1、電氣工程自動化論文題 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) 電氣工程及其自動化臺州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要隨著電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)的不斷完善和計算機技術(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)的自動化程度，而且也有效地減少了能源浪費。本文首先根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運行特性曲線，闡明了供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理。接著分析了變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。本文采用變頻器和plc實現(xiàn)恒壓供水，采用at89c51單片機系統(tǒng)模擬供水網(wǎng)絡(luò)。采用pid控制算法對系統(tǒng)中的恒壓控制器進行設(shè)計。最后對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計進行了詳細的介紹。關(guān)鍵詞變頻調(diào)速；恒壓供水；

2、plc；pid控制abstractwith the development of electrical and ac motor control technology as well as computer technology，the frequency control technology has been applied in water supply system of constant pressure，which can not only boost the degree of automation but also reduce energy wastethis paper ex

3、plains water supply systems energy-saving principle of pump variable frequency speed regulating according to characterisitic curve of running pipelines and water pump，analyzes the structure of variable frequency regulating constant pressure water supplyin this paper，the executing agency is the progr

4、ammable logic controller（plc） and the frequency converter at89c51 has been applied in order to simulate the water supply networkproportion integration derivative （pid） has been applied in order to design the controller for constant pressureby the end of this paper introduces the hardware and softwar

5、e of the system key wordsvariable frequency speed control；constant pressure water supply；programmable logic controller（plc）；proportion integration derivative（pid）目 錄1引言12恒壓變頻供水系統(tǒng)簡介12.1供水系統(tǒng)的基本特性12.2變頻調(diào)速原理22.3水泵調(diào)速運行的節(jié)能原理33恒壓供水系統(tǒng)的理論分析及方案設(shè)計53.1供水壓力和變頻器輸出頻率的關(guān)系53.2恒壓控制的理論分析73.3恒壓變頻供水系統(tǒng)的方案設(shè)計93.3.1恒壓變頻供水控制系

6、統(tǒng)控制方案的設(shè)計93.3.2恒壓變頻供水系統(tǒng)的構(gòu)成93.3.3恒壓變頻供水系統(tǒng)中加減泵的條件分析104恒壓變頻供水的pid控制124.1pid控制算法的一般形式124.2離散pid控制算法144.3omrom plc的pid控制指令155變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計175.1系統(tǒng)的硬件組成175.1.1plc的輸入輸出175.1.2變頻器參數(shù)設(shè)置175.2被控對象的硬件設(shè)計185.2.1主控芯片185.2.2a/d轉(zhuǎn)換電路195.2.3d/a轉(zhuǎn)換電路205.2.4數(shù)碼管顯示電路205.3系統(tǒng)的軟件設(shè)計215.3.1被控對象的軟件設(shè)計215.3.2恒壓變頻供水系統(tǒng)的控制流程226系統(tǒng)仿真研究及調(diào)

7、試236.1系統(tǒng)的仿真研究236.2系統(tǒng)調(diào)試247總結(jié)與展望26參考文獻27致謝28附錄一：被控對象原理圖29附錄二：系統(tǒng)接線圖30附錄三：被控對象程序31附錄四：plc程序36iv臺州學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）1引言變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)是一項集現(xiàn)代電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高效節(jié)能技術(shù)。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。該控制系統(tǒng)起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應(yīng)。其穩(wěn)定安全的運行性能、簡單

8、方便的操作方式、以及齊全周到的功能，可使供水實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達到高效率的運行目的1。本課題研究將變頻調(diào)速技術(shù)、pid控制應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)，從而提高變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，以及多臺水泵循環(huán)變頻控制時變頻電源向工頻電源的切換。在大力提倡節(jié)約能源的今天，研究這種高性能、經(jīng)濟型的恒壓供水控制系統(tǒng)，對于提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗具有重要的現(xiàn)實意義2。2恒壓變頻供水系統(tǒng)簡介2.1供水系統(tǒng)的基本特性供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程h與流量q之間的關(guān)系曲線f(q)，如圖2-1所示。由圖2-1可以看出，流量q越大，揚程

9、h越小。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程h與用水量之間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚程h與流量q之間的關(guān)系。管阻特性反應(yīng)了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中的流動阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程h越大，流量q也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性過反映的是揚程h與供水流量之間的關(guān)系。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖2-1中a點，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量處于平

