CN108277846B - 一种一体化可调式恒压供水装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体化可调式恒压供水装置及其控制方法，属于恒压供水技术领域。本发明包括外壳箱体、控制面板、进水管、出水管、排泄管、底座、万向轮、电源线、电源开关、支架、立式环管、离心泵、第一缓冲箱、第二缓冲箱、第一电磁阀、第二电磁阀、第一压力变送器、第二压力变送器、出口缓冲管、控制器、Y型连接管；所述控制面板设有显示屏、控制按钮；支架上设有搁板和多个管卡。本发明结构简单、占地面积小、便于移动、能对接水源管道接口即插即用、恒压点可在0~1MPa范围内连续调节，可在实验室条件下高效、便捷、稳定地为灌溉施肥设备提供压力可调的恒定工作水压。

Description

一种一体化可调式恒压供水装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种一体化可调式恒压供水装置及其控制方法，属于恒压供水技术领域。

背景技术

入口水压是微灌系统的一个重要工作参数，其稳定性不仅直接影响着微灌系统的灌溉均匀性，而且对微灌系统的工作性能产生重要影响，尤其是对微灌系统中的灌溉施肥设备、水肥自动混合装置等关键部件的工作性能。因此，在实际的应用研究中，常需先在实验室条件下，研究灌溉施肥设备或水肥自动混合装置在各个不同水压下的工作性能，从而需要一套能提供不同水压的恒压供水系统或装置。目前，常见的恒压供水系统或装置主要有马氏瓶、高位水箱、变频恒压供水系统等。马氏瓶也叫恒压瓶，是一种常用于实验室中恒定提供较小水压的装置，不能提供微灌系统所需的工作水压；高位水箱恒压供水法是实验室条件下为微灌系统提供工作水压的一种常规方式，它是通过利用水的重力势能来调节出口水压的，通过改变水箱的高度可以获得不同出口水压，但是这种方式费用费力、效率低下，而且由于水箱容积和所置高度的限制，其出口水压的调节范围较小、在各个出口水压的恒压供水时间短；现有的变频恒压供水系统主要集中应用于楼宇与居民区，它利用变频控制技术和多级水泵智联技术，当供水管网中用水量发生变化时保持出口压力不变，以提供满足用户需求的生活用水，但是这种恒压供水系统的工作水压大于微灌系统，相对于微灌系统而言其稳压精度不高，且其稳压点固定、不能任意可调。综上所述，现有的常用恒压供水系统难以高效便捷地为灌溉施肥设备或水肥自动混合装置提供试验用工作水压。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种出口水压可在0~1MPa范围内连续调节、能对接管道接口即插即用、占地面积小且可移动的一体化恒压供水装置及其控制方法，用于解决目前实验室条件下难以高效、便捷、稳定地为灌溉施肥设备提供压力可调的试验用恒定工作水压的问题。

本发明技术方案是：一种一体化可调式恒压供水装置，包括外壳箱体1、控制面板2、进水管3、出水管4、排泄管5、底座6、万向轮7、电源线8、电源开关9、支架10、立式环管11、离心泵12、第一缓冲箱13、第二缓冲箱14、第一电磁阀15、第二电磁阀16、第一压力变送器17、第二压力变送器18、出口缓冲管19、控制器20、Y型连接管30；所述控制面板2设有显示屏21、控制按钮22；所述支架10上设有搁板101和多个管卡102；所述第一缓冲箱13设有第一缓冲箱入口131、第一缓冲箱出口132、第一缓冲箱排泄口133、第一缓冲箱三角支架134；所述第二缓冲箱14设有第二缓冲箱入口141、第二缓冲箱出口142、第二缓冲箱排泄口143、第二缓冲箱三角支架144；所述控制器20包括单片机201、变频器202、RS232接口电路203、电磁阀驱动电路204、12V稳压电路205、3V稳压电路206；

所述进水管3的一端与水源相连，另一端与离心泵12的入口相连，离心泵12的出口通过管道与第一缓冲箱入口131相连，第一压力变送器17串联于离心泵12出口与第一缓冲箱入口131之间的管道的直管段上，第一缓冲箱出口132与立式环管11的入口相连，立式环管11的出口与第二缓冲箱入口141相连，第二缓冲箱出口142与出口缓冲管19的入口相连，出口缓冲管19的出口与出水管4的一端相连，第二压力变送器18串联于出口缓冲管19的出口与出水管4之间的管道的直管段上，出水管4的另一端与灌溉施肥设备的入水口相连，用于为灌溉施肥设备提供恒压供水；所述第一缓冲箱排泄口133与第一电磁阀15的入口相连，所述第二缓冲箱排泄口143与第二电磁阀16的入口相连，第一电磁阀15的出口和第二电磁阀16的出口分别与Y型连接管30的两个入口相连，Y型连接管30的出口与排泄管5相连；

