淺談屋頂水泵水位監(jiān)測的實時水位變化

淺談屋頂水泵水位監(jiān)測的實時水位變化

0基于模糊控制的高速智慧工程控制隨著計算機技術的進步，許多設備和設備都配備了計算機系統(tǒng)，以便于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活。這些設備和設備具有高自動化性能和一定的智能性，極大地滿足了人們的生產(chǎn)和生活需求。嵌入式實時操作系統(tǒng)是在原有的嵌入式操作系統(tǒng)上加入了實時性,既秉承了原有操作系統(tǒng)的并行執(zhí)行、易移植性及高可靠性等基礎的同時還加上了對于預定任務,即必須要在預定時間內完成的特點,從而提高了操作系統(tǒng)對于某些對于時間性要求很高的工程應用的穩(wěn)定性和可靠性。現(xiàn)在,很多自動控制系統(tǒng)用的都是經(jīng)典控制方式。設計者通過現(xiàn)有系統(tǒng)建立數(shù)學模型,從而選擇自動控制的方式。但是當系統(tǒng)的模型未知,或者很難建立系統(tǒng)模型的時候,經(jīng)典控制系統(tǒng)將很難應用,或者應用也很難保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性。于是,一種基于經(jīng)驗控制的智能化現(xiàn)代控制方式,即模糊控制被不少學者所提出,并經(jīng)過幾十年的改進已被廣泛的應用于現(xiàn)實生活。其特點是:在系統(tǒng)很復雜的時候,通過邏輯規(guī)則進行經(jīng)驗控制,從而避免了大量的運算,又可以較為快速、平穩(wěn)地達到所需控制的量,提高了系統(tǒng)的實時性及穩(wěn)定性。因此,在很多對實時性要求很高的工程應用中,需要盡可能高效率的完成控制目的。將嵌入式實時操作系統(tǒng)及模糊控制協(xié)調結合可以使得控制系統(tǒng)的實時性大為提高,同時也將增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。1嵌入式實時操作系統(tǒng)技術1.1嵌入式實時系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng),通常包括與硬件相關的底層驅動、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、圖形界面等。與通用操作系統(tǒng)相比,它在系統(tǒng)穩(wěn)定性、硬件的相關依賴性以及應用的專用性等方面有較為突出的特點。而實時系統(tǒng)是指在確定時間內執(zhí)行其功能并對外部的異步事件做出響應的計算機系統(tǒng)。其操作的正確性不僅依賴于邏輯設計的正確程度,而且跟這些操作進行的時間有關。一般的嵌入式系統(tǒng)都是實時系統(tǒng),實時系統(tǒng)大都應用在嵌入式環(huán)境。嵌入式實時系統(tǒng)要求任務能按時、正確地完成功能操作,這些任務還可能會互斥地訪問共享資源。另外,系統(tǒng)的處理能力和內存容量往往是有限的,這就對調度算法提出了嚴格的要求。實際的嵌入式實時系統(tǒng)在開發(fā)過程中往往忽視從運行的角度利用成熟的實時調度理論,而已有的實時調度理論過于復雜,不適于直接應用在嵌入式系統(tǒng)之中。1.2實時系統(tǒng)的選取嵌入式系統(tǒng)可以分為實時系統(tǒng)和非實時系統(tǒng),不過大多數(shù)都是實時系統(tǒng)。在實時系統(tǒng)中,根據(jù)實時性的強弱,又可以進一步分為硬實時系統(tǒng)和軟實時系統(tǒng)。(1)硬實時系統(tǒng):硬實時系統(tǒng)不但要求任務響應要實時,而且要求在規(guī)定的時間內完成事件的處理,不允許任何超出時限的錯誤,否則將可能導致嚴重后果。(2)軟實時系統(tǒng):軟實時系統(tǒng)僅要求事件響應是實時的,并不嚴格要求在規(guī)定的時間內完成事件的處理。如果系統(tǒng)響應時間不能滿足,并不會導致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯誤或崩潰。2模糊檢測技術2.1控制策略的選擇應用于設計一個輸出函數(shù)模糊控制器最初被稱為模糊邏輯控制器。隨著時間的推移和認識的加深,人們發(fā)現(xiàn):模糊控制與邏輯的關聯(lián)實在是越來越少,而對算法的依賴卻是越來越多。