（机械电子工程专业论文）基于模糊控制的变压供水系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文在分析和比较了国内外供水自动控制系统的发展现状和特点的基础上，结 合我国供水设备发展的现状，设计了一套以变频调速技术为基础的模糊控制系统。 该系统综合运用变频调速技术以及自动控制技术，结合模糊逻辑控制技术，实现 了变压供水的自动控制，保证了供水系统随时维持在最佳运行状况。 文中首先介绍了变频供水系统的发展情况，分析了变频供水的特点，分析了 不同的控制方式；根据管网和水泵的运行特性蓝线，阐明了供水系统的变频调速 节能原理；接着分析了变频恒压供水和变频变压供水的原理，确定了变频变压供 水的方案及系统的组成结构；提出不同的控制方案，通过研究和比较，本文采用 变频器和p l c 实现变压供水和数据传输；常用的变频供水控制方法主要有p i d 控 制和模糊控制，在分析了各自的特点之后，对两种控制策略的压力调整过程进行 了比较，确定模糊控制为供水系统的控制策略。 分析了模糊控制器的原理并设计了压力模糊控制器，对控制器的使用效果进 行分析；运用m a t a l b 软件的模糊逻辑工具箱对系统的供水过程建模，并对其进 行了仿真研究；对系统的硬件进行选型设计，确定系统的硬件组成；编制系统的 软件，主要包括p l c 程序、模糊控制表的算法程序、以及触摸屏文件的制作。 现场调试和运行表明，该系统能够对供水过程进行自动控制，能够有效地降 低能耗，提高生产管理水平；监控系统安装维护方便，运行稳定、可靠；人机界 面友好，使用方便。 关键词：变频调速变压供水模糊控制 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i co f k i n d so fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m so fw a t e rs u p p l ya th o m ea n do v e r s e a s ，c o m b i n e d w i t hs t a t u si nq u oo ft h ew a t e r w o r k si no u rc o u n t r y , t h i sp a p e rd e s i g n sas u i to ff u z z y c o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do rv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d r e g u l a t i n gt e c h n o l o g y t h r o u g h u s i n gv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d - r e g u l a t i n gt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , t h e s y s t e mc a nm a k et h ew a t e rp r e s s u r eo fw a t e rs u p p l ys y s t e mc o n s t a n t l yb yt h ew a yo f p a r a m e t e r ss e l f - t u n i n g i ta s s u r e d l ym a k e st h e w a t e rs u p p l ys y s t e mw o r k0 1 1a i l c y l i n d e r s t h i sp a p e re x p l a i n sw a t e rs u p p l ys y s t e m se n e r g y - s a v i n gp r i n c i p l eo fp u m pv f s p e e dc o n t r o la c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fr u n n i n gp i p e l i n e sa n dw a t e rp u m p ， a n a l y z e st h es t r u c t u r eo fv fs p e e dr e g u l a t i n gw a t e rs u p p l y , c o m p a r e sc o n s t a n tp r e s s u r e s u p p l y - w a t e rs y s t e mw i t hv a r i a b l ep r e s s u r es u p p l y - w a t e rs y s t e m , a n dg i v e ss e v e r a l c o n t r o lm e t h o d sw h o s ef e a t u r e sa r er e s e a r c h e da n dc o m p a r e di nt h i sp a p e r o n t h e b a s i so fa b o v ep l ca n dt r a n s d u c e r sm e t h o df i t sw a t e rs u p p l ys y s t e ma n dd a t a t r a n s m i s s i o nv e r yw e l l t h e nv a r i a b l ep r e s s u r es u p p l yw a t