【正文】 。改變轉差率調速 的方法 最大優(yōu)點是 設備簡單、投資少、 調速性能好， 調速平滑性好， 但 是 線路復雜，中間環(huán)節(jié) 電能損耗 加大 ” [2]，且成本高 ， 推廣困難 。連續(xù)調節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉速。隨著電力電子技術的發(fā)展，變頻調速電源裝置 的性能不斷改善 ，促進了變頻調速 技術 的廣泛應用。揚程特性 用來 表 征 用水需求 與 全揚程 間的關系 。如圖 1 中的曲線 ② 所示，管阻特性 主要是用來表明管組控制供水系統(tǒng)能力的大小。 此時 供水系統(tǒng) 穩(wěn)定運行 ， 達到平衡狀態(tài)。 由圖 1 中可以看出：供水系統(tǒng)的額定功率與 OANG 四點所成的正方形的面積 成正比 。討論節(jié)能問題， 首先要 考察 供水流量的調節(jié)方法 。 （ 1） 閥門控制法 “ 即通過 控制 閥門 大小 來調節(jié)流量，而轉速通常為額定轉速。這時， 管 阻特性跟閥門的開度直接相關成正比例關系變化 ， 而揚程特性保持不變 ” [4]。此時， 流量減小為 QE； 相反 揚程增加為 HE；由 圖 2知，供水功率 PG 與面積 0DEJ 成正比。 ” [5]轉速控制法的實質是 調節(jié) 水泵的供水能力 以滿足 用戶對流量的 需求。仍以用戶所需流量等于 60%QN 為例，降低轉速使 QX=60%QN 時，揚程特性為曲線 ④ ，管阻特性 曲線保持不變 ， 顯然工作點移到了 C 點 。 圖 2 調節(jié)流量的方法與比較 流量調節(jié)方法的比較 對比以上兩種流量調節(jié)方法可知 ， 同樣用戶 所需流量小于額定流量（ QX＜100%QN）的情況下， 轉速控制法的揚程要比閥門控制法的揚程要小 ， 同時也可發(fā)現 轉速控制 法 供水功率也比閥門控制 法小 。這是變頻調速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本 表現。 (3)采用 不同控制方式時的工作效率由（ 圖 2）可知， 采用閥門控制法減少閥門開度減少流量時 ， 因為 轉速不變， 即 n*=1， Q*/n*=Q*， 顯然 ， 水泵工作效率隨之減少明顯。水泵的工作效率總 能達到 最佳狀態(tài)。這是變頻調速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個 表現。所以，在實際的運行過程中，即 便是 在用水流量高峰期，電機 一般 處于輕載狀態(tài)， 此時 電機 效率 與 功率都 比 較低。變頻器具有能夠根據負載 大小調節(jié) 輸入電壓的功能， 利用變頻器電機低頻運行， 從而 大大提高了電機的 運行 效率 。 (l) 執(zhí)行機構：執(zhí)行機構由 兩臺 水泵 構 成，它們用于將水 送 給 用戶，其中由一臺變頻泵和 一臺 工頻泵構成 。 壓力 信號反映 小區(qū)用戶 的水壓值，它 是 系統(tǒng) 最重要的 反饋 控制信 號 。另外 為了使得整個 系統(tǒng) 更加可靠 ，還需 要用壓力表檢測一下供水的上下限 水壓 ， 將 檢測結果 轉換成數字量后 送給 單片機 ；水位信號反映 供水 水源 的 充裕 程度 ， 由安在蓄水池中的水 位傳感器發(fā)出，防止空抽損壞牽引電機，對控制系統(tǒng)起到保護作用 ；報警信號主要 監(jiān) 測系統(tǒng)是 否運行 平穩(wěn) ， 當 水泵電機 發(fā)生過載或者變頻器出現異常時 會 發(fā)出警報。供水控制器是 整個 系統(tǒng) 的 控制中樞 。 報警 是 每一個 控制系統(tǒng) 必不可少的部分。 管網出口水壓是 變頻恒壓供水系統(tǒng) 的主要 控制目標， 總體上把實際管網供水壓力與設定值的差值控制在一個允許的范圍內 。故某個具體的時間段內， 恒壓控制 就是為了 使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水 壓力上 [10]。 單片機 D/A轉換器 D/A轉換器 變頻器 A/D轉換器 壓力傳感器 水壓 給定水壓 泰山學院本科畢業(yè)設計 9 3 系統(tǒng) 結構 與設備選型 系統(tǒng) 結構 總體設計 單片機系統(tǒng)硬件結構框架圖如圖 5所示： 該系統(tǒng)的主要硬件設備： (1) 單片機、 (2) 變頻器、 (3) 水泵機組、 (4) 壓力變送器、 (5) 液位變送器。另外選擇的時候不要追求運行的高速度，速度越高單片機的穩(wěn)定性和抗干擾性會受影響。 AT89C51 按鍵 變頻器 泵 顯示屏 A/D 壓力傳感器 泰山學院本科畢業(yè)設計 10 （ 2） 單片機 I/O 口的數量和功能 根據實際需要確 定 I/O 口的數量， I/O 過多會增大芯片的體積，體積增大的同時也增加了成本。 （ 4）串行接口和模擬電路功能 單片機的串行接口有： UART 接口、 SPI 接口、USB接口等。 （ 5）工作電壓和功耗 工作電壓一般在 — 6V之間，功耗參數主要是指正常模式、空閑模式、掉電模式下的工作電流。保密性主要是保護個人或企業(yè)的知識產權。系統(tǒng)的顯示采用 4 片 74LS164驅動 LED，使用 89C51 的串行通訊口 TXD， DXD。 PID 控制算法 與其實現 該系統(tǒng)采用 PID 進行控制，將 PID 算法編成程序輸入到單片機中自動運行。當我們不熟悉被控對象的函數 控制 模型 或 難以確定系統(tǒng)參數時 ， 這種情況下我們就需要運用 PID控制算法 。 （ 1） 位置型 把式 公式 4 變 換 一下， 作 下面 近似 ： dttet?0)( ≈ ??ki ie0 )(T （公式 5） dttde)( ≈ T keke )1()( ?? （公式 6） 式中 ： T 為 時間 周期， k 為序號。 （ 2） 增量型 由 公式 7 可看出，位置型 不是特別方便 ， e(i)還需 要 連續(xù) 累加， 這樣 不僅 占用了多余的存貯空間 ，而且 程序編寫困難 ， 現將 式 公式 7 做如下 改進： ? ? 1( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2) ]pDu k u k k e k e k k e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (公式 8) 其中 Kp=S1 稱為比例增益； K1 = Kp1TT 稱為積分系數； KD = KP TTD 稱為微分系數。 泰山學院本科畢業(yè)設計 12 4 硬件設計 系統(tǒng)的硬件設計如下： （ 1）以 8951 單片機為核心的硬件部分設計。 （ 2）變頻器硬件部分電路設計。 系統(tǒng)硬件 結構如圖 7 所示 ： 圖 7 系統(tǒng)硬件結構示意圖 泰山學院本科畢業(yè)設計 13 圖 8 實際供水系統(tǒng)示意圖 實際供水系統(tǒng)如圖 8， 電機 M1 工頻直接接入電網，電機 M2 主要用來變頻調速。 系統(tǒng)工作過程說明 （ 1）兩個泵的供水方式 結合圖 8，恒壓供水系統(tǒng)選用兩個泵， 1泵 (M1)工頻工作，系統(tǒng)處于用水低峰時，由它供水。當小區(qū)居民用水量上升，水壓低于系統(tǒng)設定值，這時變頻器動態(tài)調節(jié)水壓。 低用水量區(qū)水壓在容許范圍波動，只有水壓低于一定程度才啟動變頻器。 泰山學院本科畢業(yè)設計 14 u( k1 ) u( k2 ) 圖 10 水 泵啟停與用水量關系圖 （ 2）系統(tǒng)的啟動與運行系統(tǒng) 啟動電機 M1 先投入運行。變頻器在電機 M1 的啟動過程中相當于軟啟動器。此時電機 M1 直接接入電網，電機 M2 接到變頻器。變頻器停止工作取決于是否在低用水量區(qū)，但用戶需要的用水量難以測量。顯然在 u(k), e(k)都小于設定值的情況下，用戶需要的用水量必然在低用水量區(qū)，這時讓單片機控制變頻器停止工作。在這種情況下 M2 可以停機休息。 M2采用變頻器 V/F 恒壓頻比控制，根據負載動態(tài)的調整電機轉速。此時為一開環(huán)控制的方式。 B 部分為自動運行情況下的控制圖。自動運行 過程如下：首先單片機發(fā)出指令讓 KM11 閉合，這時 KM1 工作，電機 M1 與變頻器接通，變頻器起軟啟動器的作用。之后單片機根據需要控制 KM22 使之投入運行，根據負載的不同，通過 V/F控制改變 M2轉速。其總體硬件圖見附錄 1 （ 1） 系統(tǒng)供電電路 圖 13 電 源模塊 如圖 13，系統(tǒng)供電將 220V 交流 電轉換成 5V 直流電。電容 C C4起濾波作用。將電壓穩(wěn)定在 5V。其中以一塊12MHz 的晶震為核心。通過它來控制圖 15 中的 KM11 和 KM22 的打開或吸合，進而控制主繼電器 KM1和 KM2 來控制電機的接入或斷開。