所述电源线8的输入端与220VAC市电相连，电源线8的输出端与电源开关9的输入端相连，电源开关9的输出端分别与变频器202的电源端、12V稳压电路205的输入端相连，12V稳压电路205的输出端分别与第一电磁阀15、第二电磁阀16、第一压力变送器17、第二压力变送器18的电源端，以及相连3V稳压电路206的输入端相连，3V稳压电路206的输出端分别与控制面板2、单片机201、RS232接口电路203、电磁阀驱动电路204的电源端相连，单片机201通过其I/O端口分别与控制面板2、RS232接口电路203、电磁阀驱动电路204的控制端，以及第一压力变送器17、第二压力变送器18的信号输出端相连，电磁阀驱动电路204的输出端分别与第一电磁阀15、第二电磁阀16的控制端相连，RS232接口电路203的输出端与变频器202的控制端相连，变频器202的输出端与离心泵12的电源端相连。

所述外壳箱体1为套装在支架10上的由不锈钢材质制成的双开门式立柜结构，所述控制面板2设于外壳箱体1右开门的上半部，所述进水管3设于外壳箱体1左侧面的下部，所述出水管4设于外壳箱体1右侧面的中部，所述排泄管5设于外壳箱体1右侧面的下部，所述电源线8和电源开关9设于外壳箱体1背面的左下部。

所述支架10为由方条形铝合金材质制成的长方体骨架结构，其长、宽、高分别为60cm、45cm、100cm；所述底座6为铝合金材质制成的方形平板，其尺寸与支架10的长、宽相同；所述支架10垂直安装于底座6的上表面，所述万向轮7包括4个相同的万向轮，它们呈矩形安装于底座6的下表面；所述搁板101为材质和尺寸均与底座6相同的方形平板，它固定安装于支架10的4根方条形铝合金立柱上，且平行于底座6所在平面；所述多个管卡102均匀设于支架10的4根方条形铝合金立柱上，所述立式环管11通过管卡102固定于支架10上；所述离心泵12、控制器20安装在底座6上，所述第一缓冲箱13、第二缓冲箱14分别通过其上所设的第一缓冲箱三角支架134、第二缓冲箱三角支架144固定安装于搁板101上。

所述第一缓冲箱13为竖直放置的底部设有圆锥度的圆柱体状，由PVC材质一体化成型而制成，其上所设的第一缓冲箱入口131、第一缓冲箱出口132、第一缓冲箱排泄口133均为公称管径规格的外螺纹圆管接口，第一缓冲箱入口131和第一缓冲箱出口132的管径相同，第一缓冲箱排泄口133的管径不大于第一缓冲箱入口131，第一缓冲箱13的圆柱体横截面直径是第一缓冲箱入口131的3倍，圆柱体高度是其横截面直径的2倍，第一缓冲箱入口131和第一缓冲箱出口132分别垂直安装于第一缓冲箱13的侧壁顶部、侧壁的1/3位置处；所述第二缓冲箱14的结构及尺寸与第一缓冲箱13相同。

所述立式环管11为由PVC管道组成的层叠环绕式结构；其管径为第一缓冲箱13的圆柱体横截面直径的1/3。此立式环管结构可利用有限的空间，获得足够长的压力缓冲管路，并与第一缓冲箱13和第二缓冲箱14的结构设计及其设置相结合，能有效避免或消除管路中水压的快速、大幅波动对恒压供水装置出口水压稳定性的影响。

所述出口缓冲管19为一个矩形波状的管道，用于进一步缓冲第二缓冲箱出口142的水压波动对恒压供水装置的出水管4的出口水压的影响，使恒压供水的输出水压更加平滑、稳定。

所述第一压力变送器17和第二压力变送器18的工作电压为DC12V、输出信号为4~20 mA的压力变送器。它采用专用V/I集成电路，外围器件少，可靠性高，可将压力的力学信号转变成4~20 mA的电流信号，且压力和电流成线性关系，故而可通过检测电流信号计算出压力大小。第一压力变送器17和第二压力变送器18与单片机201的连接，利用单片机对压力变送器输出信号的检测，其检测可以采用常规技术，在此不做详细描述。

采用所述装置进行一体化可调式恒压供水的控制方法，所述方法的具体步骤如下所示：

1）通过控制面板2设定恒压供水装置的启/停、目标恒压值、运行时间及控制模式状态信息，其中控制模式分为自动清洗和恒压供水；

2）若控制模式为自动清洗时，则启动离心泵12，并打开第一电磁阀15和第二电磁阀16，使之工作1 min后，自动停止离心泵12，并关闭第一电磁阀15和第二电磁阀16；

