（流体机械及工程专业论文）基于变参数控制的离心泵变压运行节能策略研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 水泵系统作为工农业生产和生活用水的基础设施，主要由水泵机组、管道阀 门及变频器、数据采集设备、控制系统等组成，在运行中消耗大量的能源。诸多 专家研究证明变压供水是一种节能运行模式，但在运行控制中依然存在以下问题 未能解决：( 1 ) 对供水系统控制模型的结构参数及性能认识不足，使控制器的应 用带有盲目性；( 2 ) 常规的定参数p 控制器不能适应水泵变工况运行，易出现 压力不稳等现象；( 3 ) 现代智能控制器算法对复杂供水系统的适应性研究仿真计 算多于实际应用。从而造成变压供水在工程中的推广应用受到很大限制。其中控 制器是水泵运行控制性能良好的关键，如何设计控制器及将控制器应用于水泵的 变压运行是研究的难点。本文以离心泵系统的节能运行为主要目的，针对当前离 心泵变压运行中存在的问题，开展了以变参数控制器设计为主要内容的创新研究： ( 1 ) 运用理论分析结合阶跃响应试验辨识的方法，建立了离心泵变压运行控 制模型，根据模型特点提出了新的控制器设计方案。搭建水泵变频运行的阶跃响 应试验装置，根据供水系统的特点分析控制模型的参数和结构，设计了阀门开度 为4 0 、5 0 、8 0 、1 0 0 四种情况下恒压和变压运行控制模型辨识的试验方案， 将试验数据通过m 棚a b 系统辨识工具箱，建立了各个工况下的模型传递函数， 与理论模型进行比较，并对比分析相同阀门开度下和不同阀门开度下变压与恒压 过程控制模型的参数和结构变化，针对离心泵变压运行提出以变参数p d 控制为 核心算法的控制器设计方案。 ( 2 ) 用试验的方法分析p d 控制器在离心泵变频运行中的性能，提出控制器 改进的研究方向。建立p i d 闭环控制试验装置，手动设置不同的p d 参数组合方 式，进行恒压控制、无干扰变压控制、有干扰变压控制三种方案的试验测试，并 绘制相应的响应曲线，分析瞬态过程和稳态过程的控制性能。结果表明，常用的 恒压定参数p d 控制对于工况变化不大时具有较优的控制效果，而对于工况变化 较大的变压运行时，瞬态性能较差，必需实行变参数p m 控制。 ( 3 ) 通过呦e w 仿真和试验验证分析变参数的p d 神经网络控制器的控制 品质，实现了离心泵的变压稳定运行。利用l a b e w 图形化的编程模式实现p m 神经网络控制算法，建立控制器的仿真模型，利用阶跃信号和正弦信号作为输入 基于变参数控制的离心泵变压运行节能策略研究 进行跟踪仿真，从控制器的响应速度和稳定性分析其性能。仿真结果表明，p d 神 经网络控制器在跟踪阶跃信号时，暂态过程性能十分优良，无超调，调节时间很 短；对于正弦信号的跟踪，经过仅仅一个正弦周期即可达到精确的控制。从仿真 效果看出控制器具有良好的性能。但是，仿真过程中以不确定概率出现无法稳定 跟踪的现象，针对这一问题将控制算法的比例阈值输出函数改为双曲正切函数。 利用l a b e w 设计的p d 神经网络数字控制器进行离心泵变压运行控制试验，采 集时间、流量、压力等数据并分析，结果表明p d 神经网络控制器对离心泵变压 运行具有良好的控制性能。 本文以离心泵运行控制理论为依据，运用系统仿真结合试验验证的方法，对 p d 变参数控制进行了深入的研究，解决了常规p d 控制在复杂控制系统中性能 较差的问题，克服了智能控制器与变频技术结合的困难，实现了离心泵变频变压 稳定运行。 关键词：供水系统模型辨识变频运行p d 神经网络变参数控制 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st l l ew a t e rs u p p l yi i l f a s t m c t u 陀o fa g r i c u l t u r ea n di l l d u s t r ) ，p r o d u c t i o n 孤dl i v h l g ， p u m ps y s t e m ，w l l i c hi sm a d eu po fp u m p 弱m b l y p i p e s ，v a l v e s ，f 诧q u e n c yc o n v e n e r ， d a t aa c q u i s i t i o nd e v i c c s 锄dc o n 们ls y s t e m 觚d 0 n ，c 0 璐眦e sl o t