在變頻器端，再通過一個 RS232 轉 RS485 的轉換卡，將信號轉換成變頻器能識別的信號來完成通信過程。通過 ADC0809 的模擬量輸入口（ IN0~IN7）進行 AD采樣。時鐘通過單片機 ALE 用 74LS74（ D 觸發(fā)器）進行二分頻得到。 其它部分電路 （ 1）顯示電路 泰山學院本科畢業(yè)設計 21 圖 18 顯示模塊 顯示部分采用循環(huán)掃描的方式， P0 口傳輸顯示的內容， 至 的作用是選擇對應的 LED工作。 如果預置時間內無總線活動， 芯片的 RESET 端會輸出 一高電平。 系統(tǒng)跑飛 時 ，用軟件陷阱等 其他 方法無法捕捉回程序時，則看門狗定時 增至預置時間 ， 實現 系統(tǒng)復位 ”[7]。 圖 20 NE555封裝圖 如圖（ a）和圖（ b）可知， NE555 定時電路 V0 口把連續(xù)的脈沖信號輸送至 RST，達到定時復位的效果。調節(jié)電阻 R 或電容看 C可得到不同的定時時間。 （公式 11） 從而通過控制振蕩周 期和脈沖寬度就可以控制定時時間。 “ 通過解碼電路得到的數碼接通相應的發(fā)光二極而形成相應的字，這 便 是（ b）振蕩波形 （ a）自激多諧振蕩器電路 泰山學院本科畢業(yè)設計 24 它的工作原理。 ” [9]另外為了顯示小數點，增加了 1 個 點狀的發(fā)光二極管，因此數碼管就由 8個 LED 組成，我們分別把這些發(fā)光二極管命名為 “ a,b,c,d,e,f,g,dp” ，排列順序如圖 23: 圖 23 共陰數碼管引腳圖 ② 數據采集 A/D轉換電路 A. AD0809的邏輯結構 “ ADC0809 是 8位逐次逼近 式 A/D轉換器 ， 它由模擬 量 開關、譯碼器、 模數 轉換器和鎖存器 四部分構成 ，如圖 24。 [8] 圖 24 AD0809內部結構 B. AD0809 應用說明 泰山學院本科畢業(yè)設計 25 （ 1） ADC0809內有輸出鎖存器，可與 AT89C51單片機直接 連接。 （ 3） 把要 轉換的通道地址 送 到 A， B， C端口上。 （ 5） 通過 EOC信號來判斷 是否轉換完畢 。 C. AD0809轉換電路 “ 電路見圖 25，主要由 AD 轉換器 AD0809，頻率發(fā)生器 SUN7474，單片機 AT89C51及顯示用數碼管組成。 AT89C51的輸出頻為晶振頻的 1/6（ 2MHZ）， AT89S1 與 SUN7474連接經與 7474的 ST腳提供 AD0809 的工作時鐘。 繼電器動作控制 泰山學院本科畢業(yè)設計 28 N Y 開 始 讀 取 標 志 位 ， 判 斷 M 1是 否 停 止 狀 態(tài) ？ 從 I / O 口 輸 出 控 制 信 號 ，使 繼 電 器 K M 1 1 閉 合 K M 1 1 標 志 位 置 位 ； 并 進 行延 時K M 2 2 _ 0 標 志 位 置 零 u ( k ) 設 定e ( k ) 設 定 其 它 情 況 輸 出 e ( k ) 與u（k）是 否 超 過 預 設 值 N Y K M 2 2標 志位 是 否 置 位 K M 2 2 _ 0標 志 位 置 位 從 I / O 口 輸 出 控 制 信 號 ， 使繼 電 器 K M 2 2 閉 合 K M 2 2標 志 位 置位 輸 出 控 制 信 號 使變 頻 器 停 止 工 作 延 時 圖 27 繼電器控制程序流程圖 判斷 M1 是否啟動， M1 未啟動則系統(tǒng)處于停機狀態(tài)。 經過延時之后通過 e（ k），判斷是否需要電機 M2 投入運行若需要就 KM22 繼電器輸出，同時標志位 KM22_0 置位，使 M2 電機接到變頻器。在工業(yè)中，由于對象的精確數學型難以確定，系統(tǒng)參數又經常發(fā)生變化，人們常常采用 PID 控制算法。 這里 讀取標志位 KM22， KM220 來判斷電機 M2是否是從停機狀態(tài)到運行狀態(tài)，作用是保證控制的各種初狀態(tài)為 0。其具體程序參見附錄 2。 單片機是 該 控制系統(tǒng)的核心 ， 壓力 變送 器 將 采樣 到的 管網壓力信號 PID 處理 后 傳送給變頻器，變頻器根據 壓力大小 自動 調 節(jié) 電機轉速， 從而 保證管網壓力恒定。 本文的主要工作如下： （ 1）由 AT89C51 單片機、變頻器實現 小區(qū) 生活用水的恒壓控制。通過變頻器實現水泵電機的軟啟動，由電機的變頻調速 調節(jié)供水壓力 。 （ 3）利用所學的 Protel 軟件設計了主要的電路圖。 泰山學院本科畢業(yè)設計