3）若控制模式为恒压供水时，则以1 s为周期，每个周期启动第一压力变送器17和第二压力变送器18检测1次管道内水压，由于管道中的水流经第一压力变送器17到达第二压力变送器18时，需经过沿程的管路，具有滞后性，因此第二压力变送器18进行水压检测的时间比第一压力变送器17滞后0.5 s；

4）当检测到第一压力变送器17的输出等于0，或者第一压力变送器17的输出不等于0且第二压力变送器18的输出等于0时，则立即重复启动第一压力变送器17和第二压力变送器18连续检测3次，若3次检测结果仍与上述情况相同，则认为恒压供水装置工作异常并立即自动停机；否则，进入正常的恒压供水控制模式；

5）进行恒压供水控制模式前，选取水压作为被控制量，变频器输入电压的大小作为控制量，设计一个模糊控制器；取入口水压与出口水压的差值E1，出口水压与目标恒压值的误差E2，误差变化率EC作为输入变量，变频器输入电压U为输出变量，对输入输出变量进行模糊化，并用此模糊化的变量去适配模糊控制规则，用语言归纳专家的手动控制策略即模糊条件语句，建立模糊控制规则表；实现模糊推理，通过模糊决策获得的控制量即为模糊控制的输出，用模糊判决加权平均判决法对控制量进行反模糊化，确定实际的控制量，最终送给执行器去控制被控对象；由控制规则表中的各个控制规则，为离心泵12建立相应的比例-微分控制算法，并通过试验确定其比例系数和微分系数；

6）进行恒压供水控制模式时，根据每个检测周期的第一压力变送器17、第二压力变送器18输出值以及设置的目标恒压值，实时计算入口水压与出口水压的差值、出口水压与目标恒压值的误差及其误差变化率，以得出当前控制适合哪条控制规则，并启用相应的比例-微分控制算法对离心泵12进行控制；

7）重复执行步骤6），直至恒压供水的误差小于±3%。

将入口水压与出口水压的差值划分为<±50%、±(50~100)%、±(101~200)%、±(201~300)%和＞±301%五个等级，将出口水压与目标恒压值的误差划分为<-21%、-(11~20)%、-(4~10)%、(-3~3)%、(4~10)%、(11~20)%和＞21%七个等级，将误差变化率划分为<-0.3、-0.3~-0.21、-0.2~-0.1、-0.09~0.09、0.1~0.2、0.21~0.3和＞0.3七个等级；

对输入输出变量进行模糊化时，差值E1采用模糊语言变量表示为：负大NB，负小NS，零O，正小PS，正大PB；误差E2、误差变化率EC、电压U都采用模糊语言变量表示为：负大NB，负中NM，负小NS，零O，正小PS，正中PM，正大PB。

本发明的有益效果是：该装置结构简单，采用一体化结构设计并配置有万向轮移动机构，具有即插即用和便于移动的功能，通过设计立式环管与缓冲箱相结合的管路结构，不但减小了装置的体积和占地面积，而且获得了足够长的水流水压缓冲管路，能有效消除因水源水压波动或切换恒压点引起的出水管水压瞬间大幅上升或跌落，使装置易于更平滑、稳定地进行恒压供水控制，同时，综合考虑恒压供水的误差及其误差变化率、当前水源水压与恒压供水出口水压的差值，将其划分为若干个等级，并建立其控制规则及相应的比例-微分控制算法，使装置更快速、更准确地进行恒压供水控制，而且恒压点可在0~1MPa范围内连续调节，从而可在实验室条件下高效、便捷、稳定地为灌溉施肥设备进行不同水压的性能测试时提供压力可调的恒定工作水压，大大提升了试验效率。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构图；

图2是本发明装置的立式环管示意图；

图3是本发明装置的缓冲箱结构示意图；

图4是本发明装置的结构示意图；

图5是本发明装置的原理框图。

图1-5中各标号：1-外壳箱体，2-控制面板，21-显示屏，22-控制按钮，3-进水管，4-出水管，5-排泄管，6-底座，7-万向轮，8-电源线，9-电源开关，10-支架，101-搁板，102-管卡，11-立式环管，12-离心泵，13-第一缓冲箱，131-第一缓冲箱入口，132-第一缓冲箱出口，133-第一缓冲箱排泄口，134-第一缓冲箱三角支架，14-第二缓冲箱，141-第二缓冲箱入口，142-第二缓冲箱出口，143-第二缓冲箱排泄口，144-第二缓冲箱三角支架，15-第一电磁阀，16-第二电磁阀，17-第一压力变送器，18-第二压力变送器，19-出口缓冲管，20-控制器，201-单片机，202-变频器，203-RS232接口电路，204-电磁阀驱动电路，205-12V稳压电路，206-3V稳压电路，30-Y型连接管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1所示，一种一体化可调式恒压供水装置，包括外壳箱体1、控制面板2、进水管3、出水管4、排泄管5、底座6、万向轮7、电源线8、电源开关9、支架10、立式环管11、离心泵12、第一缓冲箱13、第二缓冲箱14、第一电磁阀15、第二电磁阀16、第一压力变送器17、第二压力变送器18、出口缓冲管19、控制器20、Y型连接管30；所述控制面板2设有显示屏21、控制按钮22；所述支架10上设有搁板101和多个管卡102；所述第一缓冲箱13设有第一缓冲箱入口131、第一缓冲箱出口132、第一缓冲箱排泄口133、第一缓冲箱三角支架134；所述第二缓冲箱14设有第二缓冲箱入口141、第二缓冲箱出口142、第二缓冲箱排泄口143、第二缓冲箱三角支架144；所述控制器20包括单片机201、变频器202、RS232接口电路203、电磁阀驱动电路204、12V稳压电路205、3V稳压电路206；