眾所周知,經(jīng)典控制方法需要建立被控對象的數(shù)學模型,進而給出控制動作的輸入輸出函數(shù)表達式,以此對被控對象進行調控。對于過程控制來說,關鍵是獲得控制策略的輸入輸出函數(shù)。在無法得到此函數(shù)時,人們的一個自然選擇是尋求盡可能多的輸入輸出對應點的值,并基于這些點的值采用數(shù)值方法進行處理,得到一個近似的輸入輸出函數(shù),用其來對被控對象進行調控。在模糊控制方法中,控制規(guī)則是人們的知識、經(jīng)驗、策略的集中體現(xiàn)。這實際上是給出了輸入輸出關鍵點的對應,是得到了一些已知輸入輸出對應點的值。依據(jù)這些規(guī)則建立模糊控制模型的過程,尋求一個近似輸入輸出函數(shù)的過程,要使這一近似輸入輸出函數(shù)覆蓋這些已知輸入輸出對應點的值,并滿足連續(xù)性的要求和單輸出值要求。從工程應用看模糊控制,它就是這樣一種極易為人理解和接受的聰明的近似算法。它描述復雜問題的直觀、構造算法的靈活、編程實現(xiàn)的簡單和工程應用的高效,這是經(jīng)典控制方法和截至目前的各種智能控制方法所不可替代的。2.2模糊控制器的組成模糊控制不需要控制對象的精確數(shù)學模型,在復雜過程控制中具有良好的控制效果,且具有速度快、魯棒性好等優(yōu)點。模糊控制是一種語言控制,能更為近似地反映人的控制行為,有很強的魯棒性和控制穩(wěn)定性,能夠運用于各種不同對象的控制。模糊控制是以模擬人腦對模糊概念的判別能力為特點的一種智能控制方式。模糊控制系統(tǒng)在結構框圖上和傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是一樣的,它們最大的區(qū)別在于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)用的控制機理是經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論,模糊控制系統(tǒng)用的是模糊推理機制,控制器是一個模糊控制器。如圖1所示,典型的模糊控制系統(tǒng)是以輸入接口(A/D),輸出接口(D/A)、模糊控制器、被控對象、檢測裝置(傳感器)、執(zhí)行機構等組成,其中最重要的也是區(qū)別其他計算機控制系統(tǒng)的特點是具有模糊控制器。模糊控制以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎,由三個部分構成,首先將信息模糊化,然后經(jīng)模糊推理規(guī)則,給出模糊輸出,再將模糊指令量化,來控制被控對象。它在系統(tǒng)中是這樣運行的:首先,系統(tǒng)給定與反饋相比較得到偏差e,量化后進入模糊控制器。在模糊控制器中,將精確量e以一定方法模糊化,得到偏差的模糊量,偏差e的模糊量可以用相應的模糊語言表示,然后由模糊推理規(guī)則將e與模糊規(guī)則R合成,得到模糊控制量u=e×R。在實際系統(tǒng)中,使用最多的模糊控制系統(tǒng)是單變量模糊控制系統(tǒng),即把控制量與設定的偏差以及偏差的變化率作為模糊控制器的輸入量的模糊控制系統(tǒng)。由于本文所用的是單變量模糊控制系統(tǒng),因此這里僅介紹單變量模糊控制器的結構與組成。在單變量模糊控制系統(tǒng)中,模糊控制器輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù),通常采用的是一維、二維和三維結構模糊控制器。一維模糊控制器選擇受控變量和輸入給定的偏差量E為其輸入變量,盡管其具有結構簡單、控制規(guī)則少、運算速度快等優(yōu)點,但其系統(tǒng)動態(tài)控制性能往往很難令人滿意。二維模糊控制器以受控變量和輸入給定的偏差E和偏差變化EC作為兩個輸入變量,由于它們能夠較好地反映輸出變量的動態(tài)特性,因此在控制效果上要比一維模糊控制器好得多。三維模糊控制器選擇系統(tǒng)偏差量E、偏差變化量EC和偏差變化的變化率ECC作為三個輸入變量,由于這種模糊控制器結構復雜,推理運算時間長,控制算法實現(xiàn)困難,一般很少選用這種控制器。從理論上講,模糊控制器的維數(shù)越高,系統(tǒng)的控制特性就越好,但模糊控制規(guī)則也就相應變得越復雜,用計算機實現(xiàn)模糊合成推理控制算法時將會面臨較大的困難,因此人們在設計模糊控制系統(tǒng)時多采用二維模糊控制器,其模糊控制系統(tǒng)組成框圖見圖2。