【導讀】節(jié)能、能適應不同領域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。本論文結合我國中小城市多層住。宅小區(qū)的用水現狀，設計了一套基于PLC的變頻調速恒壓自動控制供水系統(tǒng)。壓力傳感器、及控制柜等構成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動2臺電動機的起動、運。行與調速，2臺分別采用循環(huán)使用的方式運行。f來改變電機的轉速n，從而改變水泵性能曲線得以實現的。分析水泵工況的能耗比較。量損耗，能夠明顯節(jié)能。出水口流量，實現管網壓力的自動調節(jié)，使管網壓力穩(wěn)定在設定值附近。

　　

【正文】 口閘閥關小來減少水泵出水流量，使之與管網所需流量相等，否則會造成管網過載而造成爆管的危險 。當把閘閥關小時，由于在管路中增加了一個局部阻力，則管路性能曲線變陡，管網特性曲線由曲線 1 變?yōu)榍€ 2，水泵的工作點則沿著水泵性能曲線由 A 點移至 B 點，此時工作點 B的軸功率即為 01OQBH 。四點所圍的面積。 當把閘閥關小時，水泵所供應的能量有一部分消耗于克服閘閥的附加阻力，造成額外損失。節(jié)流調節(jié)雖不經濟，也不準確，但由于簡單、易行，在水泵性能試驗中，仍被廣泛使用。在實際生產中，可用來防止過載和氣蝕。 變速調節(jié)是通過改變水泵的轉速，可以使水泵性能曲線 改變，達到調節(jié)水泵工況以擴大水泵使用范圍的目的。變速調節(jié)就是對水泵相似理論的應用。由節(jié) 可得到 22121 )(HH ? （ 225） 畢業(yè)設計（論文） 16 即 kQHQH ?? 222211 2kQH? （ 226） 式 (226)所表示的曲線稱為相似工況曲線。 變頻調速恒壓供水能耗機理分析 水泵工況的調節(jié)過程 交流電動機的轉速 n與電源頻率 f具有的關系如下 : )1(60 spfn ?? （ 227） 式中， p 極對數 。s 轉差率 因此不改變電動機的極對數，只改變電源的頻率，電動機的轉速就按比例變動。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率 f 來改變電 機的轉速 no 改變水泵的轉速，可以使水泵性能曲線改變，達到調節(jié)水泵工況目的。 當管網負載減小時，通過 VVVF 降低交流電的頻率，電動機的轉速從 1n 降低到 2n 。另外根據葉片泵工作原理和相似理論，改變轉速 n ，可使供水泵流量 Q,揚程 H 和軸功率N以相應規(guī)律改變 [17] 1212 // nn ? (228) 21212 )/(/ nnHH ? (229) 31212 )/(/ nnNN ? (229) 從上述比例律公式中消去 12/nn :就得到式 (225)及 (226 ) 式 2kQH? 是頂點在坐標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。 在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f 來改變電機的轉速 n ，從而改變水泵性能曲線得以實現的。其工況調節(jié)過程可由圖 來說明。 圖 變頻調速恒壓供水水泵工況調節(jié)圖 由圖 可見，設定管網壓力值圖 (揚程 )為 0H ，管網初始用水量為 QA，初始工況點為 A，水泵電機的轉速為 n ,，工作點 A的軸功率即為 AOQAH0 四點所圍的面積。當管網負載減小時，管網壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉換成 420mA 電流信號送往 PID調節(jié)器，經比較處理后，輸出一個令變頻器頻率降低的信號，從而降低電機畢業(yè)設計（論文） 17 轉速至 2n ，水泵轉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 點又沿著轉速 1n 所對應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 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 COQCH0 四點所圍的面積。 考察水泵的效率曲線 ? Q ，水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，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 [18,37]。 水泵工況調節(jié)與傳統(tǒng)節(jié)流調節(jié)能耗之比較 若把水泵工況點的節(jié)流調節(jié)和變速調節(jié)畫在同一個坐標系中，可用圖 表示，考察比較二者的能量損耗。當管網負載減小，管網壓力升高，管網所需流量減少，即從 AQ必降至 CQ 時，對恒速泵的節(jié)流調節(jié)來說，水泵工況點沿著水泵性能曲線 1n 自 A 點降至 D點，水泵在工作點 D的軸功率即為 COQDH1 四點所圍的面積，而此時管網中所需的能量僅為 COQFH2 四點所圍的面積，因此水泵提供的多余的軸功率為 DH,HZF 四點所圍的面積，這部分能量損耗用于克服閘閥的附加阻力。