e rc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db y f u z z yc o n t r o lr e s p e c t i v e l y , a n dt h ee f f e c to ft h ec o n t r o l l e r si sa n a l y z e d a tl a s t ，t h e s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nw a t e rs u p p l yp r o c e s so ft h es y s t e mi si n t r o d u c e db yu s i n g s i m u l i n kt o o l b o xa n df u z z yl o g i cc o n t r o lt o o l b o xi nm a t l a b t h ed e s i g no ft h e s y s t c r n sh a r d w a r ea n ds o f t e ni si n t r o d u c e dt h o r o u g h l y t h eo p e r a t i o na n de x p e r i m e n t d e m o n s t r a t e st h a tt h es y s t e mm a k et h ew o r ko f w a t e r - s u p p l ya u t o m a t e di ns o m ed e g r e e i t i sg o o df o re n e r g ys a v i n ga n di m p r o v i n gt h em a n a g e m e n to fw a t e r w o r k s i t sa l s o f a c i l i t yt om o u n ta n dm a i n t a i n , r e l i a b l et oo p e r a t i n g ，a n dp r e c i s et os u p e r v i s ea n d c o n t r 0 1 t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls o f t w a r eh a sa b u n d a n tf u n c t i o n , k i n di n t e r f a c ea n d c o n v e n i e n c et ou s i n g k e y w o r d ：v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dc o n t r o l ，v a r i a b l ep r e s s u r ew a t e rs u p p l y , f u z z y 学位论文版权使用授权书 x9 7 5 13 9 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密固。 学位论文作者签名：杨强 御存月，旧 指导教? 答名修揶 2 孵6 年6b 。1 日 。 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：朽强 日期：凇彩年石月f 目 ， 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 众所周知，供水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，随着我国人民生活 水平的提高和经济的迅猛发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民 对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技 术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。变频调速节 能技术是一项集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技术。变 频调速技术用于水泵控制系统，具有调速性能好、节能效果显著、运行安全可靠 等优点，方便实现供水系统的管理与监控。在大力推广节能技术，提倡节约能源 的今天，推广使用这种集电子技术和计算机技术于一体的高科技节能装置，对于 提高生产率，降低能耗具有重大的现实意义。 1 1变频调速变压供水系统的应用前景 1 1 1 传统供水方式 长期以来我们一直采用传统供水方式，在市政供水、高层建筑供水、工业生 产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用水高峰期， 水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期， 水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量 的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。 传统的供水系统大致分为重力供水和压力供水两种方式“1 ： l 、重力供水分为水箱供水和水塔供水，这种供水方式的供水压力比较稳定， 且可以储水，但因其位置高度所形成的压力供水，为建筑施工带来了难度，而且 在大型建筑中常常不能满足最不利点的供水要求。另外还存在水的二次污染问题、 工程的投资大、周期长等问题。 2 、压力供水分为气压供水和直接供水( 调速变量供水) 。