【正文】 ( ?? XXsRRsRUmP m??????? (35) 在變頻調(diào)速時(shí)，由于系統(tǒng) m? 不變，從電機(jī)公式 臺(tái)州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 mwNkfEfU ? ?? (36) 可以看出，要 使主磁通 m? 保持不變，則 11 fU 必須保持不變。 gvv 22122 ? 水泵出水口與進(jìn)水口的動(dòng)能增量轉(zhuǎn)化的揚(yáng)程。在給水排水工程中，從使用水泵的角度來(lái)看，水泵的工作必然要和管路系統(tǒng)以及許多外界條件聯(lián)系在 一起。 臺(tái)州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 3． 恒壓供水系統(tǒng)的理論分析及方案設(shè)計(jì) ． 供水壓力和變頻器輸出頻率的關(guān)系 在恒壓變頻供水系統(tǒng)中，供水壓力是通過(guò)對(duì)變頻器輸出頻率的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)水泵輸出功率用圖形表示為（ O，2Q ， D， 0H ）圍成的矩形面積，其值為： ??102 20QHPF ? （ 25） 可見(jiàn)，改變調(diào)速控制，節(jié)能量為（ 0H ， D， F， 1H ）圍成的矩形面積，其值為： ?????? 102 )(102102 2020021 QHHQHQHPPP DF ??????? （ 26） 所以，當(dāng)用閥門(mén)控制流量 時(shí)，有 P? 功率被浪費(fèi)掉。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變誰(shuí)路中的阻力大小來(lái)改變流量，因此，管阻將隨閥門(mén)開(kāi)度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。 變頻調(diào)速時(shí)，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因 此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。因此，管阻特性過(guò)反映的是揚(yáng)程 H與供水流量 GQ 之間的關(guān)系 )( GQfH? 。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門(mén)在某一開(kāi)度下，揚(yáng)程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系 )( UQfH? 。在大力提倡節(jié)約能源的今天，研究這種高性能、經(jīng)濟(jì)型的恒壓供水控制系 統(tǒng)，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低能耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義 [2]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備。本文采用變頻器和 PLC 實(shí)現(xiàn)恒壓供水，采用 AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)模擬 供水網(wǎng)絡(luò)。臺(tái)州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 電氣工程自動(dòng)化論文 題 目 恒壓變頻供水系統(tǒng)的研究 學(xué) 院 物理與電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 臺(tái)州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 摘要 隨著電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)的不斷完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速方法在恒壓供水控制系統(tǒng)得以應(yīng)用，這不僅大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，而且也有效地減少了能源浪費(fèi)。采用 PID 控制算法對(duì)系統(tǒng)中的恒壓控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。該控 制系統(tǒng)起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門(mén)等的使用壽命；可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。 2． 恒壓變頻供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ． 供水系統(tǒng)的基本特性 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門(mén)開(kāi)度不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線 f(Q)，如圖 21所示。管阻特性反應(yīng)了水泵的能量用來(lái)克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中的流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為臺(tái)州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)， 如圖 21中 A 點(diǎn)，用戶的用水流量 UQ 和供水系統(tǒng)的供水流量 GQ處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了來(lái)?yè)P(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行 [3]。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電 機(jī)的調(diào)速 [4]。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門(mén)開(kāi)度在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，必然要照成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)地調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速 [5]。并且隨著閥門(mén)的不斷關(guān)小，閥門(mén)的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是 1H 增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。確定供水壓力和輸出頻率的關(guān)系是設(shè)計(jì)控制環(huán)節(jié)控制策略的基礎(chǔ)，是確定控制算法的依據(jù)。在給水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系統(tǒng)稱為“裝置”，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中真正對(duì)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)有價(jià)值的也是這種稱為系統(tǒng)的裝置，而不是單單的孤立水泵。 由于水泵在送水過(guò)程中，清水池水位一般高于水泵的測(cè)量點(diǎn)，所以不存在進(jìn)水口抽真空，所以在進(jìn)水口的真空值為 ，位置差為 0。因此在變頻調(diào)速過(guò)程中，電壓應(yīng)該與頻率成正比例變化，設(shè) 11 fkU w? (37) 代入式 (35)得： 22122121221)()( ?? XXsRRfsRkmPwm??????? (38) 根據(jù)能量守恒定律，有 mPN ??? (39) 其中， ?? 為電機(jī)的效率。 ． 恒壓控制的理論分析 對(duì)本文中提到的恒壓變頻供水的主要特點(diǎn)進(jìn)行分析，我們可以得出如下結(jié)論：恒壓變頻供水系統(tǒng)控制對(duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對(duì)象。 圖 32 恒 壓變頻控制的原理圖 從恒壓控制的原理圖（圖 32）中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過(guò)計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。 由于恒壓變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性的、之后的、模型不穩(wěn)定的對(duì)象，我們難以得出它的精確的數(shù)學(xué)模型，只能進(jìn)行近似等效 [11]。 ． 恒壓變頻供水系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) ． 恒壓變頻供水控制系統(tǒng)控制方 案的設(shè)計(jì) 從上一節(jié)恒壓變頻供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。在硬件上只需確定 PLC的硬件配置和 I/O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便的通過(guò) PC機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。 臺(tái)州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 33 恒 壓變頻供述系統(tǒng)組成原理框圖 ． 恒壓變頻供水系統(tǒng)中加減泵的條件分析 當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達(dá)上限頻率，而實(shí)際的供水壓力仍然低于設(shè)定壓力時(shí)，存在的實(shí)際供水壓力差已經(jīng)不能夠使輸出頻率增大，實(shí)際供水壓力也不會(huì)提高。在這種情況下，如果按照上面的判別條件，只要條件一滿足就進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下就超過(guò)了設(shè)定壓力?？梢灶A(yù)見(jiàn)，如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動(dòng)投切的機(jī)組將一直這樣投入 ~切出 ~再投入 ~再切出地循環(huán)下去。 對(duì)于第二個(gè)判別條件，通過(guò)相同的討論方法也能夠得到類似的結(jié)論。考慮到只有當(dāng)變頻器的輸出頻率在上下限頻率時(shí)才 可能發(fā)生切換，并且上限頻率時(shí)不可能減泵，下限頻率時(shí)不可能增泵，所以，可以采用回滯環(huán)思想進(jìn)行判別如圖 34表示： 圖 34 用于壓力判斷的回滯環(huán) 即 :如果變頻器的輸出為上限頻率，則只有當(dāng)實(shí)際的供水壓力低于比設(shè)定壓力小2dP? 的時(shí)候才允許進(jìn)行機(jī)組增加 。它的原理如圖 41所示。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過(guò)程量的控制。其控制規(guī)律為 [13]： 臺(tái)州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 ?????? ??? ?t diP tdtdeTteTteKtu0 )()()(1)()( (42) 或 ?????? ??? ?t di tdtdeTteTtetu0 )()()(1)(1)( ? (43) 式中 PK ： 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) iT ： 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 dT ： 調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間 e：調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào) ? ： 比例帶，它是慣用增益的倒數(shù) u：輸出 簡(jiǎn)單來(lái) 說(shuō)， PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用是這樣的： 比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小誤差。 僅用 P動(dòng)作控制，不能完全消除偏差。對(duì)有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用 P動(dòng)作控制。在該場(chǎng)合，為使 P動(dòng)作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用 PD控制。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng) (即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過(guò)程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合 PID調(diào)節(jié)，效果比較好。當(dāng)執(zhí)行條件為 OFF時(shí)， PID()不執(zhí)行。 下表顯示了參數(shù)字的功能： 表 參數(shù)設(shè)定范圍 臺(tái)州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 5．變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì) ． 系統(tǒng)的硬件組成 根據(jù)前文中恒壓變頻供水系統(tǒng)組成原理框圖，我們得到該系統(tǒng)的電氣控制框圖如圖 33所示。 臺(tái)州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 52 變頻 器的操作面板 變頻器的參數(shù)設(shè)定： n001=4：可設(shè)定的參數(shù)范圍 n001～ n179 n002=0: V/f 控制模式 n003=1：控制端子有效 n004=1：頻率指令有效 n006=0：可反轉(zhuǎn) LO/RE ：選擇“遠(yuǎn)程 RE” n128=0： PID 調(diào)節(jié)無(wú)效 n011=50Hz ：最高輸出頻率 n012=200V ：最大電壓 n013=50Hz ：最大電壓輸出頻率 n014=25HZ ：中間輸出頻率 n015=50V ：中間輸出頻率電壓 n016= ：最低輸出頻率 n017=10V ： 最低輸出頻率電壓 ． 被控對(duì)象的硬件設(shè)計(jì) 由于本次設(shè)計(jì)的恒壓變頻供水系統(tǒng)的被控對(duì)象采用單片機(jī)系統(tǒng)的模擬。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片選用 ADC0809。 臺(tái)州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 54 A/D轉(zhuǎn)換電路 圖 55 時(shí)鐘電路 ． D/A 轉(zhuǎn)換電路 該電路是負(fù)責(zé)將計(jì)算得到壓力數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。轉(zhuǎn)換器采用直通方式，外接 OP07 將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。 HD7279 是一種管理鍵盤(pán)和 LED顯示器的專用智能控制芯片。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集、顯示、模擬量輸出都要依靠軟硬件的配合才能實(shí)現(xiàn)。本文中 K=,T=144, ? =2s。 00/T? 越大，系統(tǒng)越不穩(wěn)定，因此Kc 應(yīng)該小一些。 （ 2）依據(jù)驗(yàn)前知識(shí)（如對(duì) τ的了解），把 iT 和 dT 置于合適的數(shù)值，然后主要對(duì) CK值進(jìn)行湊試，得出最合宜的數(shù)值。一般取 ?2?iT 或 pi TT )1~(? （ PT 是振蕩周期）。 在控制品質(zhì)方面，穩(wěn)定性的要求是前提。 用戶用水流量的變化用滑動(dòng)變阻器調(diào)壓來(lái)模擬，同時(shí)采集三臺(tái)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由此便可構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。 表 61 調(diào)試數(shù)據(jù) 流量 電機(jī)工作情況 輸出壓力 M1變頻 頻率為 M1變頻 頻率為 M1變頻 頻率為 M1工頻、 M2變頻 頻率為 M1工頻、 M2變頻 頻率為 通過(guò)上述數(shù)據(jù)看出，本次設(shè)計(jì)的恒壓變頻供水系統(tǒng)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。如對(duì)系統(tǒng)采用基于 GPRS的無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)等。在論文的完成期間還得到了龔和趙同學(xué)的指導(dǎo)和幫助，在此致以衷心的感謝。 sbit addb=P3^4。 //0809輸出數(shù)據(jù)控制 sbit EOC=P3^2。 sbit P0_3=P0^3。 sbit P0_7=P0^7。 int Yali。 // clk 連接于 sbit dat=P2^0。 //***短延時(shí) *** void delay10ms(char)。 send_byte_7279 (dta)。 for (i=0。} else {dat=0。 short_delay()。 for (i=0。 for (i=0。