基于模糊規(guī)則的水泵節(jié)能循環(huán)控制系統(tǒng)

卜文銳

摘 要： 針對水輪機的大慣性和非線性特性以及傳統(tǒng)水輪機控制系統(tǒng)誤差較大等缺點，提出一種基于模糊規(guī)則的水泵循環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng)。利用水泵模擬水輪機系統(tǒng)抽水蓄能發(fā)電的過程，并分別從系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的角度，采用了增強系統(tǒng)可靠性的措施，實現(xiàn)對水流速度的多級智能控制。實驗結(jié)果表明，基于模糊規(guī)則的水泵循環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng)具有更小的誤差、較強的抗干擾能力，具有自動控制，可靠性高，操作簡單等優(yōu)點，其提高了水輪機系統(tǒng)的智能化程度。

關(guān)鍵詞： 模糊規(guī)則； 水泵； 水輪機； 循環(huán)控制； 節(jié)能

中圖分類號： TN344?34； TP273+.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）17?0097?04

Energy conservation and circulation control system of water pumps

based on fuzzy rules

BU Wenrui

（Department of Electronic Information， Shaanxi Institute of Technology， Xian 710302， China）

Abstract： Since the characteristics of large inertia and nonlinear for water turbine， and bigger error of the traditional water turbine control system， a circulation and energy conservation control system of water pumps based on fuzzy rules is proposed. The pumping， energy storage and electricity generation process of water turbine system was simulated by means of a water pump. The measures in the aspects of hardware design and software design was adopted to enhance the system reliability and realize the multi?level intelligent control of waterflow velocity. The experimental results show that this circulation and energy conservation control system based on fuzzy rules has the advantages of small error， perfect anti?jamming capability， automatic control， high reliability and easy operation. The intelligence degree of water turbine system was improved.

Keywords： fuzzy rule； water pump； water turbine； circulation control； energy conservation

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)中火電容量的增加和核電的發(fā)展，為了解決合理調(diào)峰問題，世界各國正在積極興建抽水蓄能電站，水泵水輪機因而得到迅速發(fā)展。水泵水輪機可實現(xiàn)節(jié)能儲蓄，調(diào)節(jié)電力高峰負荷，提高電力系統(tǒng)的總效率，節(jié)約能源。目前，水輪機調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)普遍采用PID控制[1?2]，這種控制簡單易行，并且能滿足大多數(shù)工業(yè)過程控制的要求。但是由于水輪機的大慣性、非線性和不確定性等特點，水輪機控制系統(tǒng)[3?5]易出現(xiàn)超調(diào)量大，擺動時間長、波動頻繁、控制緩慢等現(xiàn)象，傳統(tǒng)的PID控制較難改善其控制品質(zhì)。針對這樣的現(xiàn)象，提出了基于模糊規(guī)則的水泵循環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng)[4?5]，將人工智能技術(shù)和水泵控制系統(tǒng)相結(jié)合，并分別從硬件與軟件方面設(shè)計不同的改善系統(tǒng)動態(tài)特性的方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

系統(tǒng)選用直流水泵模擬水泵水輪機抽水蓄能發(fā)電的過程[6?7]。水泵抽水蓄能使水流循環(huán)從高處流下，用風(fēng)車模擬水輪機轉(zhuǎn)輪被水沖刷轉(zhuǎn)動，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。在這個過程中，考慮到水流流速大小與發(fā)電量的關(guān)系，設(shè)計了水泵的三種工作模式，分別為高速、中速與低速。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1中，控制模塊可進行工作模式的調(diào)節(jié)；電壓輸入設(shè)計為12～30 V，設(shè)定工作模式后，單片機通過比較內(nèi)部設(shè)定量和被控對象反饋的信息，根據(jù)擬定的專家規(guī)則表，通過電壓調(diào)節(jié)模塊對輸入電壓進行調(diào)節(jié)；顯示模塊提示用戶當前工作狀態(tài)和下一步操作；外部模塊可添加其他部件豐富系統(tǒng)功能，比如定時，警報等。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電壓調(diào)節(jié)模塊

