智能恒压供水系统设计(编辑修改稿)

智能恒压供水系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

线  Q也画在同一坐标系中，在图 22 中可以找出 A 点的扬程 HA、流量 QA以及效率 A。 图 22 水泵工作点的确定 图 23水泵工况点的变化 从图 22中可以看出，水泵在工作点 A点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件 的，平衡也是相对的。 一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。 另外确定工作点一定要保证水工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问题。 在变频调速恒压供水过程中，水泵工况点的变化如图 23所示 当 P P2 高于 P0时，说明管网系统用水量减少，管路阻力特性曲线 AA2向 A0 方向变化，此时水泵转速逐渐降低，管网口压力也由 P P1 逐渐下降，当 P 低于 P0时，其工况点变化与上述相反即由 A1逐渐向 A0移动，使管网系统供水始终保持恒定。 图 24 水泵变速恒压工况 图 25 变频调速恒压供水水泵工况调节图 根据 24图水泵变速恒压工况分析：当管网用水由 Q Q1„ .向 Q0移动时，通过改变水泵转速使 P0 保持恒定。 二、变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程 交流电动机的转速 n 与电源频率 f 具有如下关系：   psfN  160 （ 22） 式 2— 2中： p— 极对数 ,s— 转差率 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 7 因此不改变电动机的极 对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。 在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转速 n。 改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。 当管网负载减小时，通过 VVVF 降低交流电的频率，电动机的转速从 n1降低到 n2。 另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速 n,可使供水泵流量 Q、扬程 H 和轴功率 N以相应规律改变。 2121 nn  （ 23）  22121 nnHH  （ 24）  22121 nnPP  （ 25） 或 2KQH （ 26） 式 26是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。 在变频调速恒压水位供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率 f来改变电机的转速 n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。 其工况调节过程可由图 25来说明。 由图 25可见，设定管网压力值（扬程）为 0H ，管网初始用水量为 AQ ，初始工况点为 A，水泵电机的转速为 1n ，工作点 A的轴功率即为 AQAH 0 四点所围的面积。 当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成 420 A 电流信号送往模糊调节器，经比较处理后，输出一个令变频器频率降低的信号，从而降低电机转速至 2n ,水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点 A 移至 B点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小。 恒压供水系统中压力值 恒定在 0H ,因此水泵工作点又沿着转速 2n 所对应的水泵性能曲线从点 B移至 C 点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点 C点，在图 3中可以找出 C点的扬程 CH 、流量 CQ 以及效率 C ，工作点 C的轴功率即为 CC QH  四点所围的面积。 考察水泵的效率曲线 Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。 三、变频调速恒压供水系统调速范围的确定 考察水泵的效率曲线  Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。 水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时 扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在 40Hz 以上，也就是说转速下降在 20%以内，在此范围内，电动机的负载率在 50%100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。 系统的方案设计 变频调速恒压供水系统构成如下图所示，由模糊控制器、变频器、水泵电机、压力传感器、起动器等构成。 系统采用一台变频器拖动 2台电动机的起动、运行与调速，采用循环使用的方式运行。 单片机未 接工控计算机，压力传感器采样水压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给模糊控制器 , 模糊控制浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 8 器根据这两个 信号经模糊运算，发出指令，对水泵电机进行工频和变频之间的切换。 如图 26所示 : 图 26变频调速恒压供水控制系统示意图 系统工作过程 根据小区用水的实际情况，只需开动一台泵供小区居民日常用水，另一台相同水泵配合循环使用以及预防其中一台水泵发生故障时仍然正常为小区提供良好的供水。 用水高峰时段水泵以工频状态运行；用水低谷时段水泵停止运行，以侍网供水；用水普通时段水泵以变频状态运行。 分析自动控制系统电机工作过程 ,可分为以下三个工作状态： 1) 电机变频起动； 2)电机工频运行； 3) 电机不运行。 一 般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态之中，当源水的水压发生变化时，管网压力也就随之变化，三种工作状态就要发生相应转换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。 