制字决定。PB7PB0 :双向 IO 总线,用来传送 IO 数据,也可设定为输出或输入方式,有控制字决定。PC5PC0 : 双向数据/控制总线,用来传送 I/O 数据或控制/ 状态信息,可以设顶为输出或输入方式,也可以设定为控制/状态方式,由控制字决定。(4)电源线(2 )条:VCC 为+5V 电源线,允许变化+-10% ;GND 为地线。3 .8255A 的控制字和工作模式 8255A 有两个控制字:方式控制字和 C 口单一置复位控制字。用户通过程序可以把这两个控制字送到 8255A 的控制字寄存器 (AlA0=11B),以设定 8255A的工作模式和 C 端口的工作模式和 C 端口各位状态。这两个控制字以 D7 位状态作为标志。8255A 有三种工作模式:模式 0(Mode 0)、模式 1(Mode 1)和模式 2(Mode2),通过 8255A 方式控制字,用程序送到 8255A 的控制寄存器即可设定工作模式。(1)模式 0:8255A 的 A 口、B 口和 C 口均可设定为模式 O,并可根据需要规定各端口为输入方式或输出方式。因此在模式 0 下 C25 可对 8255A 进行I0 数据的无条件传送,外设的 I0 数据可以在 8255A 的各端口得到锁存和缓冲。模式 0 属于基本输入输出方式。(2)模式 l:模式 1 有选通输入和选通输出两种工作方式,A 口和 B 口皆可独立的设置成这种工作方式。在模式 l 下,8255A 的 A 门和 B 口通常用于传送与它们相连的外设的 IO 数据。C 口用于 A 口和 B 口的握手联络信号,以实现浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 14 -中断方式传送 I0 数据。(3)模式 2:模式 2 只有 A 口才能设定。在模式 2 方式下, PA7-PA0 为双向I/0 总线。模式 2 特别适用于像终端一类的外部设备,因为这些设备有时需要把键盘输入的编码信号通过 A 口送给 CPU,有时 CPU 又需要把数据通过 A 口送给终端显示 45。4. 8255A 的初始化根据本系统的具体要求,8255A 的 A 口用于输出设定压力值到显示端、B口于输出适时压力变化量到显示端和 C 口于各种报警控制线等均为输出模式。因此我们选择 8255A 的工作模式为模式 0。所以 8255A 的模式控制字为 80H 控制字寄存器选口地址为 FF03H,初始化程序如下:MOV DPTR, #0FF03H ;控制 7 寄存器地址送 DPTRMOV A, #0801 ; 工作模式控制字送 AMOVX DPTR, A ;: 工作模式控制字送控制寄存器(3)地址锁存电路设计74LS373用于对继电器输出状态硬件锁存,以防止输出状态被干扰。(如图2-11所示)同时在74LS373的CLEAR管脚外接了RC电路,用于开机上电时清零74LS273的输出端,可以防止继电器的误动作,对变频器起到保护作用。图2-11(4)设计为了实时监控电源状态,出现故障能自动产生复位信号,本设计采用MAX1232看门狗电路,同时也能通过R键实现手动复位。其接法见图 2-11。图2-11 看门狗电路(5)报警电路设计MC1413 为七达林顿结构非门,具有集成度高、性能可靠、静态功耗电流低、抗干扰能力强等特点,其工作电压范围 318V,输出电流 200mA,由于输入阻抗高,故输入电流在 1A 以下,最高时钟频率可达 10MHZ。利用 MC1413 和继电器组形成简单的“0-1”装置(如图 2-12 所示)来控制水泵电机的起停和报警信号。5.模数(A/D)和数模(D/A) 电路设计浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 15 -图 2-12 的电路不仅能完成 A/D 转换的功能,还能完成 D/A 转换的功能。D/A 转换器一共有 4 个信道,除进行 A/D 转换占用一个外,D/A 转换可以任用其它的三个,只是在程序上稍有分别。每个信道的输出端可接电压电流变换装置来控制变频器,进一步控制三个泵的电机的转速和变频电网。对 D/A 转换器的操作指令为 11 位二进制数,头三位代表输出信道,后 8 位为要转换输出的数据。对程序的操作可以满足任意选择信道进行电压输出。当电压输出变大时,后接的变频器电流相应变大,使泵加速,从而所控制的水压增大;反之减速,水压减小。由此 AT89C52 可以通过 D/A 转换器、电压电流变换器、变频器实现对水泵的控制,使水压保持在压力设定值,达到恒压供水的目的。图 2.12 AT89C52 同双 8 位串行 D/A 连接图2.5人机界面设计人机界面设计如图 2-13 所示,主要本键盘输入和显示模块 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 16 -图 2-13 人机界面A:管路压力显示(红色) B: 压力设定显示(黄色)C:异常故障指示缺水失压 SENSOR 故障时灯亮 D: 手动交替指示E:驱动 A 机运转的信号输出 F:驱动 B 机运转的信号输出 G:Alarm 报警 1 H: Alarm 报警 2 I:交替切换钮 J:参数设定选择钮 K:设定值增加钮 L:设定值减少钮 M :恢复钮(1)显示模块实现图 2-14 显示模块电路R 键(复位键)在看门狗电路设计中已实现,图 2-15 电路图实现:A/B 键(A、B 水 交替切换键) 、MANU 键(参数设定选择键) 、键(设定值增加键) 键(设定值减少键) 。当有键按下,则输出 0信号,经“与门”得出浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 17 -INT1=1,即有键按下时,生产外部中断触发单片机马上处理新的键盘输入数据。图 2-15 键盘设计电路因为按键大多数是机械式的开关结构,虽然只是按一次就放开,但在开关切换的瞬间会出现在接触点出现弹跳的现象,因此按键信号稳定的前后会出现一些不该出现的噪声。