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。

　　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，這種控制簡(jiǎn)單易行，并且能滿足大多數(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)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)，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。水泵抽水蓄能使水流循環(huán)從高處流下，用風(fēng)車模擬水輪機(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。

　　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。

　　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。

　　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]在周期開始時(shí)不是從零開始的。

　　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

　?。?） 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＜乙?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。

　　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。