所述进水管3的一端与水源相连，另一端与离心泵12的入口相连，离心泵12的出口通过管道与第一缓冲箱入口131相连，第一压力变送器17串联于离心泵12出口与第一缓冲箱入口131之间的管道的直管段上，第一缓冲箱出口132与立式环管11的入口相连，立式环管11的出口与第二缓冲箱入口141相连，第二缓冲箱出口142与出口缓冲管19的入口相连，出口缓冲管19的出口与出水管4的一端相连，第二压力变送器18串联于出口缓冲管19的出口与出水管4之间的管道的直管段上，出水管4的另一端与灌溉施肥设备的入水口相连，用于为灌溉施肥设备提供恒压供水；所述第一缓冲箱排泄口133与第一电磁阀15的入口相连，所述第二缓冲箱排泄口143与第二电磁阀16的入口相连，第一电磁阀15的出口和第二电磁阀16的出口分别与Y型连接管30的两个入口相连，Y型连接管30的出口与排泄管5相连；

所述电源线8的输入端与220VAC市电相连，电源线8的输出端与电源开关9的输入端相连，电源开关9的输出端分别与变频器202的电源端、12V稳压电路205的输入端相连，12V稳压电路205的输出端分别与第一电磁阀15、第二电磁阀16、第一压力变送器17、第二压力变送器18的电源端，以及相连3V稳压电路206的输入端相连，3V稳压电路206的输出端分别与控制面板2、单片机201、RS232接口电路203、电磁阀驱动电路204的电源端相连，单片机201通过其I/O端口分别与控制面板2、RS232接口电路203、电磁阀驱动电路204的控制端，以及第一压力变送器17、第二压力变送器18的信号输出端相连，电磁阀驱动电路204的输出端分别与第一电磁阀15、第二电磁阀16的控制端相连，RS232接口电路203的输出端与变频器202的控制端相连，变频器202的输出端与离心泵12的电源端相连。

进一步的，所述外壳箱体1为套装在支架10上的由不锈钢材质制成的双开门式立柜结构，所述控制面板2设于外壳箱体1右开门的上半部，所述进水管3设于外壳箱体1左侧面的下部，所述出水管4设于外壳箱体1右侧面的中部，所述排泄管5设于外壳箱体1右侧面的下部，所述电源线8和电源开关9设于外壳箱体1背面的左下部。

进一步的，所述支架10为由方条形铝合金材质制成的长方体骨架结构，其长、宽、高分别为60cm、45cm、100cm；所述底座6为铝合金材质制成的方形平板，其尺寸与支架10的长、宽相同；所述支架10垂直安装于底座6的上表面，所述万向轮7包括4个相同的万向轮，它们呈矩形安装于底座6的下表面；所述搁板101为材质和尺寸均与底座6相同的方形平板，它固定安装于支架10的4根方条形铝合金立柱上，且平行于底座6所在平面；所述多个管卡102均匀设于支架10的4根方条形铝合金立柱上，所述立式环管11通过管卡102固定于支架10上；所述离心泵12、控制器20安装在底座6上，所述第一缓冲箱13、第二缓冲箱14分别通过其上所设的第一缓冲箱三角支架134、第二缓冲箱三角支架144固定安装于搁板101上。

进一步的，所述第一缓冲箱13为竖直放置的底部设有圆锥度的圆柱体状，由PVC材质一体化成型而制成，其上所设的第一缓冲箱入口131、第一缓冲箱出口132、第一缓冲箱排泄口133均为公称管径规格的外螺纹圆管接口，第一缓冲箱入口131和第一缓冲箱出口132的管径相同，第一缓冲箱排泄口133的管径不大于第一缓冲箱入口131，第一缓冲箱13的圆柱体横截面直径是第一缓冲箱入口131的3倍，圆柱体高度是其横截面直径的2倍，第一缓冲箱入口131和第一缓冲箱出口132分别垂直安装于第一缓冲箱13的侧壁顶部、侧壁的1/3位置处；所述第二缓冲箱14的结构及尺寸与第一缓冲箱13相同。