電壓調(diào)節(jié)模塊的主要功能是調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，改變水泵的水流速度。它主要由脈沖寬度調(diào)制控制器TL494與BUCK電路組成。電壓調(diào)節(jié)模塊的工作原理圖如圖2所示。

如圖2所示，電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制控制集成電路TL494在該模塊中的作用是輸出一個頻率不變，占空比可變的方波，它通過比較差值（指反饋電壓與D/A輸出電壓的差值）與其引腳CT上三角波的大小來調(diào)整輸出脈沖電壓的占空比，控制MOS管的開通與關(guān)斷。

當控制模塊通過單片機I/O口改變D/A的輸入數(shù)字量后，D/A的輸出電壓也隨之改變，電壓差值變化，TL494的輸出脈沖電壓占空比也相應(yīng)變化，則MOS管的開通關(guān)斷頻率改變，隨之BUCK電路的輸出電壓改變，從而改變水泵抽水速度。

2.1.1 脈寬調(diào)制電路TL494

設(shè)計TL494的工作方式為輸出正向電壓，單端模式輸出，即將引腳13接地，使觸發(fā)器的輸出不起作用，并將TL494的兩個晶體管并聯(lián)起來使用，并聯(lián)后輸出驅(qū)動電流將增大1倍，集電極輸出電流最大可達500 mA，輸出方波頻率等于鋸齒波振蕩器的頻率。其電路圖如圖3所示。

在圖3中，D/A為D/A芯片輸出端，[Vfb]為被控對象的反饋電壓，這兩端電壓差值的大小與電容[CT]上的三角波進行比較，輸出PWM波。差值越大，PWM波的占空比越??；差值越小，PWM波的占空比越大。[Vq]為脈寬調(diào)制電路TL494的輸出端，可輸出一頻率不變、占空比可變的方波，控制BUCK電路中MOS管的開通和關(guān)斷。在TL494的引腳3與引腳2之間接入了比例積分調(diào)節(jié)器，構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。當TL494輸出高電壓時，MOS管（IFR540）導(dǎo)通，將BUCK電路中的MOS管（IFR9532）柵極電位拉低，MOS管（IFR9532）導(dǎo)通，BUCK電路工作。

則TL494內(nèi)置振蕩器的工作頻率和周期分別為：

[fOSC=1.1RTCT=1.110 000×10-9=110 kHz] （1）

[T=1fOSC=1110=9.09 μs] （2）

當基準電壓（D/A電壓）和反饋電壓基本相同時，TL494內(nèi)部誤差放大器1工作在線性區(qū)，此時誤差放大器輸出的是電壓信號而不是電平信號。

由于TL494輸出的只是驅(qū)動信號，通過開關(guān)的電流有限（最大500 mA），因而功率有限，并且TL494的工作電壓范圍有限，所以加入BUCK電路，可有效地提高系統(tǒng)的輸入電壓范圍和輸出功率。

2.1.2 BUCK電路

BUCK電路在整體硬件電路中的作用是接收TL494發(fā)出的PWM波，輸出隨PWM波變化的電壓，并且加寬系統(tǒng)輸入電壓范圍和提高輸出功率，以驅(qū)動更大的負載。其電路圖如圖4所示。

圖4中[Vfb，][Vq]與圖3一致。

設(shè)計BUCK電路的工作方式是電感電流連續(xù)工作模式，即電感電流[IL]在周期開始時不是從零開始的。

電源正極輸入端并聯(lián)，起到保護作用的功率電阻和穩(wěn)壓管，二極管使用肖特基二極管LN5819。使用1[∶]9的電阻分壓，則反饋電壓[Vfb]為輸出電壓[Uo]的[910。]輸出端再并聯(lián)電容，進一步降低輸出電壓的紋波，保護執(zhí)行機構(gòu)水泵。

