电气工程自动化论文---恒压变频供水系统的研究

电气工程自动化论文---恒压变频供水系统的研究内容摘要：

压力差，这个差值经过计算和转换，计算出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。 该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。 如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，谁泵机组的转速减小 ，实际供水压力因此而减小。 同样最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等 [10]。 由于恒压变频调速供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、之后的、模型不稳定的对象，我们难以得出它的精确的数学模型，只能进行近似等效 [11]。 水泵由初始状态向管网进行恒压供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运行，至管网压力达到稳定要求时经历两个过程： 水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力，这是一个纯滞后的过程； 水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加知道稳定，这是一个大时间常数的惯性过程。 系统中其他控制和 监测环节，例如变频环节、继电控制转换、压力检测等的时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比，可忽略不计，均可等效为比例环节。 因此，恒压供水系统的数学模型可以近似成一个纯滞后的一阶惯性环节，即可以写成： 台州学院毕业设计（论文） 9 seTsKsG τ 1)( （ 311） 式中： K为系统的总增益， T为系统的惯性时间常数，τ为系统滞后时间。 ． 恒压变频供水系统的方案设计 ． 恒压变频供水控制系统控制方 案的设计 从上一节恒压变频供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。 由于该毕业设计的被控对象是用单片机系统模拟的，因此压力传感器、压力变送不在本设计的范围内。 系统的主要设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能多运行数据进行传输。 因此选用通用 PLC、通用变频器、单片机系统的控制方式，这种控制方式灵活方便，通用性强。 在硬件上只需确定 PLC的硬件配置和 I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便的通过 PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。 同时由于 PLC的抗干扰绕能力强、可靠性高，因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合。 在单片机系统上，用户用水量的变换可以选用滑动变阻器模拟，因此只需采集水泵机组的转速，通过公式（ 310）既能换算成当前转速下的压力情况，同时将数字量压力值转换成模拟量送入 PLC，就能与设定值求偏差。 ． 恒压变频供水系统的构成 本文设计的供水系统由 3台水泵机组构成，其原理框图如图 33所示。 台州学院毕业设计（论文） 10 图 33 恒 压变频供述系统组成原理框图 ． 恒压变频供水系统中加减泵的条件分析 当变频器的输出频率己经到达上限频率，而实际的供水压力仍然低于设定压力时，存在的实际供水压力差已经不能够使输出频率增大，实际供水压力也不会提高。 当变频器的输出频率已经下降到下限频率，实际的供水压力却仍高于设定的供水压力时，存在的压力差不会使输出频率继续降低，实际的供水压力也不会降低。 所以，选择这两个时刻作为水泵机组切换的时机是合理的 .但要做以下考虑 [12]。 首先把上面的判别条件简写如下： (1) UPff  fs PP (312) (2) LOWff  fs PP (313) 式中： UPf ：上限频率 LOWf ：下限频率 sP ：设定值 fP ：实际值 对于第一个判别条件，可能出现这种情况 :输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动。 在这种情况下，如果按照上面的判别条件，只要条件一满足就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水压力一下就超过了设定压力。 并且使新投入运行的机组几乎在变频器输出频率的下限运行，对供水作用很小。 在极端的情况下，运行机组增加后，实际供水压力超过设定供水压力，而新增加的机组在变频器的下限频率 运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。 假设这一段时间内用户的用水状况保持不变 (其实在一个稳台州学院毕业设计（论文） 11 定的供水时段可以看作这种情况 )，那么按照要求停掉了一个工频状态下运行的机组之后，机组的整体运行情况与增加运行机组之前完全相同。 可以预见，如果用水状况不变，供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这样投入 ~切出 ~再投入 ~再切出地循环下去。 这增加了机组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态之中。 同时，在切换过程和变频器从启动到稳定的过程中，系统的供水情况是不稳定的，实际供水压力也会在很 大的压力范围内震荡。 这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力，也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命。 对于第二个判别条件，通过相同的讨论方法也能够得到类似的结论。 所以，在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。 相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。 在恒压供水中，机组的切换为机组增加与机组减少两种情况，这两种情况由于变频器输出频率与供水压力的不同逻辑关系相对应。 