so fe n e 唱yi l l 0 p c r a t i i l g v a r ia _ b l e - p r e 豁u r cw a t e rs u p p l yw 硒p r 0 v 酣t 0b eag o o do p e r a t i o nm o d et 0 s a v ee n e 唱yb ym 觚y 陀a r c h e 娼b u tt l l e 他a 他s t i l l m ep r o b l e m su n l v e di r i o p c r a t i o n a n dc o n t r o l 鹤f o l l o w s ：( 1 ) 恤d 懿i c a lp dc o n 仃0 l l e ri sl i i n i 蜘i i i c o m p l i c a t e ds y s t e m ，w h i c hm a y r e s u l ti i lp r e 鼹u r en u c t | 盼t i o na tu s c rs i d e 柚dt 0 0h i g h o rt 0 0l o wp r e 豁u 他i nw a t c rp i p e i i n cw h e np 哪pc o n d i t i o nc h 锄g e d ；( 2 ) m o d e m i n t e l l 培e n tc o n t r o l l e rw h o a 1 9 0 r i t l 蚰i si i i 仃i c a t e i sd i f f i c u l ti i l c 0 i n b i n i n g 、i t l l 缸q u c n c y c 0 n v e 硌i o n蛐l o 四t l l a tn i e a p p l i 酬0 na n d d i s s e m i i i a t i o n0 f v a r i a b l e - p r e s s u r ew 弱g r e a n yr e s 仃i e di np r o j e c t t 1 l ec o n t r o l l e ri sac m c i a lf h c t o rf o r c o n 仃o lp e r f b n n 锄c eo fp 岫po p e 枷o n 锄dh o wt 0d c s i 印柚da p p l yi ti st h ed i f f i c i l l 吼 a i i i l i i l ga tt h ep r o b l e m s 旺i s t i i l gi np 啪pv a r i d b l e - p 陀豁u r eo p e r a t i o n ，t h j sp a p e r 铭r r i e d c r e a t i v e 陀鸥a r c hf o c u s i n go nt h ed e s i g m n g0 fv a r i a b l e p 觚吼e 坝c o n 仃o l l e r 埘t hm e p u 叩0 0 fs a v i n ge n e 唱yf o rp 眦ps y s t e m 弱f o l l o w s 1 k0 0 n t r o lm o d e lo fp u m pv a r i a b l e p r e s s u r c0 p e m d w 硒c 0 脏t n l c t i e db y t h e 0 他d c a l 锄a l y s i s 锄ds t e pr c s p 0 i e x p e 血l l e mi d e n 娟c a t i o n 觚dac o n 仃0 l l e r d c s i 母血gs t r a t c g yw 弱p r o p o s e da c c o r d i i l gt 0t l i em o d e lc h 甜觚：t e r i s t i c f i r 瓯t h e p 乏咖e t e ra n ds t 门j c t u r eo fc o n t r o lm o d e lw 舔觚a l y z e do nt h eb 弱i so ft l l ef c a t u r e0 f w a t c rs u p p l ys y s t e m a n dt h e nt h et c s t - b e do fs t e p 陀s p o n e x p e m n e n tw 弱i i l s