卜文銳

摘 要： 針對(duì)水輪機(jī)的大慣性和非線性特性以及傳統(tǒng)水輪機(jī)控制系統(tǒng)誤差較大等缺點(diǎn)，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(jī)系統(tǒng)抽水蓄能發(fā)電的過(guò)程，并分別從系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的角度，采用了增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性的措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)水流速度的多級(jí)智能控制。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的抗干擾能力，具有自動(dòng)控制，可靠性高，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其提高了水輪機(jī)系統(tǒng)的智能化程度。

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

中圖分類(lèi)號(hào)： TN344?34； TP273+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(wèn)題，世界各國(guó)正在積極興建抽水蓄能電站，水泵水輪機(jī)因而得到迅速發(fā)展。水泵水輪機(jī)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能儲(chǔ)蓄，調(diào)節(jié)電力高峰負(fù)荷，提高電力系統(tǒng)的總效率，節(jié)約能源。目前，水輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)普遍采用PID控制[1?2]，這種控制簡(jiǎn)單易行，并且能滿(mǎn)足大多數(shù)工業(yè)過(guò)程控制的要求。但是由于水輪機(jī)的大慣性、非線性和不確定性等特點(diǎn)，水輪機(jī)控制系統(tǒng)[3?5]易出現(xiàn)超調(diào)量大，擺動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、波動(dòng)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(duì)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(jì)不同的改善系統(tǒng)動(dòng)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(jī)抽水蓄能發(fā)電的過(guò)程[6?7]。水泵抽水蓄能使水流循環(huán)從高處流下，用風(fēng)車(chē)模擬水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪被水沖刷轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在這個(gè)過(guò)程中，考慮到水流流速大小與發(fā)電量的關(guān)系，設(shè)計(jì)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(jìn)行工作模式的調(diào)節(jié)；電壓輸入設(shè)計(jì)為12～30 V，設(shè)定工作模式后，單片機(jī)通過(guò)比較內(nèi)部設(shè)定量和被控對(duì)象反饋的信息，根據(jù)擬定的專(zhuān)家規(guī)則表，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；顯示模塊提示用戶(hù)當(dāng)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(shí)，警報(bào)等。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

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(dòng)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(gè)頻率不變，占空比可變的方波，它通過(guò)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(lái)調(diào)整輸出脈沖電壓的占空比，控制MOS管的開(kāi)通與關(guān)斷。

當(dāng)控制模塊通過(guò)單片機(jī)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(kāi)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(jì)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(gè)晶體管并聯(lián)起來(lái)使用，并聯(lián)后輸出驅(qū)動(dòng)電流將增大1倍，集電極輸出電流最大可達(dá)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(duì)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(jìn)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(kāi)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(dāng)TL494輸出高電壓時(shí)，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(dāng)基準(zhǔn)電壓（D/A電壓）和反饋電壓基本相同時(shí)，TL494內(nèi)部誤差放大器1工作在線性區(qū)，此時(shí)誤差放大器輸出的是電壓信號(hào)而不是電平信號(hào)。

由于TL494輸出的只是驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)開(kāi)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(dòng)更大的負(fù)載。其電路圖如圖4所示。

圖4中[Vfb，][Vq]與圖3一致。

設(shè)計(jì)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(kāi)始時(shí)不是從零開(kāi)始的。

電源正極輸入端并聯(lián)，起到保護(hù)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(jìn)一步降低輸出電壓的紋波，保護(hù)執(zhí)行機(jī)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(cè)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(jì)算出中速與低速模式下的理想輸出電壓和實(shí)際占空比。高速、中速和低速時(shí)的計(jì)算輸出[Uo]值與實(shí)測(cè)值的關(guān)系如表1所示。

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

2.2 STC89C51單片機(jī)

執(zhí)行機(jī)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(jī)模塊加入了一個(gè)閉環(huán)，將施加在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的電壓反饋給單片機(jī)，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(fù)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(jī)構(gòu)（水泵）從初態(tài)到終態(tài)一系列的狀態(tài)變化過(guò)程，在某一時(shí)段，讓水泵的水流速度保持在一定范圍之內(nèi)，當(dāng)有外界干擾出現(xiàn)時(shí)，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(dāng)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(guò)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(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制操作，從而達(dá)到誤差合理的要求。

3.1 模糊規(guī)則的擬定

選擇當(dāng)前輸出電壓相對(duì)于輸入電壓的偏差[E]以及偏差的變化率[EC]為變量，控制對(duì)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(gè)檔次，同時(shí)定義7個(gè)語(yǔ)言變量值，將離散化的精確量與表示模糊語(yǔ)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(duì)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(yǔ)句來(lái)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(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性和實(shí)用性，使用Matlab 7.1在Windows平臺(tái)上編寫(xiě)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(jì)算機(jī)上，對(duì)基于模糊規(guī)則與基于PID控制的系統(tǒng)進(jìn)行了比較（無(wú)噪聲情況），比較結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)輸入為1時(shí)，基于PID控制的系統(tǒng)有著明顯的超調(diào)，超調(diào)量達(dá)到0.27，經(jīng)過(guò)13 s達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差為0.04左右，而基于專(zhuān)家規(guī)則的系統(tǒng)超調(diào)量為0.04，經(jīng)過(guò)8 s達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差為0.025左右?；趯?zhuān)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(dòng)時(shí)間，能夠快速達(dá)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(shí)操作環(huán)境中，會(huì)有許多噪聲的干擾。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的抗干擾力與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)于有無(wú)噪聲的情況進(jìn)行了仿真比較，比較結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，對(duì)比無(wú)噪聲系統(tǒng)，在隨機(jī)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(guò)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(jī)的大慣性系統(tǒng)而帶來(lái)的超調(diào)量和系統(tǒng)誤差，能夠快速達(dá)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(jī)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(diǎn)是利用模糊規(guī)則建立對(duì)電壓的控制規(guī)則表，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)控制的無(wú)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(guò)快導(dǎo)致的系統(tǒng)超調(diào)量過(guò)大，不易到達(dá)穩(wěn)態(tài)的問(wèn)題。

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真實(shí)驗(yàn)可知，相比較于傳統(tǒng)的水輪機(jī)控制系統(tǒng)，基于專(zhuān)家規(guī)則的水輪機(jī)控制系統(tǒng)可以使系統(tǒng)超調(diào)量達(dá)到23%，有效降低了輸出誤差，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)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。

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