进一步的，第一缓冲箱13和第二缓冲箱14的结构设计及其设置，主要用于缓冲管路中水压的快速、大幅波动，可在恒压供水过程中，有效避免或降低因水源水压的快速大幅度波动造成恒压供水水压的瞬间大幅波动，以及从一个恒压点调节至另一个恒压点时，尤其是当前恒压点与目标恒压点相差较大时，有效避免或降低恒压供水装置出口水压的快速跌落或上升，从而更易于控制器进行平滑、稳定的恒压供水控制。此外，第一缓冲箱13和第二缓冲箱14通过其圆锥底部所设的排泄口分别与排泄管5相连，使得可以通过控制第一电磁阀15和第二电磁阀16，便于对第一缓冲箱13和第二缓冲箱14进行排泄清洗，以避免杂质和沉淀物在缓冲箱中沉积，而且当需要从当前恒压点调节至一个与之相差较大的低恒压点时，可通过排泄缓冲箱中的水进行快速泄压，从而易于控制器进行更快速的恒压供水控制。

进一步的，所述立式环管11为由PVC管道组成的层叠环绕式结构；其管径为第一缓冲箱13的圆柱体横截面直径的1/3。此立式环管结构可利用有限的空间，获得足够长的压力缓冲管路，并与第一缓冲箱13和第二缓冲箱14的结构设计及其设置相结合，能有效避免或消除管路中水压的快速、大幅波动对恒压供水装置出口水压稳定性的影响。

进一步的，所述出口缓冲管19为一个矩形波状的管道，用于进一步缓冲第二缓冲箱出口142的水压波动对恒压供水装置的出水管4的出口水压的影响，使恒压供水的输出水压更加平滑、稳定。

进一步的，所述第一压力变送器17和第二压力变送器18的工作电压为DC12V、输出信号为4~20 mA的压力变送器。它采用专用V/I集成电路，外围器件少，可靠性高，可将压力的力学信号转变成4~20 mA的电流信号，且压力和电流成线性关系，故而可通过检测电流信号计算出压力大小。第一压力变送器17和第二压力变送器18与单片机201的连接，利用单片机对压力变送器输出信号的检测，其检测可以采用常规技术，在此不做详细描述。

进一步地，所述显示屏21为12864型液晶显示屏，用于显示当前进出口水压、目标恒压值、离心泵12运行状态、装置运行时间等信息；所述控制按钮22包括3个按钮，用于恒压供水装置的启动、停止、参数设置等控制。所述单片机201与显示屏21、控制按钮22的连接，以及对显示与按钮的处理，均为常规技术，在此不做详细描述。

进一步地，所述第一电磁阀15、第二电磁阀16均为规格相同的脉冲电磁阀，其阀门的开/关动作只需正向/反向施加一个宽度约30毫秒、幅度为3~9VDC的脉冲电压即可完成，而且阀门的开/关状态无需电能维持，属于低功耗器件；各个阀门的尺寸应与其接口的管径相适应。

进一步地，所述电磁阀驱动电路204采用由MOS管组成的H 桥电路，H桥电路的桥臂分别与单片机111的I/O口相连，通过单片机111的I/O口操作，控制MOS 管的导通与截止状态，从而实现电磁阀开关动作的控制。H 桥电路组成，H 桥电路与单片机、电磁阀的连接，以及单片机对H 桥电路的控制，可以采用常规技术，例如可见《柑橘园水肥一体化滴灌自动控制装置的研制》一文，在此不进行详述。

进一步地，所述RS232接口电路203由MAX232芯片及外围阻容元件组成。

进一步地，所述12V稳压电路205由12V开关电源、LM7812稳压芯片及外围阻容元件组成。

进一步地，所述3V稳压电路206由LM317稳压芯片及外围阻容元件组成。

进一步地，所述变频器202采用低压通用变频器。变频器202与220VAC电源、离心泵12、RS232接口电路203的连接。

采用所述装置进行一体化可调式恒压供水的控制方法，所述方法的具体步骤如下所示：

1）通过控制面板2设定恒压供水装置的启/停、目标恒压值、运行时间及控制模式状态信息，其中控制模式分为自动清洗和恒压供水；

2）若控制模式为自动清洗时，则启动离心泵12，并打开第一电磁阀15和第二电磁阀16，使之工作1 min后，自动停止离心泵12，并关闭第一电磁阀15和第二电磁阀16；

3）若控制模式为恒压供水时，则以1 s为周期，每个周期启动第一压力变送器17和第二压力变送器18检测1次管道内水压，由于管道中的水流经第一压力变送器17到达第二压力变送器18时，需经过沿程的管路，具有滞后性，因此第二压力变送器18进行水压检测的时间比第一压力变送器17滞后0.5 s；

