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1、第一章 绪论1.1 引言 在目前的城市供水系统供水中，还有很多采用恒速泵供水系统，水塔高位水箱供水和气压罐供水系统等供水方式。在这些供水方式中，由于扬水较高且电机一直高速运行，造成较大的电能消耗，目前的水费成本中，电费的比例达50%以上。本文针对城市小区供水系统的实际情况，选用单片机模糊控制和变频器组成模糊恒压供水系统，充分利用单片机技术，模糊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，而且灵活性高，占地面积小，投资省，操作方便，运行可靠，具有良好的经济和社会效益。1.2相关技术发展现状1.2.1 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9
2、0年代以后，IGBT，IGCT（集成们极换向性晶闸管）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，直接转矩控制等）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，达到了取代支流调速的地步，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
3、是变频调速系统的中心，任何控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，正弦型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，磁链跟踪控制PWM技术，直接转矩的智能控制PWM技术，双PWM控制技术，矢量变换控制技术。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，加之具有集成度高，功能强，体积小，供耗低，性能可靠，价格低廉等优点，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
4、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。第二章 硬件电路设计2.1 硬件电路原理简介2.1.1模糊恒压变频自动控制供水的原理 该设备应用原传感器完成对水压的数据采集，传感器置于水体内，利用水压的变化产生的力的变化将水压量转化成电压值，经前置放大，A/D转换为一组数字量
5、进入单片机，经微处理器与相应预置参量进行比较后，得到一误差量A，该误差量与前一误差量又可得到一误差的变化量B，A和B作为模糊控制器的输入，由软件进行处理，模糊控制器的输出则作为一调节参量及控制量，经D/A转换控制变频器，产生一系列的变化的电流：电流大，水泵转速加快，水压升高，反之水压降低，近似达到恒压节能的目的。2.1.2系统框图 传感器水故障检测 电 路复位器件电源A/D转换电机、水泵变频器D/A转换故障显示89C51系统机 2.1系统框图2.1.3电机控制部分 电机控制部分主要对系统的三个水泵进行控制，而每个水泵状态与可变供电网络有关，可变供电网络由工频电网和变频器提供的变频电网组成，通过
6、控制器将各水泵按一定规律投入（或切出）工频电网过变频电网，以达到最佳配置状态。每个水泵都有两种状态：（1）变频（2）市电。当加市电时，水泵为最大输出功率。根据用户的实际用水量投入适当的水泵台数，自动调节水泵转速以达到保证供水管网压力维持恒定的目的。在正常运行时，总有一台工作泵且只有一台工作泵工作与变频状态，其余工作泵或者停机，或者工作与市电状态。若用水量大，则管网压力达不到设定值，经一定延时后，令二号泵投入变频电网，进行软启动，其速度由零逐渐增加，水压随之逐渐增大，当二号泵开置额定转速且压力仍达不到设定值时，则令二号泵投入工频电网，并停止变频器工作，经一定延时后，将三号泵投入变频电网进行软启动
7、。若此时用水量减少，则水压升高，当高于设定值时，控制器发出信号，将一号泵由工频电网切除，只有二号泵调速运行，然后一直保持该状态，使水压缓慢增加，最终保持水压恒定，直到供水结束，余者类推。这样在变频方式与市电放时间切换，循环调频，能够合理利用资源，三台泵全速工作时达到的水压值可满足绝大多数用户的需要。 由于该系统工作时可能会无人监控，所以该系统具备报警和自起功能。当微处理器执行程序时检查到有水泵损坏、水流太小或水压力为0时，就会启动报警程序，打开警示灯，以便工作人员及时发现并处理故障。2.2 水泵调速运行的节能原理 图2.2位水泵调速时的全扬程特性（H-Q）曲线。用阀门控制时，当流量要求从Q1减
