目录
摘要I
ABSTRACT II
目录III
第一章绪论1
1.1引言1
1.2变频调速技术现状1
1.2.1模糊控制技术现状2
1.2.2单片机技术现状3
1.3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4
2.1系统概述4
2.1.1系统的组成4
2.1.2系统优点6
2.2.1变频器的控制方式6
2.2.2控制系统的工作原理7
2.3系统的控制原理9
2.4控制器的硬件系统设计9
2.4.1硬件总体说明9
2.4.2恒压变频控制板设计10
2.4.3单片机主控制电路设计10
2.5人机界面设计15
2.6电机控制电路设计17
2.7故障检测电路设计18
2.8压力检测电路设计19
第三章主要硬件设备介绍21
3.1变频器的控制原理21
3.2系统的方案设计24
3.3系统工作过程25
第四章PID控制与模糊控制27
4.1 PID控制27
4.2模糊控制28
4.2.1模糊控制的基本思想28
4.2.2模糊控制系统组成29
4.3模糊控制器30
4.3.1模糊控制器的结构31
4.3.2模糊控制系统的Simulink仿真35
第五章系统的软件设计37
5. 1系统方案的设计37
5. 2系统运行主程序38
5.3故障检测流程图39
5.4键盘处理子程序40
5.5压力测量子程序40
5.6模糊控制子程序41
5.7模数转换(A/D压力数据采集)子程序42
5.8水泵故障检测子程序42
结论与展望43
参考文献44
致谢46
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。
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。
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4~20mv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。
