嵌入式供水智能控制系统及模糊PID控制
2022-01-20

  引言

 

  目前的小区和楼宇供水系统普遍采用基于变频调速技术的恒压供水系统,与传统的恒速供水系统相比取得了可观的节能效果。但由于供水系统的泵出口压力恒定,不能依据用户需求做相应调节,因此从泵理论和水动力学来分析它并没有把变频调速的节能潜力充分发挥出来。

  本文针对小区供水系统节能这一课题,提出了一种基于ARM的小区供水嵌入式智能控制系统,它能实时跟踪用户需求,因而能较充分发挥变频调速的节能潜力,与常规恒压供水系统相比能更大限度的节能。

 

  1 ARM处理器的性能特点简介

 

  LPC2000系列CPU都是基于16/32位ARM7TDMI-S,并支持实时仿真和跟踪的CPU,对于代码规模有严格控制的应用场合可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%,而性能的损失却很小。它们特别适用于、医疗系统、通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用。LPC2129具有以下特点:① 16KB片内SRAM,256KB片内Flash程序存储器;② 片内Boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP),Flash编程1ms可编程256字节,扇区擦除或整片擦处只需400ms;③ 多个串行接口,包括两个UART,一个I2C和两个SPI接口,一个PWM单元(6路输出)、实时时钟和看门狗定时器,多达47个可承受5V电压的通用I/O口;④ 通过可编程的片内锁相环可实现最大为60MHz的CPU工作频率范围,片内晶振的操作频率范围1-30MHz;⑤ 空闲和掉电两种低功耗模式,通过外部中断处理器从掉电模式中唤醒,外设功能可单独使能/禁止,实现功耗最小化。

 

  2 系统工作原理与软硬件实现

 

  2.1 系统工作原理

  本系统将泵理论和水动力学做成专家系统,通过对泵出口的压力和流量的采集,由专家系统运算后实时给出系统的工作点,再通过模糊PID控制迅速的把系统稳定在该工作点处。同时该系统还具有故障报警,常规PLC启停逻辑控制,CAN通信,与上位机通信等功能,其中上位机采用VB编写应用程序完成对下位机的监控。系统的原理框图如图1所示。

 

  

 

  2.2 硬件设计

  2.2.1 A/D转换模块

  本系统直接采用ARM7-LPC2129的片内两个A/D转换模块接收泵出口的压力和流量采集信号,转换好的数据送入专家系统进行进一步处理。

  2.2.2 ARM7控制器

  ARM7控制器嵌入了专家系统和模糊PID控制功能,其中专家系统部分把经A/D转换后的流量和压力信号进行运算,计算出用户在该时刻的压力需求并给出系统的工作点,然后经模糊PID控制把系统迅速稳定在该工作点处,系统的控制原理图如图2所示。

 

  

   

  模糊控制具有对被控制对象的数学模型依赖性弱、不需要建立精确数学模型的优点,而PID控制算法具有简单、容易实现等优点,因此,把模糊控制与PID控制在不同的区域实行分级控制,就能发挥模糊控制和PID控制各自的优点。在误差较大时,采用模糊控制使系统快速趋向设定值,并且能实现超调较小的良好动态特性;误差较小时即趋于稳定时,采用PID控制算法发挥PID控制精确、静态误差小等优点,进一步改善静态特性。由于供水系统具有时滞性和非线性,同时建立它的精确数学模型在目前来看还是不可能的,因此本系统采用了模糊PID对供水系统进行控制。

  2.2.3 串口通信模块

  本系统直接使用了ARM7-LPC2129的片内两个UART接口。其中UART0与变频器通信,UART1与上位机(PC)通信。

  2.2.4 开关量输入/输出模块

  本系统采用了ARM7-LPC2129的通用输入/输出口做为开关量的输入/输出接口,用于接收火灾信号、缓冲水池的液位信号,完成泵组启停逻辑控制等相关辅助功能。

 2.2.5 CAN接口模块

  现场总线是工业控制中的控制局域网,代表了未来工业控制的发展方向。由于它的飞速发展,各项工控技术均向现场总线靠拢,因此本系统还开发了CAN接口(ARM7-LPC2129带有一个CAN接口)驱动程序,为系统能接入现场总线网络提供技术支持。

  2.3 软件设计

  本系统应用程序采用结构化模块设计,由主程序和中断服务程序等组成。中断服务程序定时检测用户端管道压力和流量,并完成A/D转换,采样数据经数字滤波送专家系统分析确定系统的工作点。工作点确定后经模糊PID模块迅速把系统稳定在该工作点处,通过上下位机的通信程序实现上位PC对下位机的监控,同时在软件的设计中加入了软件看门狗,增强了系统的抗干扰能力。主程序框图如图3。

 

  

 

  3 结束语

 

  由于本系统嵌入了含有泵理论和水动力学的专家系统及模糊PID控制,所以能较好地实时跟踪用户需求,更好地发挥了变频调速的节能潜力并取得了良好的节能效果;同时系统还具有很好的快速性、稳定性和很好的抗干扰能力。由于具有良好的供水品质和节能效果,使得本系统不仅能应用在小区供水中还可以应用在楼宇供水及工厂企业的供水节能改造中。

 

  参考文献

  1 干浙民。恒压变流量供水系统中值得研讨的几个问题[J]。灌溉机械,1997,(1)。

  2 刘永信,等。单片机控制变频调速恒压供水系统[J]。广西工学院学报,2001,(12)。

  3 Embest LPCEB2000-I 用户手册ver 1.0[M]。深圳:深圳市英蓓特信息技术有限公司,2003

  4 罗均,等。智能控制工程及其应用实例[M]。北京:化学工业出版社,2005

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