基于模糊规则的水泵节能循环控制系统

卜文锐

摘 要： 针对水轮机的大惯性和非线性特性以及传统水轮机控制系统误差较大等缺点，提出一种基于模糊规则的水泵循环节能控制系统。利用水泵模拟水轮机系统抽水蓄能发电的过程，并分别从系统硬件设计和软件设计的角度，采用了增强系统可靠性的措施，实现对水流速度的多级智能控制。实验结果表明，基于模糊规则的水泵循环节能控制系统具有更小的误差、较强的抗干扰能力，具有自动控制，可靠性高，操作简单等优点，其提高了水轮机系统的智能化程度。

关键词： 模糊规则； 水泵； 水轮机； 循环控制； 节能

中图分类号： TN344?34； TP273+.4 文献标识码： A 文章编号： 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

随着电力系统中火电容量的增加和核电的发展，为了解决合理调峰问题，世界各国正在积极兴建抽水蓄能电站，水泵水轮机因而得到迅速发展。水泵水轮机可实现节能储蓄，调节电力高峰负荷，提高电力系统的总效率，节约能源。目前，水轮机调节控制系统普遍采用PID控制[1?2]，这种控制简单易行，并且能满足大多数工业过程控制的要求。但是由于水轮机的大惯性、非线性和不确定性等特点，水轮机控制系统[3?5]易出现超调量大，摆动时间长、波动频繁、控制缓慢等现象，传统的PID控制较难改善其控制品质。针对这样的现象，提出了基于模糊规则的水泵循环节能控制系统[4?5]，将人工智能技术和水泵控制系统相结合，并分别从硬件与软件方面设计不同的改善系统动态特性的方法。

1 系统结构概述

系统选用直流水泵模拟水泵水轮机抽水蓄能发电的过程[6?7]。水泵抽水蓄能使水流循环从高处流下，用风车模拟水轮机转轮被水冲刷转动，驱动发电机发电。在这个过程中，考虑到水流流速大小与发电量的关系，设计了水泵的三种工作模式，分别为高速、中速与低速。系统整体结构框图如图1所示。

图1中，控制模块可进行工作模式的调节；电压输入设计为12～30 V，设定工作模式后，单片机通过比较内部设定量和被控对象反馈的信息，根据拟定的专家规则表，通过电压调节模块对输入电压进行调节；显示模块提示用户当前工作状态和下一步操作；外部模块可添加其他部件丰富系统功能，比如定时，警报等。

2 硬件电路设计

2.1 电压调节模块

电压调节模块的主要功能是调节输出电压的大小，改变水泵的水流速度。它主要由脉冲宽度调制控制器TL494与BUCK电路组成。电压调节模块的工作原理图如图2所示。

如图2所示，电压驱动型脉宽调制控制集成电路TL494在该模块中的作用是输出一个频率不变，占空比可变的方波，它通过比较差值（指反馈电压与D/A输出电压的差值）与其引脚CT上三角波的大小来调整输出脉冲电压的占空比，控制MOS管的开通与关断。

当控制模块通过单片机I/O口改变D/A的输入数字量后，D/A的输出电压也随之改变，电压差值变化，TL494的输出脉冲电压占空比也相应变化，则MOS管的开通关断频率改变，随之BUCK电路的输出电压改变，从而改变水泵抽水速度。

2.1.1 脉宽调制电路TL494

设计TL494的工作方式为输出正向电压，单端模式输出，即将引脚13接地，使触发器的输出不起作用，并将TL494的两个晶体管并联起来使用，并联后输出驱动电流将增大1倍，集电极输出电流最大可达500 mA，输出方波频率等于锯齿波振荡器的频率。其电路图如图3所示。