3系統(tǒng)控制模塊新型樓頂水箱是通過對傳統(tǒng)水箱進行內部空間的分割,可節(jié)省大量清洗時的水資源的新型節(jié)能節(jié)水水箱。節(jié)能方案實施過程實現(xiàn)半自動化,減輕了清洗的難度與復雜性,項目中的控制模塊由邏輯電路與單片機共同組成。新型樓頂水箱可以由人工和自動控制兩種方式進行電磁閥和水泵的自動控制,從而達到任意兩個蓄水池的水體交換目的;并且可通過在水箱內部隔板安裝過濾網(wǎng),達到降低二次污染的作用。3.2水景的水位控制新型樓頂水箱的水位是模糊控制結合嵌入式實時操作系統(tǒng)的控制量,進水閥門是系統(tǒng)的被控對象,需要保證樓頂水箱的實時水位盡量穩(wěn)定在水位標準值。根據(jù)經(jīng)典的控制方式,通常是將需要得到水位的精確值,通過一定的公式,計算出閥門所需要開啟的大小,經(jīng)過一系列控制過程,最終完成水位的控制。但是這對于水位傳感器的精度要求較高,同時閥門不一定可以以想要的開啟大小進行開啟,所以采用經(jīng)典控制方法控制水箱水位存在不穩(wěn)定因素。3.3模糊控制器的輸入采用模糊控制的實時操作系統(tǒng)進行樓頂水箱水位的控制。定義如下語言變量:水位={高(NL)、較高(NS)、適中(Z)、較低(PS)、低(PL)}水位變化={快速變多、緩慢變多、適中、緩慢變少、快速變少}閥門動作={打開最大(PL)、打開較大(PS)、打開適中(Z)、打開較小(NS)、關閉閥門(NL)}“水位”及“水位變化”做為模糊控制器的輸入變量。輸出變量“閥門動作”與兩個輸入變量有關,由于每個輸入變量有5個語言值,因此存在25種可能的關系。R11:水位是高的且水位變化是快速變多R13:水位是高的且水位變化是適中R14:水位是高的且水位變化是緩慢變少R21:水位是較高的且水位變化是快速變多R23:水位是較高的且水位變化是適中R24:水位是較高的且水位變化是緩慢變少R33:水位是適中的且水位變化是適中R34:水位是適中的且水位變化是緩慢變少R43:水位是較低的且水位變化是適中R52:水位是低的且水位變化是緩慢變多R54:水位是低的且水位變化是緩慢變少根據(jù)以上的規(guī)則關系構建模糊規(guī)則庫如表1所示。模糊規(guī)則定義后,在嵌入式實時操作系統(tǒng)上實現(xiàn)上面的模糊控制方式。圖3所示為水箱模糊控制系統(tǒng)框圖,圖4為該系統(tǒng)的程序流程。(1)水位檢測任務的確定水位是一個實時變化量,如果水位檢測不及時,則會對系統(tǒng)產(chǎn)生極大地影響,所以水位檢測任務具有緊迫性,關鍵性和傳遞性。在本系統(tǒng)中,水位檢測任務設為最高優(yōu)先級,保證在每一次任務調度時優(yōu)先執(zhí)行水位檢測任務。當檢測到水位數(shù)據(jù)時,系統(tǒng)通過消息郵箱將實時的水位數(shù)據(jù)傳遞給模糊控制器任務進行控制運算。(2)控制量輸出模糊控制器任務主要是利用模糊控制表,通過查表的方式來進行控制量輸出。當系統(tǒng)檢測到消息郵箱有來自水位檢測任務的消息時,模糊控制器任務接收消息并工作。首先將數(shù)據(jù)模糊化處理,然后通過模糊規(guī)則來判斷控制方式,再利用消息郵箱輸出控制量。(3)模糊控制器控制輸出任務主要輸出給水閥的開關大小控制信號。它通過檢測模糊控制器任務并通過消息郵箱傳遞來的模糊控制量,進行反模糊化,再將所得的控制信號發(fā)給水閥進行控制。(4)帶安全設施的識別標志LCD顯示任務主要負責直觀的顯示當前的水位及水閥的工作狀態(tài),它通過接收水位檢測任務所給出的水位和控制輸出任務所輸出的信號,再通過內部程序,將數(shù)值顯示到LCD顯示屏上。4系統(tǒng)的優(yōu)勢分析通過使用嵌入式實時操作系統(tǒng)和模糊控制的方法,在處理一些比較復雜且實時性要求較高的系統(tǒng)時,具有較大的優(yōu)勢?？刂葡到y(tǒng)可以很快地處理信息并且完成控制,從而提高了實時性。3.1水位是適應變少且水位是最小的且水位變化的且水位是最小的且水位變化的且水位變化是合理的且水位變化的且水位變化是合理的且水位變化的且水位變化是合理的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化是合理的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位有一個且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化的且水位變化R12:水位是高的且水位變