對變頻調速恒壓供水來說，水泵工況點先沿著水泵相似工況曲線自 A點降至 B點，再沿著水泵性能曲線 2n 自 B點上升至 C 點，水泵在工作點 C的軸功率即為 COQCH0 四點所圍的面積，而此時管網中所需的能量僅為COQFH2 四點所圍的面積，因此水泵提供的多余的軸功率為 FHCH 20 。二者進行比較，不難看出在相同的管 }司流量需求 CQ 下，變頻調速恒壓供水中水泵消耗的能源少于恒速泵節(jié)流調速所消耗的能源，節(jié)約的能耗為 FHDH 21 四點所圍的面積減去 FHCH 20 四點所圍的面積，即為 CHDH 01 四點所圍的面積。 圖 水泵工況點節(jié)流調節(jié)和變速調節(jié)能耗比較圖 由以上分析可知，利用變頻調速實現恒壓供水，當轉速降低時，功率以轉速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力的節(jié)流方式相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。 調速范圍的確定 考察水泵的效率曲線 ? Q ，水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，也就畢業(yè)設計（論文） 18 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 [19]。水泵的調速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調速范圍，在根據用戶的揚程確定具體最低調速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在 40Hz 以上，也就是說轉速下降在 20%以內，在此范圍內，電動機的負載率在 2O%100%范圍內變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 本章小節(jié) 水泵的工作點就是同一坐標系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點，由于水泵工作點是水泵運行的理想工作點， 實際運行時水泵的工作點并非總是固定不變的。本章從水泵理論和管網特性曲線分析入手，討論水泵工作點 (工況點 )的確定方法。接著介紹了水泵工況調節(jié)的幾種常用方法。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實現的。本章重點對變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機理進行深入研究，得出了以下結論 : 水泵工況的調節(jié)就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動工作點，使其符合要求。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率 f來改變電機的轉速 n，從而改變水泵性能曲線 得以實現的。 分析水泵工況點節(jié)流調節(jié)和變速調節(jié)能耗比較圖，可以看出利用變頻調速實現恒壓供水，當轉速降低時，功率以轉速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力的節(jié)流方式相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。 考察水泵的效率曲線 ? Q ，水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，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。實際配泵時揚程應沒定在水泵的高效區(qū)，水泵的調速范圍將進一步變小，其 頻率變化范圍在 40Hz 以上，轉速下降在 20%以內。 畢業(yè)設計（論文） 19 第 3 章 內置 PID 變頻器 在生產過程自動控制的發(fā)展歷程中， PID 控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。在本世紀 40 年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關控制外，它是唯一的控制方式。 PID 控制具有很多優(yōu)點 [39] 。 ①算法簡單，使用方便，容易通過簡單的硬件和軟件方式實現 。 ②適應性強，可以廣泛的應用于各種行業(yè) 。 ③魯橋性強，它的控制品質對被控對象特性的變化不大敏感。 由于其有 這些優(yōu)點， PID 控制直到現仍然是應用最廣泛的基本控制方式之一。 PID 控制及其調節(jié)規(guī)律 經典 PID 控制及調節(jié) PID 控制是一種負反饋控制，它所組成的控制系統(tǒng)由 PID 控制器和被控對象組成，具有一般閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的結構，通過負反饋作用使被控系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 。 PID 控制器綜合了關于系統(tǒng)過去 (I)、現在 (P)和未來 (D)三方面的信息，對動態(tài)過程無需太多的預先知識，控制效果能夠滿足要求。 