在图3中，D/A为D/A芯片输出端，[Vfb]为被控对象的反馈电压，这两端电压差值的大小与电容[CT]上的三角波进行比较，输出PWM波。差值越大，PWM波的占空比越小；差值越小，PWM波的占空比越大。[Vq]为脉宽调制电路TL494的输出端，可输出一频率不变、占空比可变的方波，控制BUCK电路中MOS管的开通和关断。在TL494的引脚3与引脚2之间接入了比例积分调节器，构成反馈网络。当TL494输出高电压时，MOS管（IFR540）导通，将BUCK电路中的MOS管（IFR9532）栅极电位拉低，MOS管（IFR9532）导通，BUCK电路工作。

则TL494内置振荡器的工作频率和周期分别为：

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

[T=1fOSC=1110=9.09 μs] （2）

当基准电压（D/A电压）和反馈电压基本相同时，TL494内部误差放大器1工作在线性区，此时误差放大器输出的是电压信号而不是电平信号。

由于TL494输出的只是驱动信号，通过开关的电流有限（最大500 mA），因而功率有限，并且TL494的工作电压范围有限，所以加入BUCK电路，可有效地提高系统的输入电压范围和输出功率。

2.1.2 BUCK电路

BUCK电路在整体硬件电路中的作用是接收TL494发出的PWM波，输出随PWM波变化的电压，并且加宽系统输入电压范围和提高输出功率，以驱动更大的负载。其电路图如图4所示。

图4中[Vfb，][Vq]与图3一致。

设计BUCK电路的工作方式是电感电流连续工作模式，即电感电流[IL]在周期开始时不是从零开始的。

电源正极输入端并联，起到保护作用的功率电阻和稳压管，二极管使用肖特基二极管LN5819。使用1[∶]9的电阻分压，则反馈电压[Vfb]为输出电压[Uo]的[910。]输出端再并联电容，进一步降低输出电压的纹波，保护执行机构水泵。

输出电压的大小为：

[Uo=D1Ui] （3）

式中：[D1]为占空比，由TL494电路提供；[Ui]为输入电压。

则系统输出电压为：

[Uo=UDA×反馈比例系数=109UDA] （4）

在高速模式下，测得DA输出电压为9.28V，输入电压[Ui=30] V。则输出电压值[Uo]为：

[Uo=9.28×109=10.31 V] （5）

同理可计算出中速与低速模式下的理想输出电压和实际占空比。高速、中速和低速时的计算输出[Uo]值与实测值的关系如表1所示。

若水泵的功率变大，则可通过增加D/A模块的输出电压或改变BUCK电路的参数来改变BUCK电路输出电流的大小。

2.2 STC89C51单片机

执行机构水速的大小与发电量有关，而其电压与水速也具有一定关系，为了增加系统的稳定性和可靠性，在单片机模块加入了一个闭环，将施加在执行机构上的电压反馈给单片机，由此引入了模糊规则控制。

综上所述，由表1可知，水泵循环节能控制模拟系统在电压调节模块使用BUCK变化器，输出端并联电容减少纹波，加入闭环系统等措施，均增加了系统的稳定性和可靠性，提升了系统的性能，并且为大功率负载的加入提供了依据。

3 基于模糊规则的水泵循环节能控制模拟系统

本系统应用的是模糊控制系统[8～10]，将系统的电压调节看成执行机构（水泵）从初态到终态一系列的状态变化过程，在某一时段，让水泵的水流速度保持在一定范围之内，当有外界干扰出现时，保持水泵电压的稳定性，使水泵水流速度的值保持在设定的范围之内。根据电压设定值和系统当前的反馈电压值的偏差量[E]以及偏差变化率[EC]等参数经过推理，决定采用何种措施保持输出电压稳定地跟随输入，生成控制规则表，利用控制规则表决定对执行机构的控制操作，从而达到误差合理的要求。