8、小到Q2，必须关小阀门。这时阀门的磨擦阻力变大，阻力曲线从R移到R，扬程则从H0上升到H1，运行工况点从A点移到B点。用调速控制时，当流量要求从Q减小到Q1，由于阻力曲线R不变，泵的特性取决于转速，如果把速度从N100将到N80，运行工况点则从A点移到C，扬程从H0下降到H2，根据离心泵的特性曲线公式： P=QHr/102 （2.1） 式中：P一一水泵使用工况轴功率(kW);扬程H；Q一一使用工况点的水压或流量(m3/s );图2.2全扬程特性（H-Q）曲线节能部分 H一一使用工况点的扬程(m ); r一一输出介质单位体积重量(k g /m3); 一一使用工况点的泵效率(%)。可求出运行在B点
9、泵的轴功率和C点泵的轴功率分别为:PB=Q 1 H。r/1 0 2 (2.2)C=Q 1 H, r/1 0 2 n (2.3)两者之差为:P=PB一PC=Ql(H。一H:)r/1 0 2 q (2.4)也就是说，用阀门控制流量时，有P功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。而用转速控制时，根据流量Q、扬程H、功率P和转速N之间的关系，有: Q2/Q1=N2/Nl HZ/H1=（N2 /N1 )2 (2.5) P2/Pl=(N2/N1 )3 P2/Pl=(N2/N1 )3 由(2. 5)式可知，流量Q与转速N的一次方成正比;扬程H与转速N的平方成正比;轴功率P与转速N的立方成正
10、比，即功率与转速成3次方的关系下降。如果不是用关小阀门的方法，而是把电机转速降下来，那么在转运同样流量的情况下，原来消耗在阀门的功率就可以全避免，从而获得图2.2中BC区域大小的节能效果，这就是水泵调速节能原理。 变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系: N=60f(1一s)/p (2.6) 式中:f一一水泵电机的电源频率(H z); P一一电机的极对数; S一一转差率。由2. 6式可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率f，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。 水泵变频调速控制系统的设计 变
11、频调速器的控制可以是自动的，也可以是手动的。目前，国内在水泵控制系统中使用变频调速技术，大部分是在开环状态下，即人为地根据工艺或外界条件的变化来改变变频器的频率值，以达到调速目的。本水泵变频调速控制系统设计，根据小区供水要求，考虑若干方面的因素，采用闭环调速控制。2.3压力检测电路设计 图2.3压力检测电路图 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2.3)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
12、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。时电桥输出应为OV，但有时因为其它原因电桥输出不为。，这时就要适当调节滑动电阻器Rh使电桥输出为OV。设滑动变阻器为Rh电源电压为U,输出电压为U0,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: Uo=U 1-U2 (2.7) =(SR+OSR)U/(SR+OSR+R47)-RhU/(Rh+R48) (2.8) =ASR*R48/(SR+ASR+R47)*(Rh+R48) (2.9)2.4信号放大电路设计1一
13、级放大电路 信号的放大电路采用差分放大电路。见图2.4)输出电压Uo中含有较大的共模电压，这是我们所不希望的，所以我们利用差分放大电路对共模电压具有较好的抑制作用这一特性来消除共模电压对电压放大时产生的影响.图中W2为滑动变阻器，调节W2的大小可以改变此差分放大器的电压放大倍数。根据集成放大器虚短虚断特性，3端和2端等电位且无电流通过，5端和6端同理。所以易得WZ两端电压为U2-U6或U3-U5，不难得出等式: (U1-U7)/(R4十W2+R3)=(U2-U6)/W2 (2.10) Uo= 1 +(R4+R3)/W2Ui (2.11)设式(2.11)中1+ ( R4+R3 ) !W2=K，则
14、K即为放大系数。由式1+(R4+R3) /W2可以看出1端到7端流过的电流会很大，这就要适当调节W2使K不会太大，也不会太小。图2.4一二节放大电路2.二节放大电路有时信号经过一次放大后信号强度仍不能满足要求，还需要二级、三级甚至四级放大，所以放大电路一般采用多级放大形式。为使压力信号经放大达到0-5 V左右的标准，本设计在差分放大器的输出端又加上了一级放大电路。(见图2.4)信号中除了携带有用的信号量外，还夹杂着各种干扰和各级高次谐波分量。从频率上讲，基波分量(有用信息量)为低频信号，千扰、各级高次谐波分量为高频信号(无用量)，如不进行滤除，它们将和信号中的有用量一起被放大，输出的信号将十分