压力给水系统需要 设置水泵机组和气罐等设备，采用压力给水来满足供水要求。气压供水是以气压 罐代替水塔或高位水箱，利用密闭压力水罐内的空气压力将罐内储水压到管网中 去。这种方式具有灵活性大、建设速度快、污染少、有利于抗震、消除管道中的 水锤与噪声等优点。但是其投资和体积较大、压力变化大、运行效率低，而且还 需要张力膜，维护费用较高；需要设置空气压缩机充气，耗费动力较多。 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 变频调速供水方式 8 0 年代末期，晶体管型交流电机变频调速技术用于更新改造传统供水设备， 使我国供水行业的技术装备水平从9 0 年代初开始经历了一次飞跃，随着科学技 术的进步以及大规模集成电路和微机技术的突飞猛进。变频调速供水技术以其节 能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。变频调速供水”1 系 统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化( 实际上为供水管网的压力变化) 自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持特定位置的水压恒定以满足 用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统。通过安装在系统中的压力传感 器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级 变速调整水泵的转速，无论流量如何变化，使系统的压力始终稳定在一定范围内。 现有的变频供水系统，在具体的系统设计上，按压力控制点位置不同，又可 分为两大类”1 ：一类是变压变量供水控制，控制点设在最不利点处，直接按最不 利点水压进行工况调节；另一类是将控制点设于水泵出口，按该点的水压进行工 况调节，间接地保证最不利点水压稳定。这两类具有不同的控制特性和控制品质。 后一类中，又按压力设定值的不同分为恒压控制和出口变压控制。 l 、恒压变流量供水系统( 出口恒压控制) 恒压变流量供水系统是目前主要的控制方式，不管流量如何变化，通过控制 系统，都可使水泵运行扬程保持不变。为此在水泵出口设定一个压力控制值，并 将压差传感器设在水泵机组的出口干管上，时刻监控出水口压力的变化，再通过 d d c 控制器或p l c 控制变频器和水泵电机转速，来维持扬程( 水压) 的恒定。这 种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，整个给水系统的压力 可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于 管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口恒 压控制方式不能得到最佳的节能效果。 2 、出口变压控制“1 水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值不 只是一个。是将每日2 4 小时按用水瞌线分成若干时段，计算出各个时段所需的水 泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒 压控制的特殊形式。他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天2 4 小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口压力计算 得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂。 2 江苏大学硕士学位论文 3 ，变压供水系统( 最不利点恒压控制) 变压供水方式控制原理和恒压供水相同，只是压力设置不同。它使水泵扬程 不确定，而是沿管路特性曲线移动，但变压供水本质上也是一种恒压，不过将水 泵出口压力恒定变成了控制点压力恒定最不利点恒压控制是将压力传感器安装 在系统最不利点处，使系统在运行过程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的 节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际 应用中受到诸多限制，因此以往的工程中很少采用。但是随着信号传输技术的发 展，以及成本的降低，这种更加节能的供水方式正在逐渐得到了推广。 这三种供水方式之中，出口恒压供水应用更广泛，而变压供水( 最不利点恒 压控制) 技术上更为合理，虽然实施难度更大，但代表着水泵变频调速节能技术 的发展方向。 新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论在设备 的投资、运行的经济性，还是在系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面，都 具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前正朝着高可靠性、数字化 微机控制的方向发展。追求高度智能化是未来供水设备适应城镇建设中成片开发 智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 1 1 3 变频调速供水系统的国内外研究现状 变流量供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度 重视，并被不断投入开发、生产。