輸出電壓的大小為：

[Uo=D1Ui] （3）

式中：[D1]為占空比，由TL494電路提供；[Ui]為輸入電壓。

則系統(tǒng)輸出電壓為：

[Uo=UDA×反饋比例系數(shù)=109UDA] （4）

在高速模式下，測得DA輸出電壓為9.28V，輸入電壓[Ui=30] V。則輸出電壓值[Uo]為：

[Uo=9.28×109=10.31 V] （5）

同理可計算出中速與低速模式下的理想輸出電壓和實際占空比。高速、中速和低速時的計算輸出[Uo]值與實測值的關(guān)系如表1所示。

若水泵的功率變大，則可通過增加D/A模塊的輸出電壓或改變BUCK電路的參數(shù)來改變BUCK電路輸出電流的大小。

2.2 STC89C51單片機

執(zhí)行機構(gòu)水速的大小與發(fā)電量有關(guān)，而其電壓與水速也具有一定關(guān)系，為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在單片機模塊加入了一個閉環(huán)，將施加在執(zhí)行機構(gòu)上的電壓反饋給單片機，由此引入了模糊規(guī)則控制。

綜上所述，由表1可知，水泵循環(huán)節(jié)能控制模擬系統(tǒng)在電壓調(diào)節(jié)模塊使用BUCK變化器，輸出端并聯(lián)電容減少紋波，加入閉環(huán)系統(tǒng)等措施，均增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提升了系統(tǒng)的性能，并且為大功率負載的加入提供了依據(jù)。

3 基于模糊規(guī)則的水泵循環(huán)節(jié)能控制模擬系統(tǒng)

本系統(tǒng)應(yīng)用的是模糊控制系統(tǒng)[8～10]，將系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)看成執(zhí)行機構(gòu)（水泵）從初態(tài)到終態(tài)一系列的狀態(tài)變化過程，在某一時段，讓水泵的水流速度保持在一定范圍之內(nèi)，當有外界干擾出現(xiàn)時，保持水泵電壓的穩(wěn)定性，使水泵水流速度的值保持在設(shè)定的范圍之內(nèi)。根據(jù)電壓設(shè)定值和系統(tǒng)當前的反饋電壓值的偏差量[E]以及偏差變化率[EC]等參數(shù)經(jīng)過推理，決定采用何種措施保持輸出電壓穩(wěn)定地跟隨輸入，生成控制規(guī)則表，利用控制規(guī)則表決定對執(zhí)行機構(gòu)的控制操作，從而達到誤差合理的要求。

3.1 模糊規(guī)則的擬定

選擇當前輸出電壓相對于輸入電壓的偏差[E]以及偏差的變化率[EC]為變量，控制對象為輸出電壓[U，]取值范圍設(shè)定在[-6，6]范圍之內(nèi)；把[-6，6]變化的連續(xù)量分為7個檔次，同時定義7個語言變量值，將離散化的精確量與表示模糊語言的模糊量建立關(guān)系，可將[-6，6]之間的任何整數(shù)精確量用模糊量表示，可表示為“NB”={電壓偏差∈[-6，-4]}，“NM”={電壓偏差∈[-6，-2]}，“NS”={電壓偏差∈[-4，0]}，“ZE”={電壓偏差[-2，2]}，“PS”={電壓偏差∈[0，4]}，“PM”={電壓偏差∈[2，6]}，“PB”={電壓偏差∈[4，6]}。則對電壓的模糊控制規(guī)則表如表2所示。

該控制規(guī)則表可用22條模糊條件語句來描述，在此列舉兩條：

（1） if E=NB or NM and EC=NB or NM

then U=NB

（2） if E=NB or NM and EC=NS

then U=NB

3.2 仿真實驗

為了驗證系統(tǒng)的正確性和實用性，使用Matlab 7.1在Windows平臺上編寫了一套仿真程序。在Windows XP系統(tǒng)，Intel? CoreTM Duo CPU T7300，主頻2.00 GHz，內(nèi)存1 GB的計算機上，對基于模糊規(guī)則與基于PID控制的系統(tǒng)進行了比較（無噪聲情況），比較結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當輸入為1時，基于PID控制的系統(tǒng)有著明顯的超調(diào)，超調(diào)量達到0.27，經(jīng)過13 s達到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差為0.04左右，而基于專家規(guī)則的系統(tǒng)超調(diào)量為0.04，經(jīng)過8 s達到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差為0.025左右。基于專家規(guī)則的系統(tǒng)有效減少了系統(tǒng)的超調(diào)量，減少了擺動時間，能夠快速達到穩(wěn)定，系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定地跟隨輸入，并且穩(wěn)態(tài)誤差較小。

在理想操作情況下，系統(tǒng)不含噪聲，但是現(xiàn)實操作環(huán)境中，會有許多噪聲的干擾。為了驗證系統(tǒng)的抗干擾力與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對于有無噪聲的情況進行了仿真比較，比較結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，對比無噪聲系統(tǒng)，在隨機噪聲的干擾下，系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，輸出誤差略有提高，但是不超過0.04。

綜上所述，模糊規(guī)則的引入有效地減少了由于水輪機的大慣性系統(tǒng)而帶來的超調(diào)量和系統(tǒng)誤差，能夠快速達到穩(wěn)態(tài)，且適用于復(fù)雜的含噪聲環(huán)境，提高了水輪機系統(tǒng)的智能化程度，明顯優(yōu)于基于PID控制的水泵系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

本文提出一種基于模糊規(guī)則的水泵循環(huán)節(jié)能控制系統(tǒng)，其突出特點是利用模糊規(guī)則建立對電壓的控制規(guī)則表，可以實現(xiàn)對水泵循環(huán)控制系統(tǒng)輸出偏差的快速有效調(diào)節(jié)，而且實現(xiàn)控制的無人值守，以及水泵循環(huán)控制系統(tǒng)的智能化與數(shù)字化。該系統(tǒng)具有體積小、成本低，避免了普通控制系統(tǒng)水流速度過快導(dǎo)致的系統(tǒng)超調(diào)量過大，不易到達穩(wěn)態(tài)的問題。

通過實測數(shù)據(jù)與仿真實驗可知，相比較于傳統(tǒng)的水輪機控制系統(tǒng)，基于專家規(guī)則的水輪機控制系統(tǒng)可以使系統(tǒng)超調(diào)量達到23%，有效降低了輸出誤差，且具有較強的抗干擾能力。經(jīng)過實際運行表明，本文提出的控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，效果十分理想。

參考文獻

[1] 楊科科，王臻卓.基于模糊PID控制的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用與仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（19）：152?154.

[2] 吳羅長，余向陽，南海鵬，等.考慮非線性的水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)協(xié)同進化模糊PID仿真[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，41（9）：229?234.

[3] 從爽.智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2013.

[4] 周志敏，周紀海，紀愛華.高頻開關(guān)電源設(shè)計與應(yīng)用實例[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[5] 李全利.單片機原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[6] 周建中，趙峰，李超順.基于GSA的水輪機調(diào)速系統(tǒng)非線性PID控制參數(shù)優(yōu)化方法研究[J].水電能源科學(xué)，2014，32（12）：127?130.

[7] 錢濤.基于改進粒子群算法優(yōu)化的水輪機組低頻振蕩PID控制研究[J].大電機技術(shù)，2014（5）：73?76.

[8] 寧玲玲.基于PLC模糊控制的碾環(huán)機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計[D].濟南：山東大學(xué)，2014.

[9] 李洪中.基于模糊控制的智能交通燈系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013.

[10] 卞和營，薛亞許，王軍敏.溫室大棚溫濕度模糊控制系統(tǒng)及PLC程序設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，2014（9）：149?151.