10、衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了來揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行3。圖2-1供水系統(tǒng)的基本特性2.2變頻調(diào)速原理恒壓變頻供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。通常由鼠籠式異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的（具體原理將在下一章闡述）。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。異步電機的轉(zhuǎn)差率定義為： （2-1）異步電機的同步轉(zhuǎn)速為： （2-2）異步電機的轉(zhuǎn)速為： （2-3）其中：為異步電機的理想空載轉(zhuǎn)速； 為異步

11、電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速； 是異步電機的定子電源頻率； 為異步電機的極對數(shù)。從上式可知，當(dāng)極對數(shù)不變時，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速時，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、機械特性較硬的優(yōu)點，調(diào)速性能可與直流電機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對水泵電機的調(diào)速4。2.3水泵調(diào)速運行的節(jié)能原理在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過

12、調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機的轉(zhuǎn)速保持不變。其實質(zhì)是通過改變誰路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要照成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速5。圖2-2管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線當(dāng)用閥門控制時，若

13、供水量高峰期水泵工作在e點，流量為，揚程為，當(dāng)供水量從減小到時，必須關(guān)小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從移到，揚程特性曲線不變。而揚程則從上升到，運行工況點從e點移到f點，此時水泵輸出功率用圖形表示為（o，f，）圍成矩形部分，其值為： （2-4）當(dāng)用調(diào)速控制時，若采用恒壓（）、變頻泵（）供水，管阻特性曲線為，揚程特性變?yōu)榍€，工作點從e點移到d點。此時水泵輸出功率用圖形表示為（o，d，）圍成的矩形面積，其值為： （2-5） 可見，改變調(diào)速控制，節(jié)能量為（，d，f，）圍成的矩形面積，其值為： （2-6）所以，當(dāng)用閥門控制流量時，有功率被浪費掉。并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變

14、大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是增大，而被浪費的功率要隨之增加。根據(jù)水泵變速運行的相似定律，變速前后流量q、揚程h、功率p與轉(zhuǎn)速n之間關(guān)系為：； （2-7）式中，、為變速前的流量、揚程、功率 ，、為變速后的流量、揚程、功率。從公式（2-7）可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著6-8。3恒壓供水系統(tǒng)的理論分析及方案設(shè)計3.1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，供水壓力是通過對變頻器輸出頻率的控制來實現(xiàn)的。確定供水壓力和輸出頻率的關(guān)系是設(shè)計控制環(huán)節(jié)控制策略的基礎(chǔ)，是確

15、定控制算法的依據(jù)。送水泵站所采用的水泵是離心泵，它是通過裝有葉片的葉輪高速旋轉(zhuǎn)來完成對水流的輸送，也就是通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)帶動水流高速旋轉(zhuǎn)，靠水流產(chǎn)生的離心力將水流甩出去。離心泵也因此得名。在給水排水工程中，從使用水泵的角度來看，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。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)計中真正對系統(tǒng)的分析和設(shè)計有價值的也是這種稱為系統(tǒng)的裝置，而不是單單的孤立水泵。水泵的裝置如圖3-1所示。圖3-1離心泵裝置在水泵機構(gòu)和理論中，有一些評價水泵性能的性能參數(shù)，這里把與本文研究有關(guān)的幾個參數(shù)列舉如下：揚程（h） 單位重量液體

16、通過水泵后能量的增量流量（q） 水泵在單位時間內(nèi)所輸送的水體體積軸功率（n） 原動機輸給水泵的功率稱為水泵的軸功率效率（） 水泵的有效功率和軸功率之比，其中有效功率是指單位時間內(nèi)通過水泵的液體從水泵那里得到的能量叫做有效功率轉(zhuǎn)速（n） 水泵葉輪的轉(zhuǎn)動速度根據(jù)水泵理論，在圖3-1中， (3-1)其中， 真空表讀數(shù)（公斤/厘米） 壓力表讀數(shù)（公斤/厘米） 水的容量 水泵的出水口測量點與進水口測量點位置差造成的附加揚程。 水泵出水口與進水口的動能增量轉(zhuǎn)化的揚程。由于水泵在送水過程中，清水池水位一般高于水泵的測量點，所以不存在進水口抽真空，所以在進水口的真空值為0.水泵進水口與出水口都沿水平方向放置，