在短短的几年内，调速供水系统经历了一个逐 步完善的发展过程，早期的单泵调速系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品 系统设计简易可靠，但单泵电动机深度调速造成水泵、电动机运行效率低，而多 泵型产品的投资更为节省，运行效率也高，被实际证明是最优的系统设计，因此 很快发展成为主导产品。 针对传统的交频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推 出了一系列新产品，如华为的t d 2 1 0 0 ，施耐德公司的a l t i v a r 5 8 泵切换卡，s a n k e n 的s a m c o - i 系列，a b b 公司的a c s 6 0 0 、a c s 4 0 0 系列，富士公司的g 1 1 s p 1 1 s 系列等。这些产品将p i d 调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内， 形成了带有各种应用宏的新型变频器5 。由于p i d 运算在变频器内部，这就省去 了对可编程控制器存储容量的要求和对p i d 算法的编程，而且p i d 参数的在线调 试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内 部自带的p i d 调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。同时， 江苏大学硕士学位论文 为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时 还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类交频器的价格仅 比通用变频器略高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置p i d 功能的变频器 生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时 间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。但是这类设备虽微化了电路结构，降 低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性 不高，与别的监控系统( 如b a 系统) 和组态软件难以实现数据通信，并且限制了 带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。 目前国内有不少公司在做变频供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵 的转速，供水管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制 器( p l c ) 及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在 系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来 说，还远远没能达到所有用户的要求。 所以看出，目前在国内外变频调速供水控制系统的研究设计中，对于能适应 不同的用水场合，结合现代控制技术变频供水系统的水压闭环控制研究得还不够。 因此，有待于进一步研究改善变频供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、 生产实践。 1 2 模糊控制理论的发展 从本世纪4 0 年代发展起来的经典自动控制理论和现代控制理论在许多领域取 得了辉煌的成就，但在许多工业控制过程中却难以用传统的控制技术来实现系统 的自动控制。对于工业被控对象，一般机理比较复杂，多数具有多变量、非线形、 大延滞和随机干扰强的特点，所以多数难以建立精确的数学模型，使一些计算机 控制系统因为模型不准确而影响控制效果，而有经验的操作人员和技术专家则不 需要建立模型也可以实现较满意的控制效果。 1 9 6 5 年美国控制理论专家扎德创立了模糊几何理论，提出了模糊控制技术“1 ， 一即采用模糊控制器，应用模糊集合理论进行统筹考虑的控制。模糊控制系统中核 心的部分是模糊推理，它的整个系统推理程序均模仿操作人员的经验、思考及决 策。模糊控制系统具有以下几个显著的特点： 1 、在设计系统时不需要建立被控对象的数学模型，只要掌握现场操作人员或 有专家的经验、知识或者操作数据。 4 江苏大学硕士学位论文 2 、系统的鲁棒性强，尤其适应于非线形、时变滞后系统的控制。 3 、容易建立语言变量控制规则。 因而对于那些难以建立数学方程，又具有丰富的控制经验的控制领域，模糊 控制技术将发挥奇特的优势。模糊控制是正在发展中的控制技术，它没有完善的 系统分析技术。目前在理论上不能像经典控制理论那样具有完备的理论体系。人 们更热衷于它的应用。随着计算机技术的发展和模糊芯片的诞生，模糊控制的应 用与研究进入了蓬勃发展的时代。由于供水系统难以建立准确的数学模型，并且 具有很大的滞后性，经过了多年的研究和探索，模糊控制作为一种主要的控制策 略，成功地应用于供水系统。 1 3 本课题的研究任务 通过前边对各种供水系统的分析与比较，可以看出各种变频供水方式中，把 压力传感器装在管网末端的供水方式是最节能的。结合比较成熟的恒压供水的经 验和专家知识，我们利用模糊控制策略对单泵站供水系统进行优化设计，实现基 于模糊控制的变频调速变压供水系统。本文研究的目标是对控制技术给予提升， 使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速。