4）当检测到第一压力变送器17的输出等于0，或者第一压力变送器17的输出不等于0且第二压力变送器18的输出等于0时，则立即重复启动第一压力变送器17和第二压力变送器18连续检测3次，若3次检测结果仍与上述情况相同，则认为恒压供水装置工作异常并立即自动停机；否则，进入正常的恒压供水控制模式；

5）进行恒压供水控制模式前，选取水压作为被控制量，变频器输入电压的大小作为控制量，设计一个模糊控制器；取入口水压与出口水压的差值E1，出口水压与目标恒压值的误差E2，误差变化率EC作为输入变量，变频器输入电压U为输出变量，对输入输出变量进行模糊化，并用此模糊化的变量去适配模糊控制规则，用语言归纳专家的手动控制策略即模糊条件语句，建立模糊控制规则表；实现模糊推理，通过模糊决策获得的控制量即为模糊控制的输出，用模糊判决加权平均判决法对控制量进行反模糊化，确定实际的控制量，最终送给执行器去控制被控对象；由控制规则表中的各个控制规则，为离心泵12建立相应的比例-微分控制算法，并通过试验确定其比例系数和微分系数；

6）进行恒压供水控制模式时，根据每个检测周期的第一压力变送器17、第二压力变送器18输出值以及设置的目标恒压值，实时计算入口水压与出口水压的差值、出口水压与目标恒压值的误差及其误差变化率，以得出当前控制适合哪条控制规则，并启用相应的比例-微分控制算法对离心泵12进行控制；

7）重复执行步骤6），直至恒压供水的误差小于±3%。

进一步的，将入口水压与出口水压的差值划分为<±50%、±(50~100)%、±(101~200)%、±(201~300)%和＞±301%五个等级，将出口水压与目标恒压值的误差划分为<-21%、-(11~20)%、-(4~10)%、(-3~3)%、(4~10)%、(11~20)%和＞21%七个等级，将误差变化率划分为<-0.3、-0.3~-0.21、-0.2~-0.1、-0.09~0.09、0.1~0.2、0.21~0.3和＞0.3七个等级；

对输入输出变量进行模糊化时，差值E1采用模糊语言变量表示为：负大NB，负小NS，零O，正小PS，正大PB；误差E2、误差变化率EC、电压U都采用模糊语言变量表示为：负大NB，负中NM，负小NS，零O，正小PS，正中PM，正大PB。

本发明的工作过程是：

本装置通过压力变送器将电气控制部分和水泵电机联系起来，形成压力反馈闭环控制系统。通过控制按钮22输入参数，并在显示屏21上显示出来。设置完参数后，闭环控制通过第一压力变送器17和第二压力变送器18检测出水网管道中的水压为0~5 V或4~20 m A的模拟信号，送到单片机201的A/D转换输入端，再经A/D转换变成相应的数字信号，单片机201中预设定的压力值和上一次压力值进行比较，得出偏差值，再经模糊控制得出控制量，经D/A转换变成0~5 V或0~10 V的模拟信号。这时单片机会执行RS232 串口通信中断程序，将所得的控制信号，以符合变频器RS232 通信协议的帧格式发送出去，变频器202收到后，通过V/F变换即可通过变频器调节水泵电机，以控制其输出频率的大小，以此改变水泵的电机转速，从而达到控制管道输出压力，实现对变频器调速系统的控制，形成一个闭环调速系统。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种一体化可调式恒压供水装置，其特征在于：包括控制面板(2)、进水管(3)、出水管(4)、排泄管(5)、支架(10)、立式环管(11)、离心泵(12)、第一缓冲箱(13)、第二缓冲箱(14)、第一电磁阀(15)、第二电磁阀(16)、第一压力变送器(17)、第二压力变送器(18)、出口缓冲管(19)、控制器(20)、Y型连接管(30)；所述控制面板(2)设有显示屏(21)、控制按钮(22)；所述支架(10)上设有搁板(101)和多个管卡(102)；所述第一缓冲箱(13)设有第一缓冲箱入口(131)、第一缓冲箱出口(132)、第一缓冲箱排泄口(133)、第一缓冲箱三角支架(134)；所述第二缓冲箱(14)设有第二缓冲箱入口(141)、第二缓冲箱出口(142)、第二缓冲箱排泄口(143)、第二缓冲箱三角支架(144)；所述控制器(20)包括单片机(201)、变频器(202)、RS232接口电路(203)、电磁阀驱动电路(204)、12V稳压电路(205)、3V稳压电路(206)；