15、混杂，这就要求我们让有用的信号通过，滤除无用量.图中电容和电阻R6组成了无源低通滤波器，专门用来滤除输入信号中的频率较高的无用量，保证有用量的放大。从测量电路输入进来的压力值经过两次放大以电压的形式输出。2.5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)o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、减速以使实际水它还要处理来自故障检测电路发出的中断信号.图2.5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,
16、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3. 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89C51相连，输入的信号经过89C51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
17、动机。图2.5故障检测电路图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89C51相关联的一部分电路，主要有电压、电流转换电路和变频器.89C51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控电流源，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
18、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。 U12=U13U9=U10 (2.12)Ip6= (U12-U10)/(R1+W) (2.13)U12=UA (2.14) 通过上式，可以看出当RA, RC电阻值非常大时(几十千Q) 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(2.13)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。2.7看门狗电路设计 x2
19、5045/43把三种常用的功能:看门狗定时器，电压监视器和E2PROM组合在单个封装之内，这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。 看门狗定时器为微控制器提供了独立的保护系统.当系统出现故障时可在选定的超时周期之后，x25045看门狗将以reset信号做出响应.用户可从三个预置的值中选择此周期。利用x25045低vcc检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响.当vcc降低到转换点以下时，系统复位.复位一直确保到vcc返回且稳定为止. 图2.7管角说明图管脚说明:串行输出口(so)so是个推拉串行数据输出口.在读周期内，当时钟是下降沿时数据在此口上转换输出；串行输入口(s1)s1
20、是串行数据输入口。所有的操作码，字节地址，和数据是从此脚写入存储器的，数据在一系列时钟周期的上升沿被锁存。连续的时钟信号(sck)连续的时钟信号控制着数据输入输出的时序。输入si引脚的操作码、数据、地址在电平上升沿被锁存，而从s0引脚输出的数据在时钟信号下降沿电平输入后才发生变化；片选端(cs )当cs脚是高电平时，x25043/45不被选中，so脚保持高阻态，直到内部输入写命令、x25043/45进入待命状态。Cs为低电平使x25043/45进入工作态.须指出的是，cs脚上的高低电平转换应该在所有的操作执行前进行完毕。写保护端(wp)：当写保护是低电平时，除不允许x25043/45进行写操作
21、外，其它方式正常工作。当写保护在保持电平时一切方式正常。WP为高电平，cs为低电平将中x25043/45的写操作.如果内部写循环早已开始，wp变为低电平时不会对写操作有影响。复位端(reset)：x25043/45的复位信号是低/高电平时有效。一个CS端的下降沿将使电子狗功能复位。操作原则：x25043/45包含一个8字节命令寄存器。信息由si脚输入，同时数据在时钟的上升沿被锁存。在输入数据时，cs脚必须是低电平，wp必须是高电平。如果预先设定的时间得不到总线信息，x25043/45将在监视模式下输出复位信号。表1包含了操作码的用法名称。所有的命令、地址、数据都要首先被转换成最高有效位。读写命
22、令的头三个字节顺次包含了高地址的三个字节，a8代表数据，ca是低电平，sck到达第一个上升沿时开始进行输入数据的采集.Sck信号是静态的，允许用户停止时钟和重新开始操作.写使能锁：x25043/45包含了一个写使能锁。在写命令完成初始化前，设置写使能锁。wren命令为设置命令，wrdi命令为重置命令。写使能锁将在上 表1状态字寄存器 电过程中和字节、页、或状态寄存器写周期完成后自动重置。WP为高电平时，也会重置写使能锁。状态寄存器的形式如下:rdsr命令对状态字进行操作。用户可以在任何时候甚至是写周期正在进行时访问状态寄存器。当进行wren, wrdi和:ds:命令操作时，不需要输入地址或数据