17、位置差為0。水泵在正常工作時，動能的變化相對較小?？紤]這些具體情況，上式可以改寫為： (3-2)水泵的軸功率為： (3-3)把揚程的表達式代入上式，得： (3-4)水泵是與一臺交流感應(yīng)電機相連，由電機帶動運行的，電機的轉(zhuǎn)速與水泵的轉(zhuǎn)速相同，電機的輸出有效功率與水泵的軸功率相等。在電機理論中，感應(yīng)電機的機械功率為： (3-5)在變頻調(diào)速時，由于系統(tǒng)不變，從電機公式 (3-6)可以看出，要使主磁通保持不變，則必須保持不變。因此在變頻調(diào)速過程中，電壓應(yīng)該與頻率成正比例變化，設(shè) (3-7)代入式(3-5)得： (3-8)根據(jù)能量守恒定律，有 (3-9)其中，為電機的效率。所以，水泵裝置在變頻調(diào)速的工作

18、狀態(tài)下運行時，有： (3-10)從上式可以看出，當(dāng)變頻器的輸出頻率一定的情況下，當(dāng)用戶用水量增大，從而q增大時，壓力表的讀數(shù)將會變小，即管網(wǎng)供水壓力將會降低。為了保持供水壓力，就必須增大變頻器的輸出頻率以提供啊誰泵機組的轉(zhuǎn)速；當(dāng)用戶的用水量減小時，q減小，在變頻器輸出頻率不變的情況下，管網(wǎng)的供水壓力將會增大，為了減小供水的壓力，就必須降低變頻器的輸出頻率。由于用戶的用水量是始終變化的，雖然在時段上具有一定的統(tǒng)計規(guī)律，但對精度要求很高的恒壓控制來講，在每一時刻它都是一個隨機變化的值，這就要求變頻器的輸出頻率也要在一個動態(tài)的變化之中，依靠對頻率的調(diào)節(jié)來動態(tài)地控制管網(wǎng)的供水壓力，從而使管網(wǎng)的壓力恒定

19、9。3.2恒壓控制的理論分析對本文中提到的恒壓變頻供水的主要特點進行分析，我們可以得出如下結(jié)論：恒壓變頻供水系統(tǒng)控制對象是一個時變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對象。對它的控制仍屬于工業(yè)過程控制范疇，它以供水出口管網(wǎng)的水壓為控制目標(biāo)，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個常熟，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。圖3-2恒壓變頻控制的原理圖從恒壓控制的原理圖（圖3-2）中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到

20、正的壓力差，這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，計算出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個增量和變頻器當(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。該頻率使水泵機組轉(zhuǎn)速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復(fù)，直到實際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，誰泵機組的轉(zhuǎn)速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設(shè)定壓力相等10。由于恒壓變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的控制對象是一個時變的、非線性的、之后的、模型不穩(wěn)定的對象，我們難以得出它的精確的數(shù)學(xué)模型，只能進行近似等效1

21、1。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網(wǎng)壓力達到穩(wěn)定要求時經(jīng)歷兩個過程：1、 水泵將水送到管網(wǎng)中，這個階段管網(wǎng)壓力基本保持初始壓力，這是一個純滯后的過程；2、 水泵將水充滿整個管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加知道穩(wěn)定，這是一個大時間常數(shù)的慣性過程。系統(tǒng)中其他控制和監(jiān)測環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測等的時間常數(shù)和滯后時間與供水系統(tǒng)的時間常數(shù)和滯后時間相比，可忽略不計，均可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成： （3-11）式中：k為系統(tǒng)的總增益，t為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)，為系統(tǒng)滯后時間。3.3恒壓變頻供

22、水系統(tǒng)的方案設(shè)計3.3.1恒壓變頻供水控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計從上一節(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、水泵機組以及低壓電器組成。由于該畢業(yè)設(shè)計的被控對象是用單片機系統(tǒng)模擬的，因此壓力傳感器、壓力變送不在本設(shè)計的范圍內(nèi)。系統(tǒng)的主要設(shè)計任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能多運行數(shù)據(jù)進行傳輸。因此選用通用plc、通用變頻器、單片機系統(tǒng)的控制方式，這種控制方式靈活方便，通用性強。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，