所述进水管(3)的一端与水源相连，另一端与离心泵(12)的入口相连，离心泵(12)的出口通过管道与第一缓冲箱入口(131)相连，第一压力变送器(17)串联于离心泵(12)出口与第一缓冲箱入口(131)之间的管道的直管段上，第一缓冲箱出口(132)与立式环管(11)的入口相连，立式环管(11)的出口与第二缓冲箱入口(141)相连，第二缓冲箱出口(142)与出口缓冲管(19)的入口相连，出口缓冲管(19)的出口与出水管(4)的一端相连，第二压力变送器(18)串联于出口缓冲管(19)的出口与出水管(4)之间的管道的直管段上，出水管(4)的另一端与灌溉施肥设备的入水口相连，用于为灌溉施肥设备提供恒压供水；所述第一缓冲箱排泄口(133)与第一电磁阀(15)的入口相连，所述第二缓冲箱排泄口(143)与第二电磁阀(16)的入口相连，第一电磁阀(15)的出口和第二电磁阀(16)的出口分别与Y型连接管(30)的两个入口相连，Y型连接管(30)的出口与排泄管(5)相连；

电源线(8)的输入端与220VAC市电相连，电源线(8)的输出端与电源开关(9)的输入端相连，电源开关(9)的输出端分别与变频器(202)的电源端、12V稳压电路(205)的输入端相连，12V稳压电路(205)的输出端分别与第一电磁阀(15)、第二电磁阀(16)、第一压力变送器(17)、第二压力变送器(18)的电源端，以及相连3V稳压电路(206)的输入端相连，3V稳压电路(206)的输出端分别与控制面板(2)、单片机(201)、RS232接口电路(203)、电磁阀驱动电路(204)的电源端相连，单片机(201)通过其I/O端口分别与控制面板(2)、RS232接口电路(203)、电磁阀驱动电路(204)的控制端，以及第一压力变送器(17)、第二压力变送器(18)的信号输出端相连，电磁阀驱动电路(204)的输出端分别与第一电磁阀(15)、第二电磁阀(16)的控制端相连，RS232接口电路(203)的输出端与变频器(202)的控制端相连，变频器(202)的输出端与离心泵(12)的电源端相连；

外壳箱体(1)为套装在支架(10)上的由不锈钢材质制成的双开门式立柜结构，所述控制面板(2)设于外壳箱体(1)右开门的上半部，所述进水管(3)设于外壳箱体(1)左侧面的下部，所述出水管(4)设于外壳箱体(1)右侧面的中部，所述排泄管(5)设于外壳箱体(1)右侧面的下部，所述电源线(8)和电源开关(9)设于外壳箱体(1)背面的左下部；

所述支架(10)为由方条形铝合金材质制成的长方体骨架结构，其长、宽、高分别为60cm、45cm、100cm；底座(6)为铝合金材质制成的方形平板，其尺寸与支架(10)的长、宽相同；所述支架(10)垂直安装于底座(6)的上表面，万向轮(7)包括4个相同的万向轮，它们呈矩形安装于底座(6)的下表面；所述搁板(101)为材质和尺寸均与底座(6)相同的方形平板，它固定安装于支架(10)的4根方条形铝合金立柱上，且平行于底座(6)所在平面；所述多个管卡(102)均匀设于支架(10)的4根方条形铝合金立柱上，所述立式环管(11)通过管卡(102)固定于支架(10)上；所述离心泵(12)、控制器(20)安装在底座(6)上，所述第一缓冲箱(13)、第二缓冲箱(14)分别通过其上所设的第一缓冲箱三角支架(134)、第二缓冲箱三角支架(144)固定安装于搁板(101)上。

2.根据权利要求1所述的一体化可调式恒压供水装置，其特征在于：所述第一缓冲箱(13)为竖直放置的底部设有圆锥度的圆柱体状，由PVC材质一体化成型而制成，其上所设的第一缓冲箱入口(131)、第一缓冲箱出口(132)、第一缓冲箱排泄口(133)均为公称管径规格的外螺纹圆管接口，第一缓冲箱入口(131)和第一缓冲箱出口(132)的管径相同，第一缓冲箱排泄口(133)的管径不大于第一缓冲箱入口(131)，第一缓冲箱(13)的圆柱体横截面直径是第一缓冲箱入口(131)的3倍，圆柱体高度是其横截面直径的2倍，第一缓冲箱入口(131)和第一缓冲箱出口(132)分别垂直安装于第一缓冲箱(13)的侧壁顶部、侧壁的1/3位置处；所述第二缓冲箱(14)的结构及尺寸与第一缓冲箱(13)相同。

3.根据权利要求1所述的一体化可调式恒压供水装置，其特征在于：所述立式环管(11)为由PVC管道组成的层叠环绕式结构。

4.根据权利要求1所述的一体化可调式恒压供水装置，其特征在于：所述出口缓冲管(19)为一个矩形波状的管道，用于进一步缓冲第二缓冲箱出口(142)的水压波动对恒压供水装置的出水管(4)的出口水压的影响，使恒压供水的输出水压更加平滑、稳定。

5.根据权利要求1所述的一体化可调式恒压供水装置，其特征在于：所述第一压力变送器(17)和第二压力变送器(18)的工作电压为DC12V、输出信号为4～20mA的压力变送器。

6.采用权利要求1-5任一项所述装置进行一体化可调式恒压供水的控制方法，其特征在于：所述方法选取水压作为被控制量，变频器输入电压的大小作为控制量，设计一个模糊控制器；取入口水压与出口水压的差值E1，出口水压与目标恒压值的误差E2，误差变化率EC作为输入变量，变频器输入电压U为输出变量，对输入输出变量进行模糊化，并用此模糊化的变量去适配模糊控制规则，建立模糊控制规则表；实现模糊推理，通过模糊决策获得的控制量即为模糊控制的输出，用模糊判决加权平均判决法对控制量进行反模糊化，确定实际的控制量，最终送给执行器去控制被控对象；由控制规则表中的各个控制规则，为离心泵建立相应的比例-微分控制算法，并通过试验确定其比例系数和微分系数；实时计算入口水压与出口水压的差值、出口水压与目标恒压值的误差及其误差变化率，以得出当前控制适合哪条控制规则，并启用相应的比例-微分控制算法对离心泵进行控制。

7.根据权利要求6所述的一体化可调式恒压供水的控制方法，其特征在于：

所述方法的具体步骤如下所示：

1)通过控制面板(2)设定恒压供水装置的启/停、目标恒压值、运行时间及控制模式状态信息，其中控制模式分为自动清洗和恒压供水；

2)若控制模式为自动清洗时，则启动离心泵(12)，并打开第一电磁阀(15)和第二电磁阀(16)，使之工作1min后，自动停止离心泵(12)，并关闭第一电磁阀(15)和第二电磁阀(16)；

3)若控制模式为恒压供水时，则以1s为周期，每个周期启动第一压力变送器(17)和第二压力变送器(18)检测1次管道内水压，由于管道中的水流经第一压力变送器(17)到达第二压力变送器(18)时，需经过沿程的管路，具有滞后性，因此第二压力变送器(18)进行水压检测的时间比第一压力变送器(17)滞后0.5s；

4)当检测到第一压力变送器(17)的输出等于0，或者第一压力变送器(17)的输出不等于0且第二压力变送器(18)的输出等于0时，则立即重复启动第一压力变送器(17)和第二压力变送器(18)连续检测3次，若3次检测结果仍与上述情况相同，则认为恒压供水装置工作异常并立即自动停机；否则，进入正常的恒压供水控制模式；

5)进行恒压供水控制模式前，选取水压作为被控制量，变频器输入电压的大小作为控制量，设计一个模糊控制器；取入口水压与出口水压的差值E1，出口水压与目标恒压值的误差E2，误差变化率EC作为输入变量，变频器输入电压U为输出变量，对输入输出变量进行模糊化，并用此模糊化的变量去适配模糊控制规则，用语言归纳专家的手动控制策略即模糊条件语句，建立模糊控制规则表；实现模糊推理，通过模糊决策获得的控制量即为模糊控制的输出，用模糊判决加权平均判决法对控制量进行反模糊化，确定实际的控制量，最终送给执行器去控制被控对象；由控制规则表中的各个控制规则，为离心泵(12)建立相应的比例-微分控制算法，并通过试验确定其比例系数和微分系数；

6)进行恒压供水控制模式时，根据每个检测周期的第一压力变送器(17)、第二压力变送器(18)输出值以及设置的目标恒压值，实时计算入口水压与出口水压的差值、出口水压与目标恒压值的误差及其误差变化率，以得出当前控制适合哪条控制规则，并启用相应的比例-微分控制算法对离心泵(12)进行控制；

7)重复执行步骤6)，直至恒压供水的误差小于±3％。

8.根据权利要求7所述一体化可调式恒压供水的控制方法，其特征在于：

将入口水压与出口水压的差值划分为<±50％、±(50～100)％、±(101～200)％、±(201～300)％和＞±301％五个等级，将出口水压与目标恒压值的误差划分为<-21％、-(11～20)％、-(4～10)％、(-3～3)％、(4～10)％、(11～20)％和＞21％七个等级，将误差变化率划分为<-0.3、-0.3～-0.21、-0.2～-0.1、-0.09～0.09、0.1～0.2、0.21～0.3和＞0.3七个等级；

对输入输出变量进行模糊化时，差值E1采用模糊语言变量表示为：负大NB，负小NS，零O，正小PS，正大PB；误差E2、误差变化率EC、电压U都采用模糊语言变量表示为：负大NB，负中NM，负小NS，零O，正小PS，正中PM，正大PB。

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