23、。(WIP)位表明x25043/45是否忙于写操作。WIP位为“1”时，表明正在进行写操作，如果为“0，说明没有写操作进行。写操作期间，所有的位均为“1，对WIP位只能进行读操作.写使能锁(WEL)位表明写使能锁的状态:当为“1”时锁被打开，为“0时锁被重置WEL位，只能进行读操作，WREN或一个写周期后和WRDI命令对此位分别进行设置和重置操作.块保护(BLO和BL 1)位表明保护的程度。WRSR命令完成对此位的设置功能，而且允许用户在电子狗程序中选择4种不同程度的保护,X25043/45被分为4个1024位的段，可以锁其中的任意一段。所以用户只能对选择的段进行读而不是能改变数据的写操作程度
24、.WRSR命令完成叶此位的设置功能，而且允许用户在电子狗程序中选择4中不同程度的保护。x25043/45被分为4个1024位的段。可以锁其中的任意一段。所以用户只能对选择的段进行读而不是能改变数据的写操作.电子狗时间设置位(WDO和WD I)位。WRSR命令完成对这些非易失位的操作。( WDO和WD 1 )位的编码代表的时间段见表3:表2 BLO和BLI的赋值代表的地址 表3 WDO和WD 1位的编码代表的时间段 时钟和数据时序：由Si引脚输入的数据在sck信号上升沿被锁存，由so引脚输出的数据在sck信号下降沿被锁存.读时序：当读EZPROM内的连续内存片选端置。，8个字节的地址和8个字节的
25、读命令分别一次性输入x25043/45。读命令的第三字节包含地址的a8位，这一位用来选择高字节地址或低字节地址。当读命令和地址输入完毕后，被选择地址的数据由s。口输出。下一字节地址内的数据，相应的在下一个时钟脉冲信号到来时输出。数据完全输出后，地址字节自动加1。段地址到达$lff时地址重新返回$000，允许读周期连续操作。读命令操作在CS端置1时终止.读状态字存储器时，CS端首先置0，然后进行命令为8个字节的;ds;命令操作.操作完成后状态字寄存器内容由so口输出。写时序：要想把数据写入x25043/45，必须用wren命令设置写使能锁(见表3).CS置0输入wren命令.当8位wren命令输
26、入完毕后，CS必须五1.如果CS仍为0，系统将忽略用户执行wren后的所有操作.数据写入EZPROM时，用户在输入8位地址后，紧跟write命令。写命令的第三个字节包含地址的as位，此位将用来选择高字节或低字节地址，这至少是一个24时钟周期的命令.在操作期间，cs始终保持0。主机可能将4个字节的数据继续写入x25043/45，但这4个字节必须在同一页，页地址由x xxxx xx o o开始，由x xxxx xxl 1结束.如果页地址已到达x xxXx xxll并且时钟周期脉冲不停止，页地址将返回首地址，可能会覆盖掉一部分已存在的数据。为了完成字节或页的写操作，CS将保持24, 32, 40，或
27、48个时钟周期。如果cs没有保持相应时钟周期的时间，将不能完成写操作，正在写时，在写状态字寄存器和 PROM的操作完成后，应该检查一下状态字的wip位，此时wip为应为1，其他为不确定。复位操作:当电压低于最小电压标准时或系统在电子狗设定的时间内无响应，系统将被复位（x25045复位为高电平）。表4命令格式 操作规范X25045将在下列情况下正常工作：1.电压低于最高电压。 2.cs段的高低电平不断变化或接受指令。3.so较为高阻状态。4. 写使能锁复位。图3.2 读E2PROM操作时序 图3. 3读状态寄存器时序 图3. 4写使能锁时序 图3. 5字操作时序 图3. 6写状态寄存器时序 图3
28、. 7串行输出时序 图3. 8串行输入时序图 第三章 模糊控制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。从线性与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制;从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能控制的一种重要而有效的形式，尤其是模糊控制和神经网络，遗传算法及混沌理论等新学科的相融合，正在显示其巨大的应用潜力.本章分部分介绍了模糊拉制原理，模糊控制核心部件一模糊控制器及其设计。3.1模糊控制原理3.1.1模糊控制的基本思想 在自动控制技术产生以前，人们在生产过程中只能采用手动控制方式.手动控制过程首先是观测被控对象的输出，
29、其次是才民据观测结果作出决策判断，然后手动调整输入。操作工人就是这样不断地观测一决策一调整，从而实现对生产过程的手动控制，这三个步骤分别由人的眼一脑一手来完成.后来，由于科学和技术的进步，人们采用各种测量装置代替人的眼睛，完成对被控量的观测任务;利用各种控制器部分地取代人脑的作用实现比较，综合被控制量与给定量之间的偏差，控制器所给出的输出信号相当于手动过程中的人脑的决策;使用各种执行机构对被控对象施加某种控制作用，这就起到了手动控制中手的调整作用，这就是人们所熟悉的常规负反馈控制系统。 在这种情况下，人们总结了自身的控制行为，正是遵循反馈及负反馈控制的思想，人的手动控制决策可以用语言加以描述，