23、可以方便的通過pc機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于plc的抗干擾繞能力強、可靠性高，因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合。在單片機系統(tǒng)上，用戶用水量的變換可以選用滑動變阻器模擬，因此只需采集水泵機組的轉(zhuǎn)速，通過公式（3-10）既能換算成當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的壓力情況，同時將數(shù)字量壓力值轉(zhuǎn)換成模擬量送入plc，就能與設(shè)定值求偏差。3.3.2恒壓變頻供水系統(tǒng)的構(gòu)成本文設(shè)計的供水系統(tǒng)由3臺水泵機組構(gòu)成，其原理框圖如圖3-3所示。圖3-3恒壓變頻供述系統(tǒng)組成原理框圖3.3.3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)到達上限頻率，而實際的供水壓力仍然低于設(shè)定壓力時，存

24、在的實際供水壓力差已經(jīng)不能夠使輸出頻率增大，實際供水壓力也不會提高。當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)下降到下限頻率，實際的供水壓力卻仍高于設(shè)定的供水壓力時，存在的壓力差不會使輸出頻率繼續(xù)降低，實際的供水壓力也不會降低。所以，選擇這兩個時刻作為水泵機組切換的時機是合理的.但要做以下考慮12。首先把上面的判別條件簡寫如下：(1) (3-12)(2) (3-13)式中：上限頻率 ：下限頻率 ：設(shè)定值 ：實際值對于第一個判別條件，可能出現(xiàn)這種情況:輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。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行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一

25、下就超過了設(shè)定壓力。并且使新投入運行的機組幾乎在變頻器輸出頻率的下限運行，對供水作用很小。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉。假設(shè)這一段時間內(nèi)用戶的用水狀況保持不變(其實在一個穩(wěn)定的供水時段可以看作這種情況)，那么按照要求停掉了一個工頻狀態(tài)下運行的機組之后，機組的整體運行情況與增加運行機組之前完全相同?？梢灶A(yù)見，如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入切出再投入再切出地循環(huán)下去。這增加了機組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中。同

26、時，在切換過程和變頻器從啟動到穩(wěn)定的過程中，系統(tǒng)的供水情況是不穩(wěn)定的，實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命。對于第二個判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結(jié)論。所以，在實際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時成立。在恒壓供水中，機組的切換為機組增加與機組減少兩種情況，這兩種情況由于變頻器輸出頻率與供水壓力的不同邏輯關(guān)系相對應(yīng)?？紤]到只有當(dāng)變頻器的輸出頻率在上下限頻率時才可能

27、發(fā)生切換，并且上限頻率時不可能減泵，下限頻率時不可能增泵，所以，可以采用回滯環(huán)思想進行判別如圖3-4表示：圖3-4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)實際的供水壓力低于比設(shè)定壓力小的時候才允許進行機組增加;如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當(dāng)實際的供水壓力高于比設(shè)定壓力大的時候才允許進行機組的增加。經(jīng)過上面的討論，將實際的機組切換的實際條件定為：增泵條件： 并且延時判別成立減泵條件： 并且延時判別成立4恒壓變頻供水的pid控制變頻恒壓供水系統(tǒng)的核心是恒壓控制，它是根據(jù)水壓給定值與供水管道中實際壓力值的壓差大小，控制變頻器輸出頻率，使變頻器實時調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)管路

28、中壓力的變化。pid控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制方式之一。它的原理如圖4-1所示。圖4-1pid控制器原理圖通過控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標(biāo)值(溫度、流量、壓力等設(shè)定值)進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與目標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的pid控制器的控制形式主要有兩種：1、硬件型，即通用pid控制器，在使用時只需要進行線路的連接和p，i，d參數(shù)及目標(biāo)值的設(shè)定。2、軟件型，使用離散形式的pid控制算法在可編程序控制器(或單片機)上做pid控制器。4

29、.1pid控制算法的一般形式pid控制器根據(jù)目標(biāo)值（設(shè)定值）r(t)與反饋值（測量值）c (t)構(gòu)成的控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) (4-1)將偏差的比例(p)、積分(i)和微分(d)通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進行控制。其控制規(guī)律為13： (4-2)或 (4-3)式中：調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)：調(diào)節(jié)器的積分時間：調(diào)節(jié)器的微分時間e：調(diào)節(jié)器的偏差信號：比例帶，它是慣用增益的倒數(shù)u：輸出簡單來說，pid控制器各校正環(huán)節(jié)的作用是這樣的：1、比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號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。 2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差

30、度，積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù),越大，積分作用越弱，反之則越強。3、微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。pid調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是： (4-4)當(dāng)上述控制算法公式只包含第一項時，稱為比例(p)作用，只包含第二項時，稱為積分(i)作用；但只包含第三項的單純微分(d)作用是不采用的，因為它不能起到使被控變量接近設(shè)定值的效果，只包含第一、二項的是pi作用；只包含第一、三項的是pd作用；同時包含這三項的是pid作用。僅用p動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加i動

31、作的p+i控制。用pi控制時，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是，i動作過強時，對快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用p動作控制。對于pd控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨d動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時，p動作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負載場合，僅p動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使p動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用pd控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負載。利用i動作消除偏差作用和用d動作抑制振蕩作用，在結(jié)合p動作就構(gòu)成了pid控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用pid控制較其它

32、組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時間的負載系統(tǒng)(即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(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。4.2離散pid控制算法在用計算機、單片機、plc等作為控制裝置進行直接數(shù)字控制(ddc)時，對各個被控制變量的處理在時間上是離散進行的。ddc控制方式的特點是采樣控制，每個被控制變量的測量值隔一定時間與設(shè)定值比較一次，按照預(yù)定的控制算法得到輸出值，通常把它保留到下一采樣時刻14。目前離散pid控制算法主要有兩類，第一類叫做位置式算法，即對4-2式進行差分后直接給出u(k)，

33、第二類叫做增量算法，給出： (4-5)位置算法如下： (4-6)上式可改寫為： (4-7)增量算法如下： (4-8) 上面的各式中：t： 采樣周期e（k）：第k次采樣時的誤差值；e（k-1）：第k-1次采樣時的誤差值；： 比例系數(shù)；：積分系數(shù)；：微分系數(shù)；為方便編程，將( 4-8 )整理為： （4-9）其中： (4-10) (4-11) (4-12)4.3omrom plc的pid控制指令梯形圖符號：圖4-2 梯形圖符號操作數(shù)數(shù)據(jù)區(qū)域：圖4-3操作數(shù)據(jù)區(qū)說明：pid(-)指令根據(jù)p1p1+6中指定參數(shù)進行pid控制。當(dāng)執(zhí)行條件為off時，pid(-)不執(zhí)行。當(dāng)執(zhí)行條件為on時，pid(-)按照

34、已指定的參數(shù)執(zhí)行pid控制。它從iw的內(nèi)容中取出二進制數(shù)據(jù)的指定輸入范圍，并按照設(shè)定參數(shù)輸出pid控制。結(jié)果作為操作變量存儲在ow中。下表顯示了參數(shù)字的功能：表4.1參數(shù)設(shè)定范圍5變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計5.1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3-3所示。5.1.1plc的輸入輸出該系統(tǒng)的plc選用歐姆龍的cpm2ah-20cdr，其特點是：高速計數(shù)器能方便地測量高速運動的加工件；擴展能力增強，最大到12ch的模擬量；帶高速掃描和高速中斷的高速處理；可方便地與omron的可編程程序終端（pt）相連接，為機器操作提供一個可視化界面；a/d，

35、d/a精度大幅度提高，最高分辨率可達1/6000；可進行分散控制和模擬量控制；通訊功能增加，提供內(nèi)置rs232c端口及外配rs485的適配器。根據(jù)系統(tǒng)的需求，對plc進行i/o分配。圖5-1plc的io分配5.1.2變頻器參數(shù)設(shè)置本系統(tǒng)的變頻器采用歐姆龍3g3mv-ab004，其指令豐富,功能強大,操作簡單方便,帶485通信接口，方便與計算機通信。數(shù)據(jù)顯示部操作鍵設(shè)定用指示燈led頻率指令旋鈕圖5-2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n001n179n002=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 ：