本 文研究的主要内容如下： 1 、通过扬程特性曲线和管阻特性蓝线分析供水系统的工作点，根据管网和水 泵的运行曲线，比较恒压供水和变压供水工况点，说明变频变压供水系统优于恒 压供水系统的节能原理。 2 、分析变频供水系统的组成及特点，探讨变频供水系统的控制策略，并归纳 实用性的控制方案。 3 、研究模糊控制器的设计原理及方法。 4 、设计变频变压供水系统的硬件和软件。 5 、进行实验室模拟调试，在实际供水系统中运行该系统，分析系统性能。 江苏大学硕士学位论文 第二章变频变压供水系统简介 水泵节能离不开工况点的合理调节。其调节方式不外乎以下两种”1 ：管路特 性曲线的调节，如关阀调节；水泵特性曲线的调节，如水泵调速、叶轮切削等。 在节能效果方面，改变水泵性能曲线的方法，比改变管路特性曲线要显著得多。 因此，改变水泵性能曲线成为水泵节能的主要方式。而变频调速在改变水泵性能 曲线和自动控制方面优势明显，因而应用广泛。 在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程。现在 变频调速技术已在给水排水工程中获得广泛应用，包括调节水厂投药泵的转速实 现投药量的高精度调节；在建筑或小区给水系统中用于恒压给水控制；在大型的 给水泵站，变频调节供水泵的转速，实现城市供水的恒压或恒流调节等也有应用。 恒压给水控制技术主要包括如下两大类“： 1 、双位控制系统。按水位( 水压) 的高低两个界限值控制给水泵的开停。当高 低水位相差不大、水压波动较小时，可近似看作恒压给水系统，如前述的高位水 箱给水系统以及气压给水系统。这种控制方式精度低，水压波动较大，是较为传 统的给水技术。 2 、定值控制给水系统。按压力( 水位) 控制点的水压( 或水位) 目标值进行调节控 制。可以采用变频调速等技术，改变水泵特性，对水泵工况连续调节，将水压控 制在很小的被动范围内，这是当前先进的给水技术。 2 1变频调速变压给水技术 2 1 1 变频调速供水节能效果分析 恒压变流量供水系统是目前应用主要的控制方式n 1 。不管流量如何变化，通 过控制系统，都使水泵运行扬程保持不变。为此在水泵出口设定一个压力控制值， 并将压差传感器设在水泵机组的出口干管上，时刻监控出水口压力的变化，再通 过d d c 控制器或p l c 控制变频器和水泵电机转速，来维持扬程( 水压) 的恒定。 变压供水方式“叮控制原理和恒压供水相同，只是压力设置不同。它使水泵扬 程不确定，而是沿管路特性曲线移动，但变压供水本质上也是一种恒压，不过将 水泵出口压力恒定变成了控制点压力恒定。 变频供水的运行工况如图2 1 所示，4 0 是水泵的特性曲线，场是管网的特性 6 江苏大学硕士学位论文 曲线。b 点是恒压供水设计工况下水泵的工作点，流量为q 2 ，扬程为飓，转速为 n o ，由于采用了恒压供水，水泵的扬程不变，当系统流量由q 2 变为q l 时，水泵的 工作点移至b 点，水泵的转速由n o 下降至刀l ，点b 成为新的工作点，显然恒压供水 节省了扬程 l ，而没有考虑垃，因此它不是最节能的供水方式。如果采用变压 供水，使水泵的扬程沿管路特性曲线移动，当流量由q 2 变为q l 时，自动将转速 调至n 2 ，工况点处于c 点，相比恒压供水，进一步节省了扬程 2 ，理论上避免了流 量减少时扬程的浪费，显然优于恒压供水。 sq 2 0 q 1q 2 q 图2 - 1 变频调速供水运行工况 2 1 2 变频调速供水系统工作原理 在给水系统中，用户用水量的变化反映在水压上，表现为管网水压的波动， 因此，调节水泵工况，保证用户用水水压的稳定，就可以保证用户用水。变频调 速给水系统可以通过自动控制实现上述调节。它由电机泵组、压力传感器、控制 器、变频器以及自动切换装置等组成，以水压为控制参数。水泵启动后，压力传 感器向控制器提供控制点的压力值肌当日低于控制器设定的压力值h o ( h o 按用 户的水压要求设定) 时，应该提高水泵转速，控制器向变频调速器发送提高电源频 率的指令；当日高于历时，则应该降低水泵转速，控制器向变频器发送降低频率 的控制信号。当某台水泵的转速达到规定的上限时自动启动新的水泵投入运行； 反之，则自动减少运行水泵的台数。通过调节水泵工作电源频率的方式、改变水 泵的转速，从而改变了水泵的工况，构成闭环反馈控制系统，自动调节水泵转速 及工作水泵台数，实现变压变量供水。 7 毋 吃所嘞 江苏大学硕士学位论文 ；一一一：j = 娶一一一1 1 ：压力传感器；2 ：模糊控制器；3 ：变频调速器：4 恒速泵控制器； 5 ：水泵机组；6 ：闸阀；7 单向阀；8 ：蓄水池；9 ：自动切换装置 图2 2 变频给水设备系统原理图 图2 2 给出了由3 台水泵组成的典型控制点恒压给水系统原理图。分别以1 号、2 号、3 号代表3 台水泵，它们交替循环工作，其工作过程如下：开机后，通 过系统控制，1 号机泵从变频器的输出端得到逐渐上升的频率和电压，开始旋转( 软 启动) ；频率上升到供水管网设定供水压力和流量要求的相应频率，并随控制点的 压力变化( 代表了供水流量的变化) 而改变频率调速运行。如果这时用户的用水量增 加，1 号泵的工作频率上升到工频( 5 0 h z ) 仍不能满足用水要求( 表现为控制点压力达 不到设定值) ，控制系统发出指令l 号泵自动切换到工频状态运行；随后指令2 号 泵投入变频启动，并自动响应其频率满足该时供水管网流量和压力的要求；如果 这时用水量再上升到2 号泵也达到工频，则类似地，控制器发出指令2 号泵也切 入工频运行，并立即指令3 号泵投入变频启动，并响应至满足该时供水系统的流 量和压力所需频率运行。如果这时用水量降低，3 号泵的工作频率降至频率极限( 暂 设为3 0 h z ) ，控制点的压力仍大于设定值，则控制器发出指令使l 号泵停止运行， 同时3 号泵立即响应该时流量相应的频率工作；如果这时用水量继续下降，至3 号泵的工作频率又降至极限频率3 0 h z 时，则控制器发出指令使2 号泵停止运行， 只有3 号条立即响应该时流量相应的频率，变频运行。