30、总结成一系列条件语句一控制规则。利用微机程序实现这些控制规则，微机就起到了控制器的作用，于是利用微机取代人可以付被控对象进行自动控制。这样，模糊控制技术相应而生了。模糊控制技术是一种由模糊数学，计算机科学，人工智能，知识工程等多门学科领域相互渗透，理论性很强的科学技术。 综上，相对于传统的控制方法，从被控对象的数学结构上去考虑进行控制，模糊控制的基本思想就是:从人类智能活动的角度和基础上去考虑实施控制.3.1.2模糊控制系统组成 模糊控制系统是一种自动控制系统，以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则理论为理论基拙，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数学控制系统，核
31、心是具有智能型的模糊控制器.模糊控制系统组成如图3.1 给定值A/D模糊控制器测量装置D/A被控对象执行机构+图3.1模糊控制系统组成图模糊控制系统一般可分为四个组成部分: (1)被控对象可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的自然的，社会的，生物的或其他各种的状态转移过程，这些被控对象可以是确定的或模糊的，单变量的或多变量的，有滞后的或无滞后的，也可以是线性的或非线性的，定常的或时变的以及具有强藕合和千扰等多种情况，对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象更适合采用模糊控制。 (2)执行和时勺电气的可以是交直流电机，伺服电动机，步进电机等;其它气动的或液压的，如各类气动调节阀和液
32、压马达，液压阀等均可。 (3)控制器模糊拉制系统的核心部分，由于被控对象不同以及对系统的静态、动态特性的要求和所用的控制规则相异，可构成各种类型的控制器:经典控制论中，采用Pm控制器，串并校正器;现代控制论中，状态观测器;智能控制论中，则采用模糊知识表示和规则推理的语言型的模糊控制器，这是模糊控制系统区别于其它自动控制系统的特点所在。实质上一台微型计算机，根据控制系统的需要既可以采用系统机也可采用单片机或单板机。 (4)输入/输出接口装置实际模糊控制系统中，由于被控对象的控 制量以及可观测的状态量是模拟量，因此，模糊控制系统与通常的全数字拉制系统或混合控制系统一样，也必须具有模数，数模转换单元
33、。模糊控制器通过输入/输出接口从被拉对象获得数字量信号，并将模糊控制器决策的输出信号经过数模变换，将其转换为模拟信号送给执行机构去控制被控对象，不同的是在模糊控制系统中，还应该具有模糊 逻辑处理的“模糊化”与“解模糊化”环节这部分，通常也被看作是模糊控制器的输入/输出接口。 (5)测量装置是将被测对象的的各种非电量如电流，温度，压力，速度，浓度等转换为电信号的一类装置。通常由各类数字的或模拟的测量仪器，检测元件或传感器等组成。它在模糊控制系统中占据十分重要的地位，其精度往往影响整个系统的性能指标，因此要求其精度高，可靠性强且稳定性好。3.1.3模糊控制的基本原理 在此仅以一步模糊控制系统为例，
34、简要的介绍一下模糊控制的基本原理，如图3. 2所示:核心部件模糊控制器A/D计算控制变量模糊量化处理模糊控制规则模糊推理测量装置被控对象执行机构D/A非模糊化 图3. 2模糊控制原理框图具体原理如下: 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。二。-R。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
35、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，进行第二步拉制循环下去，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、多输入多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，在后面涉及的地方再阐述，这里不一一赞述。3.2模糊控制器 模糊控制理论应用于实际的桥梁即模糊控制器，是模糊控制的核心部件，它具有以下特点:模糊控制器不依赖于被控对象的精确数学模型，易于对不确定系统进行控制。模糊控制器是易于控制，易于掌握的较理想的非线性控制器，是一种语言控制器。模糊控制器杭干扰能力强，响