考虑到只有当变频器的输出频率在上下限频率时才 可能发生切换，并且上限频率时不可能减泵，下限频率时不可能增泵，所以，可以采用回滞环思想进行判别如图 34表示： 图 34 用于压力判断的回滞环 即 :如果变频器的输出为上限频率，则只有当实际的供水压力低于比设定压力小2dP 的时候才允许进行机组增加。 如果变频器的输出为下限频率，则只有当实际的供水压力高于比设定压力大 2dP 的时候才允许进行机组的增加。 经过上面的讨论，将实际的机组切换的实际条件定为： 增泵条件： UPff  2dsf PPP  并且延时判别成立 减泵条件： LOWff  2dsf PPP  并且延时判别成立 台州学院毕业设计（论文） 12 4． 恒压变频供水的 PID 控制 变频恒压供水系统的核心是恒压控制，它是根据水压给定值与供水管道中实际压力值的压差大小，控制变频器输出频率，使变频器实时调节水泵电机的转速以适应管路中压力的变化。 PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。 它的原理如图 41所示。 图 41 PID 控制器原理图 通过控制对象的传感器等检测控制量 (反馈量 )，将其与目标值 (温度、流量、压力等设定值 )进行比较。 若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。 也就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。 它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。 在恒压供水中常见的 PID控制器的控制形式主要有两种： 硬件型，即通用 PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和 P， I， D参数及目标值的设定。 软件型，使用离散形式的 PID控制算法在可编程序控制器 (或 单片机 )上做 PID控制器。 ． PID 控制算法的一般形式 PID控制器根据目标值（设定值） r(t)与反馈值（测量值） c (t)构成的控制偏差： e(t)=r(t)c(t) (41) 将偏差的比例 (P)、积分 (I)和微分 (D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。 其控制规律为 [13]： 台州学院毕业设计（论文） 13   t diP tdtdeTteTteKtu0 )()()(1)()( (42) 或   t di tdtdeTteTtetu0 )()()(1)(1)(  (43) 式中 PK ： 调节器的比例系数 iT ： 调节器的积分时间 dT ： 调节器的微分时间 e：调节器的偏差信号  ： 比例带，它是惯用增益的倒数 u：输出 简单来 说， PID控制器各校正环节的作用是这样的： 比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号 e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数 iT , iT 越大，积分作用越弱，反之则越强。 微分环节：能反应偏差信号的变化趋势 (变化速率 )，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调 节时间。 PID调节器的传递函数是： ))(11(1)( sTTsGc di   (44) 当上述控制算法公式只包含第一项时，称为比例 (P)作用，只包含第二项时，称为积分 (I)作用；但只包含第三项的单纯微分 (D)作用是不采用的，因为它不能起到使被控变量接近设定值的效果，只包含第一、二项的是 PI作用；只包含第一、三项的是PD作用；同时包含这三项的是 PID作用。 仅用 P动作控制，不能完全消除偏差。 为了消除残留偏差，一般 采用增加 I动作的P+I控制。 用 PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。 但是，台州学院毕业设计（论文） 14 I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。 对有积分元件的负载系统可以单独使用 P动作控制。 对于 PD控制，发生偏差时，很快产生比单独 D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。 偏差小时， P动作的作用减小。 控制对象含有积分元件的负载场合，仅 P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。 在该场合，为使 P动作的振荡衰减和系统稳定，可用 PD控制。 换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。 利用 I动作消除偏差作 用和用 D动作抑制振荡作用，在结合 P动作就构成了 PID控制，本系统就是采用了这种方式。 采用 PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。 这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统 (即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合 PID调节，效果比较好。 ． 离散 PID 控制算法 在用计算机、单片机、 PLC等作为控制装置进行直接数字控制 (DDC)时，对各个被控制变量的处理在时间上是离散进行的。 DDC控制方式的特点是采样控制，每个被控制 变量的测量值隔一定时间与设定值比较一次，按照预定的控制算法得到输出值，通常把它保留到下一采样时刻 [14]。 目前离散 PID控制算法主要有两类，第一类叫做位置式算法，即对 42式进行差分后直接给出 u(k)，第二类叫做增量算法，给出： )1()()(  kukuku (45) 位置算法如下：     )1()()()()( 0 kekeTTjeTTkeKtu dkjiP (46) 上式可 改写为：  )1()()()()( 0   kekeKjeKkeKku dkjiP (47) 增量算法如下：    )2()1(2)()()1()()1()()(  kekekeKkeKkekeKkukuku diP 台州学院毕业设计（论文） 15 (48) 上面的各式中： T： 采样周期 e（ k）：第 k次采样时的误差值； e（ k1）：第 k1次采样时的误差值； PK ： 比例系数； iPi TTKK / ：积分系数； TTKK dPd / ：微分系数； 为方便编程，将 (( 48 )整理为： )2()1()()( 210  keqkeqkeqku （ 49） 其中：TTTTKq diP  1(0。