【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 在模擬控制器中難以實(shí)現(xiàn)的理想微分的 de/dt，在計(jì)算機(jī)中可以利用其差分方程很好的實(shí)現(xiàn)，因此式 (35)也稱為理想微分 PID 數(shù)字控制器。 通常在模擬 PID算法的基礎(chǔ)上，通過離散化處理就得到數(shù)字 PID 的公式。計(jì)算機(jī)對(duì)來自 A/D 轉(zhuǎn)換器的信號(hào)進(jìn)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(dòng)態(tài)特性 [23]。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。顯然，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)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。 PID 的三種作用是各自獨(dú)立的，互不影響的。它是用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，用來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。然而，單純的積分作用速度太慢，無法及時(shí)對(duì)系統(tǒng)的偏差變化做出快速反應(yīng)。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(guān)，還與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對(duì)時(shí)間的積分成線性關(guān)系。 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(guān)系的分量，能夠快速反應(yīng)系統(tǒng)輸出偏差的變化情況。 1T — 為積分時(shí)間常數(shù) 。 11 TTK? — 稱為積分系數(shù) 。 )(te 的比例 (Proportion)、積分 (Integral)和微分 (Differential)，通過線性組合構(gòu)成控制器，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。 PID 控制器綜合了關(guān)于系統(tǒng)過去 (I)、現(xiàn)在 (P)和未來 (D)三方面的信息，對(duì)動(dòng)態(tài)過程無需太多的預(yù)先知識(shí)，控制效果能夠滿足要求。 PID 控制及其調(diào)節(jié)規(guī)律 經(jīng)典 PID 控制及調(diào)節(jié) PID 控制是一種負(fù)反饋控制，它所組成的控制系統(tǒng)由 PID 控制器和被控對(duì)象組成，具有一般閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過負(fù)反饋?zhàn)饔檬贡豢叵到y(tǒng)趨于穩(wěn)定。 ③魯橋性強(qiáng)，它的控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感。 ①算法簡單，使用方便，容易通過簡單的硬件和軟件方式實(shí)現(xiàn) 。在本世紀(jì) 40 年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關(guān)控制外，它是唯一的控制方式。實(shí)際配泵時(shí)揚(yáng)程應(yīng)沒定在水泵的高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小，其 頻率變化范圍在 40Hz 以上，轉(zhuǎn)速下降在 20%以內(nèi)。 分析水泵工況點(diǎn)節(jié)流調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)能耗比較圖，可以看出利用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，功率以轉(zhuǎn)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。本章重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機(jī)理進(jìn)行深入研究，得出了以下結(jié)論 : 水泵工況的調(diào)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(dòng)工作點(diǎn)，使其符合要求。接著介紹了水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。 本章小節(jié) 水泵的工作點(diǎn)就是同一坐標(biāo)系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點(diǎn)，由于水泵工作點(diǎn)是水泵運(yùn)行的理想工作點(diǎn)， 實(shí)際運(yùn)行時(shí)水泵的工作點(diǎn)并非總是固定不變的。 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)，也就畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(yùn)行 [19]。二者進(jìn)行比較，不難看出在相同的管 }司流量需求 CQ 下，變頻調(diào)速恒壓供水中水泵消耗的能源少于恒速泵節(jié)流調(diào)速所消耗的能源，節(jié)約的能耗為 FHDH 21 四點(diǎn)所圍的面積減去 FHCH 20 四點(diǎn)所圍的面積，即為 CHDH 01 四點(diǎn)所圍的面積。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小，管網(wǎng)壓力升高，管網(wǎng)所需流量減少，即從 AQ必降至 CQ 時(shí)，對(duì)恒速泵的節(jié)流調(diào)節(jié)來說，水泵工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線 1n 自 A 點(diǎn)降至 D點(diǎn)，水泵在工作點(diǎn) D的軸功率即為 COQDH1 四點(diǎn)所圍的面積，而此時(shí)管網(wǎng)中所需的能量僅為 COQFH2 四點(diǎn)所圍的面積，因此水泵提供的多余的軸功率為 DH,HZF 四點(diǎn)所圍的面積，這部分能量損耗用于克服閘閥的附加阻力。 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(yùn)行 [18,37]。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時(shí)，管網(wǎng)壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉(zhuǎn)換成 420mA 電流信號(hào)送往 PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個(gè)令變頻器頻率降低的信號(hào)，從而降低電機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 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(diǎn) A移至 B點(diǎn)在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會(huì)相應(yīng)減小 .。其工況調(diào)節(jié)過程可由圖 來說明。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(yáng)程 H 和軸功率N以相應(yīng)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(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點(diǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速 no 改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。 變頻調(diào)速恒壓供水能耗機(jī)理分析 水泵工況的調(diào)節(jié)過程 交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n與電源頻率 f具有的關(guān)系如下 : )1(60 spfn ?? （ 227） 式中， p 極對(duì)數(shù) 。變速調(diào)節(jié)就是對(duì)水泵相似理論的應(yīng)用。在實(shí)際生產(chǎn)中，可用來防止過載和氣蝕。 當(dāng)把閘閥關(guān)小時(shí)，水泵所供應(yīng)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。當(dāng)把閘閥關(guān)小時(shí)，由于在管路中增加了一個(gè)局部阻力，則管路性能曲線變陡，管網(wǎng)特性曲線由曲線 1 變?yōu)榍€ 2，水泵的工作點(diǎn)則沿著水泵性能曲線由 A 點(diǎn)移至 B 點(diǎn)，此時(shí)工作點(diǎn) B的軸功率即為 01OQBH 。由 AOQAH0 必四點(diǎn)所圍的面積表示水泵在工作點(diǎn) A 的軸功率。這種通過關(guān)小閘閥來改變水泵工 作點(diǎn)位置的方法，稱為節(jié)流調(diào)節(jié)。 對(duì)于出水管路中裝有閘閥的水泵裝置來說，當(dāng)把閘閥關(guān)小時(shí)，由于在管路中增加了一個(gè)局部阻力，則管路性能曲線變陡，于是，其工作點(diǎn)就沿著水泵的 H Q 曲線朝著流量減小的方向移動(dòng)。因而使用單位一般不采用這種調(diào)節(jié)方法來改變水泵 工作點(diǎn)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 沿外徑車小離心泵的葉輪，可以改變水泵的性能曲線，從而擴(kuò)大水泵的使用范圍，這種方法稱為車削調(diào)節(jié)。這種方法叫做水泵工況的調(diào)節(jié)。 工作點(diǎn)的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中一個(gè)重要問題。 一旦當(dāng)水泵或管路性能中的一個(gè)或同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。若把水泵的效率曲線 ? Q 也畫在同一坐標(biāo)系中，在圖 中可以找出 A 點(diǎn)的揚(yáng)程 AH 、流量 QA 以及效率 A? 。 如果把某一水泵的性能曲線 (即 H Q 曲線 )和管路性能曲線畫在同一坐標(biāo)系中圖，則這兩條曲線的交點(diǎn) A,就是水泵的工作點(diǎn)。 局部損失之和的表達(dá)式 : 222 22 QgAgvh jjj ?? ?? ?? （ 222） 2222 2 SgALQh js ??? ? ?? （ 223） 當(dāng)上下水位確定后，管路所需要的水頭就等于上下水位差 (即實(shí)際揚(yáng)程 )加上管路損夫。因此水泵工況點(diǎn)的確定和水泵工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關(guān) [15]。 水泵理論工況點(diǎn)的確定 水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實(shí)際揚(yáng)程。水泵樣本中所繪出的性能曲線，均為實(shí)測或根據(jù)模型試驗(yàn)換算而來的。 ? Q 從己知的 H Q 及 NP Q 曲線，按公式 ( 25 )， 求得相應(yīng)點(diǎn)的功率 ? 值，即可繪 ? Q 曲線。機(jī)械損失 JP 幾乎與流量無關(guān)，在 WP KQ 曲線上加上 JP ，就得到 ( NP KQ )曲線。 ( NP Q ) 軸功率 NP 是水功率 WP 與機(jī)械損失功率 JP 只之和，計(jì)算水泵理論揚(yáng)程曲線所對(duì)應(yīng)的功率即為水泵的水功率。當(dāng)葉片為有限多時(shí)，理論揚(yáng)程 thH 與 ?thH 的關(guān)系用式 (218 ) PHH thth ?? ?1 （ 218） 進(jìn)行修正、因此 thH 與 kQ 的關(guān)系仍然是一條直線，在縱坐標(biāo) H 軸上的交點(diǎn)為gpu )1(22?。在離心泵中，當(dāng)葉片的?902?? 時(shí)， ?thH 隨 kQ 的增加而減小。 kQ 水泵出水口流量。 2u 水泵葉輪出水口圓周速度 。在葉片無限多時(shí)，式(214)經(jīng)過進(jìn)一步推導(dǎo)，水泵理論揚(yáng)程可用下式表示。 1uV . 2uV ，水泵葉輪進(jìn)、出口處的絕對(duì)速度。 水泵的理論揚(yáng)程可用式 (214)表示 [15] g VuVuH uuth 1122 ?? (214) 11 ???u (215) 22 ???u (216) 式中， 1r ,1r 水泵葉輪進(jìn)、出口半徑 。W 輪內(nèi)流體的相對(duì)速 度 。 只有了解水泵的性能，掌握其變化規(guī)律，熟悉各種水泵性能曲線的特點(diǎn)，才能合理的選型配套，正確的決定水 泵的安裝高程以及解決水泵裝置在運(yùn)行中所遇到的許多的問題。如將它們的變化規(guī)律用一組曲線表示，則這組曲線就稱為性能曲線 (或稱特性曲線 )。 水泵基本性能曲線 水泵的六個(gè)工作參數(shù)，標(biāo)志著水泵的性能。 yzH 或臨界氣穴余量 lh? 。 轉(zhuǎn)速 n是指葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。要提高水泵效率，必須盡量減少機(jī)械磨擦和漏水量，并力求 改善過流部分的設(shè)計(jì)和提高制造、裝配質(zhì)量。 , thH 水泵理論 揚(yáng)程。 thW HqQrP )( ?? (25) 式中， )( qQ? 流過葉輪的全部流量 。 (1)機(jī)械損失與機(jī)械效率 機(jī)械損失包括軸與軸承的磨擦損失、軸與填料函的磨擦損失以及葉輪在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的損失即輪盤損失。 ? 有效功率與軸功率的比值為效率 ? . %100??NMPP? (24) 水 泵效率標(biāo)志著水泵傳遞能量的有效程度，亦即反映了泵內(nèi)功率損失的大小，是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。軸功率不可能全部 傳給液體，而要消耗一部分功率后，才成為有效功功率。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 1000rQHPM ? (22) 式中 r 液體的比重 (kgf/m3) 。 水泵功率有以下兩種，有效功率 PM 和軸功率 PN。 H 水泵揚(yáng)程也稱水頭，是水泵由葉輪傳給單位質(zhì)量液體的總能量，可以由水泵進(jìn)水口、出水口斷面上的單位總能量 E， E2的差值表示，其單位以 m 計(jì)。 Q 水泵流量是指水泵在單位時(shí)間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質(zhì)量流量兩種。 水泵的工作參數(shù) 水泵工作參數(shù)共有六個(gè)，即 :流量、揚(yáng)程、功率、效率、轉(zhuǎn)速及允許吸上真空高 度或氣穴余量。離心泵屬于高揚(yáng)程葉片泵，是利用葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力的原理工作的。在討論變頻調(diào)速恒壓供水的節(jié)能機(jī)理之前，有必要討論分析 水泵及水泵工況調(diào)節(jié)等相關(guān)理論。據(jù)統(tǒng)計(jì)若采用變頻調(diào)速技術(shù)來改變流量，可節(jié)約 205O%其節(jié)能效果相當(dāng)可觀 [12,49]。自八十年代以來，變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)開始應(yīng)用于我國許多城市的自來水公司。對(duì)樓于居民的生活用水有了較好的保障。對(duì)于我國城市樓宇供水來說，應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)能有效的提高生產(chǎn)管理水平和市場競爭力。重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和 PLC 程序設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)控制供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵電機(jī)變頻運(yùn)行。 算法在變頻橫壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用及如何選擇變頻器。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。在 此基礎(chǔ)上，提出了本文的主要研究內(nèi)容和研究方法。整個(gè)系統(tǒng)的操作控制實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)化管理，設(shè)備管理達(dá)到最優(yōu)效果，運(yùn)行調(diào)節(jié)達(dá)到最佳節(jié)能。另一種看法則認(rèn)為由