36、应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。这一节主要介绍模糊控制器的结构、数学模型、及模糊控制器设计。3.2.1模糊控制器的结构如图3.3所示:模糊化模糊推理决策对象模糊判决 图3. 3模糊拉制器的结构由图可知模糊控制器可划分为:模糊输入接口，模糊推理判决机构，模糊输出接口三大部分，它们构成了模糊控制器的控制机理和算法结构。 (1膜糊输入接口的主要功能是实现精确量的模糊化，即将被控系统输入变量的偏差和偏差的变化量的精确值转化为模糊量，以便进行模糊推理和决策。 (2)模糊推理判决机构主要功能是模仿人的思维特征，根据总结人工控制策略取得的语言控制规则进行模糊推理，并决策出模糊控制量。 (3)模糊
37、输出接口的主要功能是对经模糊推理决策得到的模糊控制量进行模糊判决，把输出模糊量转化为精确量后，施于被控对象。 据此，实际应用中，模糊控制器有两种组成形式:一种是由模糊逻辑芯片组成的硬件专用模糊控制器，它是用硬件芯片来直接实现模糊控制算法。这种模糊控制器特点是推理速度快，控制精度高，但价格昂贵，输入和输出二级模糊规则均有限且灵活性差，实际中较少使用，另一种组成方式是采用与数字控制器相同的硬件结构.目前多用单片机组成硬件系统而在软件上用模糊控制算法取代原来的数字控制器的数字控制算法，这样即把原来的数字控制器改成了模糊控制器，组成了一个单片机模糊控制系统，这种模糊控制器在本质上只是一种模糊算法而已，
38、是在单片机上用软件来实现模糊化，模糊推理决策和反模糊化过程而构成的.特点是控制器资源开销少，灵活性强，适用性强，应用范围广，是目前在过程控制和家用电器中模糊控制的主流.3.2.2模糊拉制器功能及实现 综上分析，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
39、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。 (3)精确化计算:模糊输出量是不能直接控制执行部件的，在确定的输出范围中，必须要确定一个认为最具有代表性的值作为真正的输
40、出控制量。 因此，模糊控制器的最终设计问题就是上述三个过程的设计问题，在详细讨论系统设计之前，我们先定性的分析一下三大部件的设计。 (1)模糊化过程测量输入变量的值并将数字表示形式的输入量转化为通常用语言表示的某一限定码的序数，每一限定码表示论域内的一个模糊子集，并由其隶属度函数来定义。对于某一个输入值，它必定与某一个特定限定码的隶属程度相对应。如图3. 4给出三种模糊化函数:图3. 4模糊化函数曲线 输入变量x在给定限定码模糊子集(又称语言值)a中，具有最大隶属程度，也即表示当前输入属于语言值;、的程度最高，除以上三种隶属度函数以外，还有其它类型的隶属度函数曲线。经验表明，通常选用三角形和梯
41、形函数的隶属度函数在实际中会带来方便. (2)模糊推理过程设计 模糊推理过程设计主要考虑模糊控制器的规则基和知识基的设计。所谓规则基指的是所有条件语句，即控制规则的全体.所谓知识基指的是数据基和规则基合起来。在模糊拉制器中，规则基是关健的知识，因为它不仅包含有数据基的成分，例如模糊变量的值，而且，还表明了模糊控制器的控制机理。规则基中条件语句的条数，完整性，优化程度都直接影响到控制品质。所以，设计时，在模糊控制系统中，较多考虑的是条件语句的一致性、交互性、完整性及它的条数。 (3)精确化过程设计 相对而言，此过程设计是三过程中最简单的一设计。对于精度要求不高的系统，可采用最大隶属度法求取控制值
42、;对于精度要求较高的系统，可采用一些复杂的反模糊算法来求控制值，比方说，重心法、加权平均法、Tsukamot。算法、Takagi算法、Sugeno算法等，在本设计中，考虑小区供水的实际情况，采用最大隶属度法求取控制值。3.3模糊控制器设计 模糊控制系统中，模糊控制器是整个系统的核心，它的硬件结构与数字控制器相同，一般由微型计算机或单片机组成，但在软件上采用模糊控制算法软件，即使其采用模糊控制方式来实现控制。因此，模糊控制器设计实质上是设计模糊控制算法。根据模糊控制原理，通常按以下步骤来设计模糊控制器。 (1)确定模糊控制器的结构，即根据具体的系统确定其输入输出变量。输入输出变量的模糊化，即把输
43、入输出的精确量转化为对应语言变量的模糊集合. (2)推理决策算法的设计，即根据控制规则进行模糊推理并决策出输出控制量。 (3)对输出模糊量进行模糊判决完成模糊量到精确量的转化。 下面以一简单的单输入/单输出温控系统为例介绍一下模糊控制器的设计。 人工操作控制温度时，根据操作工人的经验，控制规则可以用语言描述如下: 若炉温低于600度则升压，低的越多升压越高;若炉温高于600度则降压，高的越多降的越低;若炉温等于600度则保持电压不变. 采用模糊控制控制炉温时，控制系统的工作原理如下:1.控制器的输入变量和输出变量 在此将炉温600度作为给定值to，测量得到的炉温记为t(k)，则误差 e(k)=to-t(k) (3.1)作为模糊控制器的输入变量，模糊控制器的输出变量是触发电压u的变化，该电压直接控制电热炉的供电电压的升高和降低，即为控制量。输入变量和输出变量的模糊语言描述2.描述输入变量和输出变量的语言值的模糊子集为:
