【文章內(nèi)容簡介】 線 ? Q也畫在同一坐標(biāo)系中，在圖 22 中可以找出 A 點的揚程 HA、流量 QA以及效率 ?A。 圖 22 水泵工作點的確定 圖 23水泵工況點的變化 從圖 22中可以看出，水泵在工作點 A點提供的揚程和管路所需的水頭相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件 的，平衡也是相對的。一旦當(dāng)水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。另外確定工作點一定要保證水工作點的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設(shè)計和運行管理中一個重要問題。 在變頻調(diào)速恒壓供水過程中，水泵工況點的變化如圖 23所示 當(dāng) P P2 高于 P0時，說明管網(wǎng)系統(tǒng)用水量減少，管路阻力特性曲線 AA2向 A0 方向變化，此時水泵轉(zhuǎn)速逐漸降低，管網(wǎng)口壓力也由 P P1 逐漸下降，當(dāng) P 低于 P0時，其工況點變化與上述相反即由 A1逐漸向 A0移動，使管網(wǎng)系統(tǒng)供水始終保持恒定。 圖 24 水泵變速恒壓工況 圖 25 變頻調(diào)速恒壓供水水泵工況調(diào)節(jié)圖 根據(jù) 24圖水泵變速恒壓工況分析：當(dāng)管網(wǎng)用水由 Q Q1? .向 Q0移動時，通過改變水泵轉(zhuǎn)速使 P0 保持恒定。 二、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵工況調(diào)節(jié)過程 交流電動機的轉(zhuǎn)速 n 與電源頻率 f 具有如下關(guān)系： ? ? psfN ?? 160 （ 22） 式 2— 2中： p— 極對數(shù) ,s— 轉(zhuǎn)差率 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 因此不改變電動機的極 對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速就按比例變動。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率 f 來改變電機的轉(zhuǎn)速 n。改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達到調(diào)節(jié)水泵工況目的。 當(dāng)管網(wǎng)負載減小時，通過 VVVF 降低交流電的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速從 n1降低到 n2。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速 n,可使供水泵流量 Q、揚程 H 和軸功率 N以相應(yīng)規(guī)律改變。 2121 nn ? （ 23） ? ?22121 nnHH ? （ 24） ? ?22121 nnPP ? （ 25） 或 2KQH? （ 26） 式 26是頂點在坐標(biāo)原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。 在變頻調(diào)速恒壓水位供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率 f來改變電機的轉(zhuǎn)速 n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。其工況調(diào)節(jié)過程可由圖 25來說明。 由圖 25可見，設(shè)定管網(wǎng)壓力值（揚程）為 0H ，管網(wǎng)初始用水量為 AQ ，初始工況點為 A，水泵電機的轉(zhuǎn)速為 1n ，工作點 A的軸功率即為 AQAH ?0 四點所圍的面積。當(dāng)管網(wǎng)負載減小時，管網(wǎng)壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉(zhuǎn)換成 420 A? 電流信號送往模糊調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個令變頻器頻率降低的信號，從而降低電機轉(zhuǎn)速至 2n ,水泵轉(zhuǎn)速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點 A 移至 B點，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應(yīng)減小。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值 恒定在 0H ,因此水泵工作點又沿著轉(zhuǎn)速 2n 所對應(yīng)的水泵性能曲線從點 B移至 C 點，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點 C點，在圖 3中可以找出 C點的揚程 CH 、流量 CQ 以及效率 C? ，工作點 C的軸功率即為 CC QH ? 四點所圍的面積。 考察水泵的效率曲線 ?Q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。 三、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定 考察水泵的效率曲線 ? Q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當(dāng)選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調(diào)速范圍，在實際配泵時 揚程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在 40Hz 以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在 20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)，電動機的負載率在 50%100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 系統(tǒng)的方案設(shè)計 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，由模糊控制器、變頻器、水泵電機、壓力傳感器、起動器等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動 2臺電動機的起動、運行與調(diào)速，采用循環(huán)使用的方式運行。 單片機未 接工控計算機，壓力傳感器采樣水壓力信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給模糊控制器 , 模糊控制浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 器根據(jù)這兩個 信號經(jīng)模糊運算，發(fā)出指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。如圖 26所示 : 圖 26變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)示意圖 系統(tǒng)工作過程 根據(jù)小區(qū)用水的實際情況，只需開動一臺泵供小區(qū)居民日常用水，另一臺相同水泵配合循環(huán)使用以及預(yù)防其中一臺水泵發(fā)生故障時仍然正常為小區(qū)提供良好的供水。用水高峰時段水泵以工頻狀態(tài)運行；用水低谷時段水泵停止運行，以侍網(wǎng)供水；用水普通時段水泵以變頻狀態(tài)運行。 