36、選擇“遠程re”n128=0：pid調(diào)節(jié)無效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=1.5hz ：最低輸出頻率n017=10v ：最低輸出頻率電壓5.2被控對象的硬件設(shè)計由于本次設(shè)計的恒壓變頻供水系統(tǒng)的被控對象采用單片機系統(tǒng)的模擬。故用電位器的電壓變化來模擬供水網(wǎng)絡(luò)中用戶用水量的變化，采集電機轉(zhuǎn)速和電位器的電壓，通過軟件計算出當(dāng)前的壓力值，并將壓力值以模擬量輸出，構(gòu)成閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)。5.2.1主控芯片該被控對象的主控芯片選用at89c51單片機，at89c51

37、是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器。at89c51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖所示15：圖 5-3at89c51的引腳圖5.2.2a/d轉(zhuǎn)換

38、電路該電路主要負責(zé)采集電機轉(zhuǎn)速和電位器電壓的模擬信號，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，送入單片機，以計算當(dāng)前流量和轉(zhuǎn)速下的壓力值。a/d轉(zhuǎn)換器芯片選用adc0809。adc0809是典型的8位8通道逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器。由于adc0809內(nèi)部沒有時鐘電路，所以用74ls74a將1mhz的信號二分頻送入a/d轉(zhuǎn)換器。輸出允許信號（oe）、地址鎖存允許信號（ale）、轉(zhuǎn)換啟動信號（start）由單片機給予，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號（eoc）可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)注。 圖 5-4a/d轉(zhuǎn)換電路 圖 5-5時鐘電路5.2.3d/a轉(zhuǎn)換電路該電路是負責(zé)將計算得到壓力數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。d/a轉(zhuǎn)換器芯片選用dac0832。dac

39、0832是一片8位d/a轉(zhuǎn)換器芯片，單電源供電，從+5v+15v均可正常工作，基準(zhǔn)電壓的范圍位±10v，電流建立時間為1s，cmos工藝。轉(zhuǎn)換器采用直通方式，外接op07將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。圖5-6d/a轉(zhuǎn)換電路5.2.4數(shù)碼管顯示電路該電路用來顯示當(dāng)前的供水網(wǎng)絡(luò)的用水流量值和壓力值。由于at89c51單片機的i/o口數(shù)量有限，因此，用hd7279串行輸入并行輸出芯片對i/0擴展。顯示器選用2個4聯(lián)體共陰數(shù)碼管。hd7279是一種管理鍵盤和led顯示器的專用智能控制芯片。它能對8位共陰極led顯示器或64個led發(fā)光管進行管理和驅(qū)動，同時能對多達8*8的鍵盤矩陣的按鍵情況進行監(jiān)

40、視，具有自動消除鍵抖動并識別按鍵代碼的功能，從而提高cpu工作的效率。hd7279和微處理器之間采用串行接口，其接口電路和外圍電路簡單，占用口線少，加之它具有較高的性能價格比，因此，在微型控制器、智能儀表、控制面板和家用電器等領(lǐng)域中日益獲得廣泛的應(yīng)用16。圖5-7顯示電路5.3系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.3.1被控對象的軟件設(shè)計系統(tǒng)功能的實現(xiàn)不僅靠硬件電路的設(shè)計，還需要軟件和硬件的配合才能完成。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現(xiàn)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5-8所示。開始初始化a/d轉(zhuǎn)換顯示模擬量輸出壓力計算圖5-8被控對象流程圖5.3.2恒壓變頻供水系統(tǒng)的控制流程整個恒壓變頻供

41、水系統(tǒng)要根據(jù)檢測到的輸入信號的狀態(tài)、按照系統(tǒng)的控制流程、通過變頻調(diào)速器和執(zhí)行元件對水泵組進行控制實現(xiàn)恒壓供水的目的。其需要完成的控制流程如圖5-9所示：圖5-9恒壓變頻供述系統(tǒng)的控制流程圖6系統(tǒng)仿真研究及調(diào)試6.1系統(tǒng)的仿真研究恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型近似成一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即： (6-1)式中：k為系統(tǒng)的總增益，t為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)，為系統(tǒng)滯后時間。本文中k=0.98,t=144, =2s。仿真結(jié)果如圖6-1所示.圖 6-1仿真圖參數(shù)整定的相關(guān)原則：1、如果廣義對象的傳遞函數(shù)是，調(diào)節(jié)器的比例增益是，系統(tǒng)的總的開環(huán)增益是。在其他因素相同的情況下，當(dāng)大的時候，應(yīng)該小一些，小的時候，應(yīng)該