Ⅰ 系统开始工作时，压力低于设定压力下限 1P ，按下相应的按钮，在模糊控制器控制下，电机先接至变频器输出端，接着接通变频器 FWD 端，变频器对拖动泵的电动机采用软起动，在频率未达到工频频率（即 ZHf 50 ）的情况下 水泵电机在变频器作用下，变频器输出频率下降，电机 转速下 降，水泵输出流量减少；变频器输出频率上升，电机转速上升，水泵输出流量增加。 水泵在变频器的拖动下变频运行。 Ⅱ 由电机变频运行。 用水高峰时段，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增至工频 0f （即 50HZ），模糊控制器发出指令，接通变频器 BX 端，变频器 FWD端断开，电机自变频器输出端断开，电机切换至工频运行。 电机工频运行后 ,开启泵阀门，泵工作在工频状态。 从而实现水泵由变频切换至工频电网运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到压力达到设定值为止。 Ⅲ 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 9 由电机工频状态。 当变频器输出频率下降到指定值 minf ，电机转速下降到指定值；水管水压高于设定水压上限 kP 时 ,在模糊控制器控制下电机停止运行。 系统开始工作时，压力低于设定压力下限 1P ，模糊控制器控制下，电机先接至变频器输出端，接着接通变频器 FWD端，变频器对拖动泵的电动机采用软起动，在频率不大于工频频率（即 ZHf 500  ）的情况下 水泵电机 在变频 器的拖动下变频运行。 控制系统又回到初始工作状态Ⅰ，开始新一轮循环。 在程序设计中，必须认真考虑这三个切换过程，才能保证系统在一个工作周期内实现正常切换与运行。 电机工作过程流程图如下 ： 图 27电机工作过程流程图 两台电机为循环使用，因此运行过程相同。 浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 10 第三章 PID 控制与模糊控制原理 PID 控制 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便 而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 (1)比例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号 成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steadystate error）。 (2)积分（ I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（ System with Steadystate Error）。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输 出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例 +积分 (PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 (3)微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入“比例项”往往 是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 模糊控制 [6] 模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制。 从线性与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制。 从浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 11 控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且 它已成为目前实现智能拉制的一种重要而有效的形式，尤其是模糊控制和神经网络，遗传算法及混沌理论等新学科的相融合，正在显示其巨大的应用潜力 .本章分部介绍了模糊控制原理，模糊控制核心部件 — 模糊 控 制器及其设计。 模糊控制的基本思想 在自动控制技术产生以前，人们在生产过程中只能采用手动控制方式。 手动控制过程首先是观测被控对象的输出，其次是根据观测结果做出决策判断，然后手动调整输入。 操作工人就是这样不断地观测 — 决策 — 调整，从而实现对生产过程的手动控制，这三个步骤分别由人的眼 — 脑 — 手来完成。 后来，由于科学和技术的进步，人们采用各种测量装置代替人的眼睛，完成对被控量的观测任务。 利用各种控制器部分地取代人脑的作用实现比较，综合被控制量与给定量之间的偏差，控制器所给出的输出信号相当于手动过程中的人脑的决策。 使用各种执行机构对被控对象施加某种控制作用，这就起到了手动控制中手的调整作用，这就是人们所熟悉的常规负反馈控制系统。 经过人们长期研究和实践形成的经典控制理论对于解决线性定常系统的拉制问题是很有效的，然而经典控制论对于非线性时变系统难以奏效。 随着计算机的发展和应用，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展，基于状态变量描 述的现代控制理论对于解决线性或非线性，定常或时变的多输入多输出系统问题，获得了广泛的应用，例如在阿波罗的姿态控制宇宙飞船和导弹的精密制导以及在工业生产过程控制等方面得到了成功的应用。 但是无论采用经典控制论还是现代控制论设计一个控制系统，都需要事先知道被拉对象 (或生产过程 )精确的数学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进行控制系统设计，然而在许多情况下被控对象的精密的数学模型很难建立，过程变量多，且各种参数存在不同程序的时变性，这种过程数学模型难以建立，甚至根本办不到。 在这样的事实面 前，人们又重新研究和考虑人的控制行为的特点，能否对无法构造数学模型的对象让计算机模拟人的思维方式，进行控制决策。 在这种情况下，人们总结了自身的控制行为，正是遵循反馈及负反馈控制的思想，人的手动控制决策可以用语言加以描述，总结成一系列条件语句 —— 控制规则。 利用微机程序实现这些控制规则，微机就起到了控制器的作用，于是利用微机取代人可以对被控对象进行自动控制。 这样，模糊控制。