上述运行方式使水泵按投 入运行的先后顺序依次退出运行，即遵循先入先出的原则，使得水泵的损耗均衡。 8 器 ”吲。父频器+ 单片机( 包括变频控制、调节器控制) + 人机界面+ 压椭 比，蘧箍嚣鬻 江苏大学硕士学位论文 同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以 必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的 小容量的变频恒压供水中。 3 通用变频器+ p l c ( 包括变频控制、调节器控制) 十人机界面+ 压力传感 器 这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进 行数据交换；通用性强，由于p l c 产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种 规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定p l c 的硬件配置和p c 的外部 接线，控制要求发生改变时，可以方便地通过p c 机来改变存贮器中的控制程序， 所以现场调试方便。同时由于p l c 的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠 性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的供水场合，并且与供水机组的 容量大小无关。 通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出“变频器主电路+ p l c ( 包括 变频控制、调节器控制) + 人机界面+ 压力传感器”的控制方式更适合于本系统。 这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定 性及控制精度的要求。 2 3 变频调速变压供水系统的控制策略分析与确定 2 3 1变频变压供水系统的特点 变频变压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水，本 文中该系统具有以下特点：。 1 、供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一 些过程控制量( 如：温度、流量、浓度等) 一样，对控制作用的响应具有滞后性。 同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。 2 、用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有 特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系 统是一个非线性系统。 3 、变频调速变压供水系统具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而 不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制 对象的模型具有很强的多变性。 1 0 江苏大学硕士学位论文 4 、在变频调速变压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制( 包 括定量泵的停止和运行) 是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系 统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速变压供水系 统的控制对象是时变的。 针对供水系统的特点，我们比较现在普遍采用的几种供水系统控制策略。来 确定本系统的控制策略。在常用的供水控制策略中，p i d 控制和模糊控制采用最广 泛的两种控制方式。模糊控制器和p i d 控制器的控制方法都不依赖于被控对象的 精确数学模型，因此非常适合于工业过程控制系统。 2 3 2 变频调速供水系统的p i d 控制 p i d 控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。它的原理 如图2 - 4 所示。 图2 - 4p i d 控制原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 构成控制 偏差： e ( t ) m - r ( t ) 一c ( t ) ( 2 一1 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象 进行控制，故称p d 控制器。其控制规律为： 砸) = k p e e ( t ) + 丢p + 半1 1 ) 或写成传递函数：。 g = 器= 印( 1 + 去毋) ( 2 _ 3 ) 式中，勋一比例系数； 一积分时间常数； ， 一微分时间常数。 江苏大学硕士学位论文 通过控制对象的传感器等检测控制量( 反馈量) ，将其与目标值( 温度、流量、 压力等设定值) 进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就 是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力 控制、温度控制等过程量的控制。在变频变压供水中常见的p i d 控制器的控制形 式主要有两种： 1 、硬件型，即通用p i d 控制器，在使用时只需要进行线路的连接和p ，i ，d 参数及目标值的设定。 