42、大一些。2、在動態(tài)參數(shù)方面，可取作為特征值。越大，系統(tǒng)越不穩(wěn)定，因此kc應(yīng)該小一些。同時，和也應(yīng)取適當(dāng)?shù)臄?shù)值。3、在p、i、d三個作用中，p作用往往是最基本的控制作用。由這一點出發(fā)，可從兩條途徑之一進行現(xiàn)場湊試：（1）先用單純的p作用，選出合適的值，作為基礎(chǔ)，然后適當(dāng)?shù)囊牒?。?）依據(jù)驗前知識（如對的了解），把和置于合適的數(shù)值，然后主要對值進行湊試，得出最合宜的數(shù)值。以上兩條途徑表面上看來截然相反，但它們都是以承認p作用為主體作為前提的。4、積分（i）作用的引入既有利又有弊。必須盡量發(fā)揮它能消除余差的利，盡量縮小它不利于穩(wěn)定的弊。一般取或（是振蕩周期）。i作用引起的相位滯后不超過，幅值比增加

43、不超過20%。即使如此，在引入i作用后，單純p作用時減小10%左右。5、對于含有噪音的過程，不宜引入微分作用，否則高頻分量放大得很厲害。6、在控制品質(zhì)方面，穩(wěn)定性的要求是前提。如果只有一個調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以調(diào)整，則只能滿足一個品質(zhì)的指示，通常就取衰減比作為指標(biāo)。如果有兩個參數(shù)可以調(diào)整，在可在衰減比之外，再添加一個指標(biāo)。6.2系統(tǒng)調(diào)試由于沒有實際的供水系統(tǒng)用于調(diào)試，因此本次畢業(yè)設(shè)計的恒壓變頻供水系統(tǒng)的被控對象是用51單片機系統(tǒng)模擬的。用戶用水流量的變化用滑動變阻器調(diào)壓來模擬，同時采集三臺水泵電機的轉(zhuǎn)速。將三臺電機的轉(zhuǎn)速和滑動變阻器的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入單片機，在單片機中根據(jù)式（3-10）計算出

44、當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速和用水流量下的壓力值。最后將壓力值轉(zhuǎn)換成模擬信號后送入plc（如圖6-2所示）。電氣控制系統(tǒng)如圖6-3所示。由此便可構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。水泵驅(qū)動電機的參數(shù):功率p=180w，額定電壓u=380v，轉(zhuǎn)速n=1430r/min。取設(shè)定值為2.00。圖 6-2被控對象調(diào)試圖圖 6-3電氣控制系統(tǒng)圖調(diào)試數(shù)據(jù)見下表6-1。表 6-1調(diào)試數(shù)據(jù)流量電機工作情況輸出壓力0.50m1變頻頻率為22.402.071.00m1變頻頻率為31.001.922.00m1變頻頻率為44.702.033.50m1工頻、m2變頻頻率為31.692.024.50m1工頻、m2變頻頻率為44.852.06通過上述數(shù)據(jù)看出，

45、本次設(shè)計的恒壓變頻供水系統(tǒng)基本達到了設(shè)計的目的。7總結(jié)與展望隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高;再加上目前能源緊缺，利用先進的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。在這種情況下，變頻恒壓供水系統(tǒng)的使用肯定會越來越普及，當(dāng)然對恒壓供水控制技術(shù)將提出更高的要求。如對系統(tǒng)采用基于gprs的無線方式進行數(shù)據(jù)的傳輸、通過網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)進行遠程診斷和維護等。所以變頻恒壓供水技術(shù)在逐走向成熟的過程中，仍然有必要對其進行更深入的研究。參考文獻1 金傳偉，毛宗源. 變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用j. 電子技術(shù)應(yīng)用，200

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