为了消除按键的不良噪声,又由于一般人的按键速度最多 10 次秒,即一次按键的时间 1lOOms,所以按下的时间估算为 50ms,如果取样信号 KEYSAMPLE 周期为 8ms,那么最多可以取到 6 次。对丁不稳定噪声在 4ms 以下,最多只能取样一次。所以本设计在周期为 8ms 的采样时钟控制下,采用两级 D 触发器延时后,抽取两个信号 DO 毫 D1 进行处理,再输入到 RS 触发器,根据 RS 触发器原理,R,S 分别为“00”时输出保持。 “0,l”时,输出为 l;“l,0”时输出为 0。只有两次取样值不变才能输出,否则保持原先状态:从而得到经消抖处理的按键信号。按键消抖电路如图 2-16 所示。图 2-16 按键消抖电路图中的 KKl 表示其中一个输入的按键信号,KEYSAMPLE 表示的是采样时钟,经消抖处理的 K1。按键消抖电路功能仿真如图 2-21 所示,可见,通过弹跳消除电路的输入信号 KKl,经过取样脉冲 KEYSAMPLE 取样后,按键开关前后的噪声脉冲消除了,得到无噪声的按键信号 K1。由于其它按键的消抖均与上述方法相同。此处从略。多个消抖模块最终集成 FPGA 中,其中 RS 触发器的时钟 CP 由 FPGA 内部提供 789。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 18 -2.6电机控制电路设计电机控制部分分为强电部分和弱电部分。因为强电部分工作在大电流、大电压状态下,而且主要与所提供的水泵、气泵等外围设备有关,不属于本设计范畴之内所以将不对其进行详细的介绍。下面重点说明弱电部分,也就是和89C52 相关联的一部分电路,主要有电压、电流转换电路和变频器 e 89C52 对电机的控制是通过对 D/A 系统和变频器的控制实现的。控制信息由 D/A 装置转换为电压量,但变频器对电机的控制是通过调节电流实现的,这就需要一种电路,使输入的电压量适当地转变成为电流量,其功能实质就是一个压拉电流源(见图 2.23 )。图中包含两个集成运算放大器和一个使用在共集极状态下的三极管(射极跟随器) ,A 为电压输入端, P6 为电流输出端。电容 C4 和电阻组成低通滤波网络。根据放大器虚短、虚断原理,有(1)式成立; 流过发射极的电流由电阻 R1 的上端电压 Ut 和电压 U10 共同决定,由欧姆定理得 (2)式。132U(2-3)09(2-4)WRIP1126(2-5)A通过上式,可以看出当 RA.凡电阻值非常大时(几十千欧 ) A. C 通路中电流近似为 0。不难推出 U12=U10;调节电阻 RA, RB, RD,根据放大倍数有Ut=2U10 根据(2. 2)式,电压量有效的转换成为电流量,输出的电流量将交给变频器管理。图 2. 17 电压电流变换电路2.7故障检测电路设计(1)故障检测电路本系统的故障检测功能并不是对系统本身(数字部分、模拟部分)而设立的,它的主要目的是监视和控制工作中的电机和工作的环境是否达到要求(是否有水)。在系统上电工作时,主程序开始启动,它除了控制电机,给电机加速、减速以使实际水压达到用户设置的预定值外,它还要处理来自故障检测电路发出的中浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 19 -断信号.图 2-18 即为故障检测电路的一部分,当水泵无故障时热继电器 al, a2, a3不会吸和,A, B, C 端与地端断开,输出为高电平; 当水泵非正常工作时,图中的热继电器就会吸和,则 A. B. C 三端至少有一端会与地端导通,输出低电平。A,B,C 分别代表了水泵 1,水泵 2 和水泵 3o A, B, C 哪一端输出电平为低就说明哪一个水泵发生了故障 A, B, C 端分别和单片机 89C52 相连,输入的信号经过89C52 判断、输出如果认为哪一个水泵放生了故障,就点亮相应的警示灯或发光二极管、蜂鸣器,提示工作人员排除故障。(2)热继电器热继电器的作用是对电机进行过流保护。电机正常工作时,互感器的电压输出较小,绕阻温度低于限值;当电机过载运行一段时间后,绕阻升温达到限值,此时热继电器运作使电动机短电,从而保护电动机。图 2-18 故障检测电路图2.8压力检测电路设计压力检测部分电路主要由传感器和信号调节转换电路组成。(见图 2-19)传感器是能够规定被测量并按着一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置.通常由敏感组件和转换组件组成。传感器的输出信号有很多形式:电压、电流、频率、脉冲等。输出信号的形式由传感器的原理确定.常见的信号调节与转换电路: 放大器、电桥、震荡器、电荷放大器等。该设计采用电阻式远传压力表作为传感器,直流电桥、差分放大器作为信号调节和转换电路。图中 SR 为传感器,滑动变阻器为调零电阻。当水压为 0 时电桥输出应为 0V,但有时因为其它原因电桥输出不为 0,这时就要适当调节滑动电阻器 Rh 使电桥输出为 0V。设滑动变阻器为 Rh 电源电压为 U,输出电压为 Uo,输出端两端电压分别为 U1、U2,则电桥输出电压和电源电压的关系为:(2-6) 210U浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 20 -(2-7)4847RhURSUSR(2-8)48图 2-19 压力检测电路图浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 21 -浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(论文)- 22 -第三章 主要硬件设备介绍变频器的发展已有数十年的历史,在变频器的发展过程中也曾经出现过多种类型的变频器,但目前成为市场主流的变频器基本上有着图 21 所示的基本结构。3.1变频器的控制原理变频调速的控制方式经历了
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