2 、软件型，使用离散形式的p i d 控制算法在可编程序控制器( 或单片机) 上做 p i d 控制器。 一、数字p i d 控制 随着计算机技术的发展，越来越多的系统采用数字控制。计算机对来自a d 转换器的信号进行比例、积分和微分变换处理，既能消除静差，改善系统的静态 特性，又能加快过渡过程和提高系统的稳定性，改善系统的动态特性。数字控制 器的经典设计方法有两种：连续设计法和离散设计法。 通常在模拟p i d 算法的基础上，通过离散化处理就得到数字p i d 的公式。 “( 功= 足， e ( n ) + 争p ( f ) + 等瞳( 栉) 一p ( 胛一1 ) 】) ( 2 4 ) l t o 4 式中，t 为采样周期( 或控制周期) ，n 为采样序号，n = l ，2 ，e ( n 一1 ) 和p ( 帕分 别为第f r l 和第n 次采样所得的偏差信号，“( 珂) 为第n 时刻的控制量。 在模拟控制器中难以实现的理想微分的d e d r ，在计算机中可以利用其差分方 程很好的实现，因此式( 2 - 2 ) 也称为理想微分p i d 数字控制器。 1 、位置式p i d 算式 模拟仪表调节器的动作是连续的，任何瞬间的控制量输出u 都对应于执行机 构的位置。从( 2 - 4 ) 可知，数字p i d 控制器的输出u ( n ) 也和位置对应，因此称为位 置型算式。 2 、增量式p i d 算式 ” ” 增量式p i d 算法就是让计算机输出相邻两次调节结果的增量， “ 一 ” 下n - t巾 u ( n 一1 ) = 髟 e ( 疗一1 ) + 争e ( f ) + 等p ( 阼一1 ) 一e 一2 ) 】) ，j 枷 1 a u ( n ) = k ， p ( 栉) 一f ( 力- 1 ) 】+ k ，e ( n ) + k o p ( ) 一2 e ( n 1 ) + e ( n 一2 ) 1 ) “( 刀) = u ( n - 1 ) + a u ( n ) ( 2 5 ) 1 2 江苏大学硕士学位论文 增量型算式仅仅是在计算方法上作了一点改变，并未改变增量型算式的本质。 由于算式不进行累加计算，增量只与最近几次采样值有关，容易获得较好的 控制效果。 二、数字p i d 控制器 采用这种控制算法有以下几个优点： l 、不需要被控对象的精确数学模型。 2 、控制的稳态精度高。 3 、它是传统的过程控制方法，有完善的系统分析理论。 虽然数字p i d 控制器有上述的一些优势，但它对于变频调速供水系统的控制 还有许多难以解决的问题“”，主要反映在以下几方面： l 、不同供水系统的对象模型差异较大，如果固定p i d 控制器的参数可能会使 控制系统不稳定，这就需要在每一个控制系统运行前整定参数，并且这个工作还 要定期实施，以保证系统运行的稳定可靠。这样就对工程实际的情况和人员提出 很高的要求，在许多场合难以做到。 2 、供水系统的滞后性和非线性，要求我们采用改进型p i d 控制器，而改进后 的p i d 控制器，大大增加了控制的计算量，同时由于对象模型的不同而引起的滞 后时间常数的差异，使控制器很难达到良好的控制效果。 3 、由于变频调速变压供水系统对水泵的控制，是一个时变的系统，通过扩充 i | 缶界比例度法或扩充响应曲线法整定的参数不是时时都适合系统运行情况的，有 时会造成控制失控。所以p i d 控制器不能够适合所有的变频调速给水系统。 图2 5 是采用数字p i d 控制的变频变压给水系统的水压调节过程图。根据对 江苏大学某生活区的供水系统的改进工程实践，通过现场调试，结合实践经验。 我们确定p i d 参数：增益肋= 1 5 ；采样时间r = 0 2 s ；积分时间t , = 5 m i n ；通过 试验，得到压力调节图如图2 - 5 。证明本系统可以满足一般场所的用水要求，总体 来讲存在以下不足： l 、调节时间较长，超调量较大； 2 、存在一定的动态超调； 3 、实际应用过程中，p i d 参数整定困难，并且最终整定的参数并不一定最优； 为了使系统具有更好的控制性能，我们可以采用另一种控制算法一模糊控 制对水压进行控制。 江苏大学硕士学位论文 图2 - 5p i d 控制器水压调节过程图 2 3 3 变频调速供水系统的模糊控制器 模糊控制器采用人类语言信息，模拟人类思维，故它易于接受、设计简单、 维护方便。模糊控制器基于包含模糊信息的控制规则，所构成的控制系统比常规 的控制系统稳定性好、鲁棒性高。在改善系统特性时，模糊控制系统不必像常规 控制系统那样只能调节参数，还可以通过改变控制规则、隶属函数、推理方法及 决策方法来修正系统特性。因此模糊控制器的设计、调整、维护变得简单。在常 规控制算法中，微小的错误和参数的漂移都可能引起系统的失控，而基于控制规 则的模糊控制系统，由于采用了模糊集概念和模糊连接，系统对某一规则的变化 敏感小，因此系统的抗干扰能力和自适应能力强。这些都很适合于变频调速变压 供水系统。与p i d 控制相比，模糊控制的核心在于只用己知的对系统的粗略的知 识描述系统，并在此基础上用模糊控制算法进行控制n ”。因此模糊控制算法有以 下几个优点： l 、模糊控制具有非专业性，它使用的是语言型控制规律，因此，在设计控制 系统时不需要专门的控制设计人员，在调整和维护上只需一般技术人员即可。 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 、模糊控制系统具有更好的稳定性和鲁棒性，控制规律中几个规则的失效对 控制特性只有极小的影响；系统参数的变化对控制效果只有有限的影响避免了 常规控制系统中控制器参数或系统参数的变化引起整个系统失灵问题。 