3.1 模糊规则的拟定

选择当前输出电压相对于输入电压的偏差[E]以及偏差的变化率[EC]为变量，控制对象为输出电压[U，]取值范围设定在[-6，6]范围之内；把[-6，6]变化的连续量分为7个档次，同时定义7个语言变量值，将离散化的精确量与表示模糊语言的模糊量建立关系，可将[-6，6]之间的任何整数精确量用模糊量表示，可表示为“NB”={电压偏差∈[-6，-4]}，“NM”={电压偏差∈[-6，-2]}，“NS”={电压偏差∈[-4，0]}，“ZE”={电压偏差[-2，2]}，“PS”={电压偏差∈[0，4]}，“PM”={电压偏差∈[2，6]}，“PB”={电压偏差∈[4，6]}。则对电压的模糊控制规则表如表2所示。

该控制规则表可用22条模糊条件语句来描述，在此列举两条：

（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 仿真实验

为了验证系统的正确性和实用性，使用Matlab 7.1在Windows平台上编写了一套仿真程序。在Windows XP系统，Intel? CoreTM Duo CPU T7300，主频2.00 GHz，内存1 GB的计算机上，对基于模糊规则与基于PID控制的系统进行了比较（无噪声情况），比较结果如图5所示。

由图5可知，当输入为1时，基于PID控制的系统有着明显的超调，超调量达到0.27，经过13 s达到稳定，稳态误差为0.04左右，而基于专家规则的系统超调量为0.04，经过8 s达到稳定，稳态误差为0.025左右。基于专家规则的系统有效减少了系统的超调量，减少了摆动时间，能够快速达到稳定，系统的输出稳定地跟随输入，并且稳态误差较小。

在理想操作情况下，系统不含噪声，但是现实操作环境中，会有许多噪声的干扰。为了验证系统的抗干扰力与系统的稳定性，对于有无噪声的情况进行了仿真比较，比较结果如图6所示。

由图6可知，对比无噪声系统，在随机噪声的干扰下，系统具有良好的抗干扰能力，输出误差略有提高，但是不超过0.04。

综上所述，模糊规则的引入有效地减少了由于水轮机的大惯性系统而带来的超调量和系统误差，能够快速达到稳态，且适用于复杂的含噪声环境，提高了水轮机系统的智能化程度，明显优于基于PID控制的水泵系统。

4 结 论

本文提出一种基于模糊规则的水泵循环节能控制系统，其突出特点是利用模糊规则建立对电压的控制规则表，可以实现对水泵循环控制系统输出偏差的快速有效调节，而且实现控制的无人值守，以及水泵循环控制系统的智能化与数字化。该系统具有体积小、成本低，避免了普通控制系统水流速度过快导致的系统超调量过大，不易到达稳态的问题。

通过实测数据与仿真实验可知，相比较于传统的水轮机控制系统，基于专家规则的水轮机控制系统可以使系统超调量达到23%，有效降低了输出误差，且具有较强的抗干扰能力。经过实际运行表明，本文提出的控制系统性能稳定可靠，效果十分理想。

参考文献

[1] 杨科科，王臻卓.基于模糊PID控制的水轮机调节系统应用与仿真研究[J].现代电子技术，2012，35（19）：152?154.

[2] 吴罗长，余向阳，南海鹏，等.考虑非线性的水轮机调节系统协同进化模糊PID仿真[J].西北农林科技大学学报：自然科学版，2013，41（9）：229?234.

[3] 从爽.智能控制系统及其应用[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2013.

[4] 周志敏，周纪海，纪爱华.高频开关电源设计与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[5] 李全利.单片机原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2014.

[6] 周建中，赵峰，李超顺.基于GSA的水轮机调速系统非线性PID控制参数优化方法研究[J].水电能源科学，2014，32（12）：127?130.

[7] 钱涛.基于改进粒子群算法优化的水轮机组低频振荡PID控制研究[J].大电机技术，2014（5）：73?76.

[8] 宁玲玲.基于PLC模糊控制的碾环机调速系统的设计[D].济南：山东大学，2014.

[9] 李洪中.基于模糊控制的智能交通灯系统的研究与设计[D].兰州：兰州交通大学，2013.

[10] 卞和营，薛亚许，王军敏.温室大棚温湿度模糊控制系统及PLC程序设计[J].农机化研究，2014（9）：149?151.