分析自動控制系統(tǒng)電機工作過程 ,可分為以下三個工作狀態(tài)： 1) 電機變頻起動； 2)電機工頻運行； 3) 電機不運行。一 般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)之中，當(dāng)源水的水壓發(fā)生變化時，管網(wǎng)壓力也就隨之變化，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)換，因此這三種工作狀態(tài)對應(yīng)著三個切換過程。 Ⅰ 系統(tǒng)開始工作時，壓力低于設(shè)定壓力下限 1P ，按下相應(yīng)的按鈕，在模糊控制器控制下，電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器 FWD 端，變頻器對拖動泵的電動機采用軟起動，在頻率未達到工頻頻率（即 ZHf 50? ）的情況下 水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機 轉(zhuǎn)速下 降，水泵輸出流量減少；變頻器輸出頻率上升，電機轉(zhuǎn)速上升，水泵輸出流量增加。水泵在變頻器的拖動下變頻運行。 Ⅱ 由電機變頻運行。用水高峰時段，隨著運行頻率的增加，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻 0f （即 50HZ），模糊控制器發(fā)出指令，接通變頻器 BX 端，變頻器 FWD端斷開，電機自變頻器輸出端斷開，電機切換至工頻運行。電機工頻運行后 ,開啟泵閥門，泵工作在工頻狀態(tài)。從而實現(xiàn)水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到壓力達到設(shè)定值為止。 Ⅲ 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 由電機工頻狀態(tài)。當(dāng)變頻器輸出頻率下降到指定值 minf ，電機轉(zhuǎn)速下降到指定值；水管水壓高于設(shè)定水壓上限 kP 時 ,在模糊控制器控制下電機停止運行。 系統(tǒng)開始工作時，壓力低于設(shè)定壓力下限 1P ，模糊控制器控制下，電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器 FWD端，變頻器對拖動泵的電動機采用軟起動，在頻率不大于工頻頻率（即 ZHf 500 ? ）的情況下 水泵電機 在變頻 器的拖動下變頻運行?？刂葡到y(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開始新一輪循環(huán)。 在程序設(shè)計中，必須認真考慮這三個切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)實現(xiàn)正常切換與運行。 電機工作過程流程圖如下 ： 圖 27電機工作過程流程圖 兩臺電機為循環(huán)使用，因此運行過程相同。 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第三章 PID 控制與模糊控制原理 PID 控制 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便 而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID控制技術(shù)。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 (1)比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號 成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 (2)積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸 出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 (3)微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例項”往往 是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 模糊控制 [6] 模糊自動控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機控制。從線性與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制 。從浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且 它已成為目前實現(xiàn)智能拉制的一種重要而有效的形式，尤其是模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法及混沌理論等新學(xué)科的相融合，正在顯示其巨大的應(yīng)用潛力 .本章分部介紹了模糊控制原理，模糊控制核心部件 — 模糊 控 制器及其設(shè)計。 模糊控制的基本思想 在自動控制技術(shù)產(chǎn)生以前，人們在生產(chǎn)過程中只能采用手動控制方式。手動控制過程首先是觀測被控對象的輸出，其次是根據(jù)觀測結(jié)果做出決策判斷，然后手動調(diào)整輸入。操作工人就是這樣不斷地觀測 — 決策 — 調(diào)整，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的手動控制，這三個步驟分別由人的眼 — 腦 — 手來完成。后來，由于科學(xué)和技術(shù)的進步，人們采用各種測量裝置代替人的眼睛，完成對被控量的觀測任務(wù) 。利用各種控制器部分地取代人腦的作用實現(xiàn)比較，綜合被控制量與給定量之間的偏差，控制器所給出的輸出信號相當(dāng)于手動過程中的人腦的決策 。使用各種執(zhí)行機構(gòu)對被控對象施加某種控制作用，這就起到了手動控制中手的調(diào)整作用，這就是人們所熟悉的常規(guī)負反饋控制系統(tǒng)。 經(jīng)過人們長期研究和實踐形成的經(jīng)典控制理論對于解決線性定常系統(tǒng)的拉制問題是很有效的，然而經(jīng)典控制論對于非線性時變系統(tǒng)難以奏效。隨著計算機的發(fā)展和應(yīng)用，自動控制理論和技術(shù)獲得了飛躍的發(fā)展，基于狀態(tài)變量描 述的現(xiàn)代控制理論對于解決線性或非線性，定?；驎r變的多輸入多輸出系統(tǒng)問題，獲得了廣泛的應(yīng)用，例如在阿波羅的姿態(tài)控制宇宙飛船和導(dǎo)彈的精密制導(dǎo)以及在工業(yè)生產(chǎn)過程控制等方面得到了成功的應(yīng)用。但是無論采用經(jīng)典控制論還是現(xiàn)代控制論設(shè)計一個控制系統(tǒng)，都需要事先知道被拉對象 (或生產(chǎn)過程 )精確的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律，進行控制系統(tǒng)設(shè)計，然而在許多情況下被控對象的精密的數(shù)學(xué)模型很難建立，過程變量多，且各種參數(shù)存在不同程序的時變性，這種過程數(shù)學(xué)模型難以建立，甚至根本辦不到。在這樣的事實面 前，人們又重新研究和考慮人的控制行為的特點，能否對無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的對象讓計算機模擬人的思維方式，進行控制決策。 在這種情況下，人們總結(jié)了自身的控制行為，正是遵循反饋及負反饋控制的思想，人的手動控制決策可以用語言加以描述，總結(jié)成一系列條件語句 —— 控制規(guī)則。利用微機程序?qū)崿F(xiàn)這些控制規(guī)則，微機就起到了控制器的作用，于是利用微機取代人可以對被控對象進行自動控制。這樣，模糊控制