3 、模糊控制更适合解决复杂系统的控制问题，其原因在于这些过程还没有被 人类完全认识，系统本身由于滞后，强非线性和时变性等因素影响非常复杂，其 数学模型的建立非常复杂或根本不可能，而模糊控制不需要精确数学模型，同时 它建立在人类积累的语言型经验基础之上，因此比p i d 控制更适合对此类系统的 控制。 4 、模糊控制系统本身是严格的控制系统，而并非模糊的不准确的。实际上， 当语言变量、隶属函数、控制规则、模糊推理方法和去模糊化方法确定后，模糊 控制的输入输出关系就是确定的。模糊控制方法是在更高层次上模拟人类思维的 一种系统方法。 5 、模糊控制算法更易在计算机上实现，模糊控制的软件具有很好的通用性， 极大地缩短了设计时间。同时它对控制计算机的运算能力要求也很低，可以根据 专家经验，按照模糊控制规则，事先计算出模糊控制表，存于p l c 或单片机的r o m 中。系统在操作时省去了系统参数调节的步骤，节省了计算时间。而p i d 控制器 在投入运行前或在工作中，工作点移动后其参数必须进行校准，否则会引起控制 的不稳定。同时还可以对表中的单元数据根据实际情况进行适当的改动，从而提 高控制性能。 模糊控制是一种处于发展中的控制方式，与经典控制理论和现代控制理论相 比较，模糊控制的理论研究是不完备的，人们更热衷于它的实际应用模糊控制 发展到今天还存在一些不足“”： 1 、无完整的稳定性理论。模糊控制本质上是非线性控制，非线性系统在一定 范围内也可进行稳定性分析，但传统的稳定性分析必须以系统能够用数学表达式 为前提而不是用语言规则来描述，因为语言规则中包含传统的数学表达式无法处 理的模糊变量。这样一来，所谓系统稳定性分析实际变成了数学模型的分析，而 对于较大系统，系统的复杂程度和正确表述系统模型的可能性之间存在着不可调 和的矛盾。即使勉强建立起一些模型，也因假设和简化的因素过多而导致模型与 实际的巨大偏离。基于这种模型演绎出来的稳定性也不会可靠。实际上人们更多 的不是对这类系统进行稳定性分析，而是对其进行安全性分析。 江苏大学硕士学位论文 2 、稳态精度尚不够高。模糊控制是一种非线性控制，对语言变量值的划分不 可能太多，故无论采用控制表或控制解析公式都不能太复杂或太庞大，因此对精 度有一定的影响。实际上、模糊控制算法是非线性p 或p d 控制算法，模糊控制中 不引入积分环节，理论上总是存在静差。 3 、自适应能力有限。一般简单的模糊控制器没有规则和参数调整的能力。故 当被控对象的参数随时间和环境的变化而变化时，模糊控制器不能及时调整自身 的参数而适应对象的变化，从而影响控制质量。而新的具有参数自调整的模糊控 制器尚不够完美。模糊控制器对系统的一些参数是不敏感的，这说明模糊控制器 有较好的鲁棒性，但这不是具有自适应能力。因此，模糊控制器还需完善。 如果将普通的模糊控制器应用于变频调速变压供水系统还有一些不足需要改 进：首先模糊控制器的自适应能力有限，另外由于普通的模糊控制器没有积分环 节，因此控制的稳态精度不够高。 通过分析，我们确定采用模糊控制器来实现变频调速供水，但在控制器的设 计中，在频率输出的过程中引入积分环节，提高控制的稳定精度。 图2 - 6 模糊控制变频变压供水系统的构成 1 6 江苏大学硕士学位论文 2 4 模糊控制变频变压供水系统的构成 由于本文的供水系统要适用单泵站的生活水、工业用水以及消防等多种场合 的供水，我们以四台水泵( 三台主泵和一台附属小泵) 组成的供水系统为例，其 原理框图如图2 - 6 所示。 从上面的原理框图，我们可以看出变频调速变压供水系统由执行机构、信号 检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。 一、执行机构 执行机构是供水系统中的动力核心。一般有一组水泵组成，本系统中，我们 采用了四台水泵，其中1 # 泵、2 # 泵、3 # 泵为同一型号的水泵，4 # 泵为附属小 泵。这样的选择，有以下根据： 1 、水泵的调速能适应流量、扬程的变化，可以不用安装较多的台数和大小不 同容量的组合，这样就为选用较大容量少台数的新思路带来有利的条件。大水量 少台数的型号相同的水泵机组不但有效地提高了运行效率，也可以减少泵站的面 积和减少进出水管、阀门、开关、电缆等辅助设备，降低了单位水量的造价。 2 采用大容量少台数相同型号机组组合，再因地制宜合理选用调速泵组：可 以实现大容量机组软起动，可以有效地减少水泵开停次数，同时使供水的调度管 理方便灵活，便服务压力变化平稳，完全能消除开停泵的压力波动，特别是可以 消除水锤的严重危害，延长机泵等设备的使用寿命，提高服务质量。 3 调速泵的特性选择和台数的选定“：调速泵的各设计组合在能满足最大 设计水量的基础上，尽量使调速高效特性曲线，接近系统的特性曲线，或者说， 尽量将各种流量组合的高效区能套入出现机率最高的工作点。一个泵站的调速台 数要以全年运行工况中，出现机率较多的开泵台数为需要的调速台数。 4 附属小泵的加入，使系统在用水量很低时( 如：夜间) 可以停止所有的主 泵，用小泵进行补水，降低系统的运行噪音。容量约为主泵的i 3 ，这样可以避免 调速泵长期在低频下工作对电机的伤害。 5 在用水量不太大时，系统中不是所有的水泵在运行，这样可以提高水泵的 运行寿命，同时降低系统的功耗，达到节能的目的。 二、控制系统 供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器( p l c 系统) 、变频 器和电控设备三个部分。 1 、供水控制器 1 7 江苏大学硕士学位论文 它是整个变频变压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、 液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实 施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构 ( 即水泵) 进行控制