圖 PID控制系統(tǒng)原理 PID 控制器是一種線性控制 器，它根據給定值 r(t)與實際輸出值 y(t)構成的控制偏差 )()()( trtyte ?? （ 31） 將偏差。 )(te 的比例 (Proportion)、積分 (Integral)和微分 (Differential)，通過線性組合構成控制器，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。其理想的控制規(guī)律為 ])()(1)([)( 1 dt tdeTdtteTteKtu DP ??? ? （ 32） 對上式作拉氏變換可得 : 畢業(yè)設計（論文） 20 ))()()(()( 1 SSETS SETSEKSU DP ??? （ 33） PID 控制器的傳遞函數形式由式 ()描述 SKSKKSTTKSE SUSG DPDSP ??????? 11 )11()( )()( （ 34） 式中 PK — 稱為比例系數 。 11 TTK? — 稱為積分系數 。 TTK D?1— 稱為微分系數 。 1T — 為積分時間常數 。 DT — 為微分時間常數 PID 控制器各個部分的作用及其在控制中的調節(jié)規(guī)律如下 [23,25,39]。 比例增益部分 (P)用于保證控制量的輸出含有與系統(tǒng)偏差成線性關系的分量，能夠快速反應系統(tǒng)輸出偏差的變化情況。由經典控制理論可知，比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數的增大而減少， 但比例系數過大將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 積分部分 (I)表明控制器的輸出不僅與輸入控制的系統(tǒng)偏差的大小有關，還與偏差持續(xù)的時間有關，即與偏差對時間的積分成線性關系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實現對被控對象的調節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。因此積分作用主要是用來消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，提高精度，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。積分作用的強弱取決于積分時間常數 1T ，1T 越大，積分作用越弱，反之則越強。然而，單純的積分作用速度太慢，無法及時對系統(tǒng)的偏差變化做出快速反應。 3,微分部分 (D)可以對輸入的變化趨勢做出反應，即它的輸入與輸出的大小無關，但與輸入量的導數成線性關系。它是用來控制被調量的振蕩，減小超調量，使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，減小調節(jié)時間，用來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。由于微分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)傳遞函數中引入了一個零點，如果使用不當會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 PID 的三種作用是各自獨立的，互不影響的。改變一個調節(jié)參數，只影響一種調節(jié)作用，不會影響其他的調節(jié)作用。顯然，對于大多數系統(tǒng)來說，單獨使用上面任意一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適 當的配合，可以使調節(jié)器快速、平穩(wěn)、準確的運行，從而獲得滿意的控制效果。一般來說，系統(tǒng)是使用它們的組合，如 PI 控制算法， PD 控制算法和 PID 控制算法。 數字 PID控制 隨著計算機技術的發(fā)展，越來越多的系統(tǒng)采用數字控制。計算機對來自 A/D 轉換器的信號進行比例、積分和微分變換處理，既能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性，又能加快過渡過程和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性 [23]。數字控制器的經典設計方法有兩種 :連續(xù)設計法和離散設計法。 通常在模擬 PID算法的基礎上，通過離散化處理就得到數字 PID 的公式。 ? ??????? ????? ??ni dP neneTTieTTneKnu 01)1()()()()( （ 35） 式中， T 為采樣周期 (或控制周期 )， n 為采樣序號， n =1,2,...， )1( ?ne 和 )(ne 分別為第 1?n 和第 n 次采樣所得的偏差信號， )(nu 為第 n 時刻的控制量。 畢業(yè)設計（論文） 21 在模擬控制器中難以實現的理想微分的 de/dt，在計算機中可以利用其差分方程很好的實現，因此式 (35)也稱為理想微分 PID 數字控制器。 1位置式 PID 算式 模擬儀表調節(jié)器的動作是連續(xù)的，任何瞬間的控制量輸出 :都對應于