t a l l e d f o rv a r i a b l e - s p e e do p e r a t i o n0 fw a t e rp 唧p s ，柚dt h ee x p e 血n e n ts c h e m em a td a t aw 弱 a c q u i 川w h e nt l l eo p c n i i l g0 fv a l v ew 弱4 0 ，5 0 ，8 0 ，1 0 0 w 雒d e s i 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朊r e n tp a r 锄e t e rc o m b i l l a t i o n s0 fp dc o n t i o u e r c o n s t a j l t - p r e s s u r ec 0 m r o l ， v a r i a b l e - p r c s s u r c c o n 仃o lw i m o u t i i l t e r m p t i o n v a f i a b l e p r e s s u r e w i n l i n t e m l p t i o n c o n 仃0 le x p e 曲e n 坞w c r ec a r r i 酣o u t 加dc o m s p o n d i n gr e s p o n c l l f v e sw e r ed r a 州l 聆s p e c d v e l y ，a n dm e nc o n 仃o le 小l a l i 哆w 猫锄a l y z c df o r 胁s i e n ts t a t c 柚ds t e a d ys t a t e t h er e s u l t ss h o w c dt l l a tc 0 髑t 觚t - p a r 锄e t e rp dc o m r o u e rh a d9 0 0 dc o n t r o lq u a l 蛔f o r c o n s t 姐t - p r c 豁u r eo p e r a t i o n ， w h i l e v a r i a b l e - p r e s s u r eo p e 枷0 n c 0 n 臼o ln e e d e d v a r i a b l e - p a 舳e t c rp i dt 0g u a r a n t e em ec o n 佃o le q u a l i 吼a n dm e 锄舢en l e 仃a n s i e n t c h 撒m r i s t i ci sn o t9 0 0 d 髓o u g l l c o 鹏i d e 血g 也e9 0 0 ds t e a d ys t a t ep e 哟咖柚c co f p mc o n 仃o l l e r ，t h e 佗s e 卸r c h0 ft h ec 0 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年代中期，国内学者专家提出了基于恒压供水机理的变压供水概念，之后经过 众多专家的研究，其运行机理日益成剥5 9 】。证明虽然变频调速恒压供水比起使用 阀门调节的节流运行方式有一定的节能能力，但变频调速变压供水是根据用水需 求运行，节能更彻底，是一种十分理想的节能运行模式。 但是，在工程中实现这种运行模式的过程中遇到诸多问题：( 1 ) 对水泵系统 恒压控制的性能认识不足。采用恒定参数的p i d 控制器，当系统工况改变时，往 往会出现水泵运转不平稳，用水端压力不稳定现象，同时恒定参数p i d 也不能适 应变压运行控制：( 2 ) 现有的控制器算法的应用缺乏针对性，很多好的算法是否 适应水泵系统的特点仍需要研究；( 3 ) 大多现代智能控制器算法比较复杂，对微 计算机性能要求较高，与变频技术的结合困难较大，不利于当前内置控制器的水 基于变参数控制的离心泵变压运行节能策略研究 泵系统专用变频器的发展。因此，当前用于水泵恒压运行的p d 控制已不能满足 更为节能的变压运行方式的控制要求，智能控制技术还不成熟，导致变压供水在 工程中还不能推广应用，能源浪费现象无法得到有效遏制。 针对不同的水泵运行工况，离心泵变压运行控制模型不同，就需要采用不同 的p d 参数。所以，研究基于变参数控制的离心泵变压运行节能策略，对于提高 水泵系统运行效率，节约能源具有重要的意义。国内外学者专家对此进行了大量 的研究。 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 水泵恒压与变压运行控制 国内的许多专家、学者从上世纪7 0 年代起，开始尝试将计算机技术应用于供 水系统的模拟，优化设计及供水系统控制等方面。目前国内供水系统采用的自动 控制技术主要是变频技术与其它技术的结合，水泵调速方式分为水泵出口恒压控 制和水泵出口变压控制，即变频恒压供水和变频变压供水【1 阻埘。 恒压供水侧重于跟踪控制水泵的出口压力，使其基本恒定在某一设定值，而 泵的转速在变频控制下不断变化调节流量以满足用户的需求。泵的这种运行方式 能够保证优良的供水质量，并且能够在任意时段同时满足用水端对流量和扬程的 不同要求。但是由于过于强调压力恒定，在满足高位用水端需求压力时，泵的扬 程对于位置较低的用水端就显得过高，导致管网水压过高，需要通过阀门调节来 满足用水需求，这样造成压力损失在阀门上而浪费能源，并且过高的水压要求提 高管道的耐压等级，造成材料浪费。这种方式为目前应用较为广泛的供水方式， 虽具有一定的节能效果，但依然有很大的节能潜力【净切。 国内关于变压供水的概念是1 9 9 5 年王柏林【1 0 l 等基于恒压供水扩展提出，其基 本原理是对管网某点压力进行给定跟踪控制，保持其压力恒定，这时泵出口压力 随用水量是变化的。王伟1 1 8 】2 0 0 0 年就变频调速恒压和变压供水系统设计进行了研 究；王乐勤【1 9 】2 0 0 3 年设计开发了一套变频调速变压供水系统模型并进行求解，证 明其节能效果明显：蔡穆英【2 0 1 2 0 0 5 年变频恒压和变压供水的节能差异比较，给出变 压供水的实现方式；汤跃1 2 1 】2 0 0 7 年从泵运行角度以百吨水能耗评价标准分析变频 恒压和变压供水的能耗；王琦l 翻2 0 0 9 年用 a m 玎对我国某城市就变压供水方式 2 江苏大学硕士学位论文 进行了模拟，证明其运行的稳定性。随着研究的深入，对于变压运行机理的认识 逐渐成熟，其节能效果要远优于恒压供水，同时避免了供水不稳定和管网材料浪 费的缺点。 但是，由于系统控制无法满足运行要求，在工程中却还很少应用。原因是水 泵系统运行中的不确定性、非线性、大时滞等特性，导致了其控制模型的复杂性， 给控制器的设计带来很大的困难【嬲】。针对这一特性，国内外专家学者利用理论 分析法、阶跃辨识分析法等建立水泵系统运行的控制模型【簿冽，包括以供水流量 为控制目标的自适应控制模型，针对时变和非线性系统的神经网络模型以及鲁棒 控制优化运行模型，将扰动和负载的随机特性考虑进控制器设计中【凹。3 2 】。这些建 模方法都是建立在理论分析的基础上，通过系统仿真具有较好的效果，但是，泵 的实际运行往往产生较大的偏差，根据这些模型设计的控制器无法满足控制系统 性能要求，对变压供水的实际应用产生很大的限制。 变压供水的压力监测点是管网的最不利点，距离系统运行控制室较远，信号 传输困难；此外，现行控制器的研究还不能满足变压供水系统闭环控制的需求。 针对变压供水系统控制器的研究成为实现变压运行的关键，专家学者对此进行了 大量研究。2 0 0 0 年，吴楚辉1 3 3 】等将p x w 9 型智能控制器应用于实现变压供水之中。 2 0 0 2 年，吴肖甫削从供水系统的特点出发，提出了多台水泵分级控制，每台水泵 等时运行的控制策略，对常规p d 算法进行改进，并分析了控制品质。2 0 0 5 年， 杨强【3 5 】等采用模糊控制方法采用最不利点恒压控制进行变压供水系统的研究。 2 0 1 0 年，崔晓伟【弼等针对供水系统非线性、大滞后、参数时变的特点，提出了在 变压供水系统中运用模糊p d 控制器，并对其进行了仿真分析，结果表明该控制 系统自适应性能良好，能够很好地实现最不利点压力的基本稳定。从近年来对于 变压供水系统控制器的研究可以看出，主要集中于模糊p d 控制器的设计和系统 仿真，但是缺少实际应用的研究。 随着科学技术的不断进步，数学规划，现代控制理论及计算机技术等的不断 发展，有力地促进了大型系统的控制和管理水平的提高，使供水系统借助计算机 等高科技工具进行科学的管理成为可能。 1 2 2 变参数控制的研究及发展 作为工业控制中应用最广泛的一种控制规律，p d 控制是一种线性控制方法。 3 基于变参数控制的离心泵变压运行节能策略研究 理论分析和工程实际应用经验均表明，这种控制规律能够很好地适应大多数工业 过程的控制。但是，对于一些复杂的控制对象，其系统变化带有大惯性、非线性、 纯滞后、强干扰等特性，用定参数的p 控制器无法控制要求，特别是对于一些 参数变化超过一定范围的对象，系统控制效果远远无法到达要求。针对这一问题， 为了进一步提高p d 控制性能，许多学者对变参数的p d 控制进行了大量的研究 1 模糊p d 控制 模糊p d 变参数控制经过不同行业众多专家学者长期的研究，其原理日益完 善。1 9 9 7 年，h y 蚰j 0 0 n 【3 7 】利用遗传算法产生模糊规则并将其有效地应用于模糊 p d 控制结构。2 0 0 2 年，p e t i d v 【3 8 1 针对时变和非线性系统设计了一种模糊p m 控 制器，建立相应的结构模型，通过仿真研究控制器的性能。2 0 0 4 年，杨景明【3 9 】阐 述了一种基于模糊控制及p d 控制的变参数控制对于时滞系统进行有效控制的途 径，并将其应用于液压系统。2 0 0 7 年，沈晖【加l 等针对恒压供水系统具有多参数、非 线性、大时滞的特点，设计了一种参数自适应模糊p 控制器，仿真结果具有较 好性能。2 0 0 8 年，王海群【4 l l 采用控制器参数随设定值与测量值变化、积分时间随 设定值与偏差绝对值变化的模糊变参数控制，实现了调节阀工作特性非线性，特 别是阀阻比很低流量特性畸变很严重情况下的流量控制。 从以上的研究可以看出，针对非线性时变系统，不同行业专家都有关于模糊 p d 变参数控制的研究，这种控制方法集中了模糊控制和p 的特点，有着自适 应能力强、鲁棒性好的优点，具有较佳的仿真效果。但是，大多研究还只是系统 仿真，缺乏试验研究和实际应用。同时，模糊算法从变量模糊量化处理到逆模糊 化处理，整个过程较为复杂，实现在工程中与p d 控制结合非常困难。 2 神经网络p d 控制 人工神经网络又称并行分布处理模型或连接机制模型，是基于模仿人类大脑 的结构和功能而构成的一种信息处理系统或计算机系纠4 2 l 。 神经网络p d 控制在上世纪8 0 年代提出，随后经过专家不断的研究并改进。 1 9 9 0 年，美国学者s 、i i i i 椭j 【i 【4 3 l 设计了基于神经网络调节参数的p m 控制，并利 用数值实验测试其性能。1 9 9 7 年，c h a d 骼w a n d e r 9 0 n m 针对加热系统建立仿真模 型，通过神经网络调节器改进p i 控制器。2 0 0 3 年，黄友锐附】提出了一种基于遗传 算法和神经网络的自整定p d 控制器的设计方法。2 0 0 5 年，韩伟【4 6 】利用神经网络 4 江苏大学硕士学位论文 进行系统辨识建立对象模型，运用遗传算法寻优p d 参数。2 0 0 6 年，伍筱菁【4 7 1 根 据神经网络p d 控制器初值的选取影响系统控制性能的特点，提出一种基于改进 遗传算法寻优的神经网络p 控制方法。2 0 0 7 年，李艳华【耜】针对水力发电机组的 非线性、时变系统提出一种基于g a 遗传算法、b p 神经网络和r b f 神经网络的 智能p d 控制方法。2 0 0 9 年，黄宜庆【4 9 l 等针对常规神经网络存在的初始权系数对 控制产生不利影响的问题，利用遗传算法和小波神经网络对电机系统p 控制进 行改进。 经过国内外学者的大量研究，基于神经网络的变参数p d 控制发展为多种形 式，b p 神经网络主要作为p d 参数的自适应调节器，r b f 神经网络侧重于系统模 型的实时辨识为p d 参数调整提供依据。近年来，对于改进的小波神经网络的研 究也越来越广泛，并且以遗传算法作为辅助较多的结合起来1 5 们2 】。总之，对于神 经网络p d 的研究和应用成为现代控制工程中的重要方面。 此外，对于p d 参数自整定方法的研究还有很多，包括基于克隆选择算法的 p d 、基于粒子群算法的p d 、多目标鲁棒p i d 以及分数阶p d 等。 1 2 3 变频控制的发展研究 变频器自2 0 世纪6 0 年代问世，到8 0 年代在主要工业化国家已得到广泛使用。 但中国变频器行业起步较晚，2 0 世纪9 0 年代，变频器才得以大规模进入中国，且 大部分市场份额均由国外变频器厂家占领。 交流变频调速技术是集电子、自动控制、微电子、电机学等于一体的先进技 术。由于它在交流电机速度调节上具有良好的性能，在变速运行中节能效果明显， 得到了广泛应用，逐渐成为调速节能应用发展的主流方向【5 3 1 。交流变频调速系统 有机结合了微计算机技术和当前先进的电力电子技术，其产品不断得到研究发展 和工程应用，促使交流电机调速技术的发展产生了质的飞跃。该技术不仅能够节 约大量能源，而且提高了机械性能，并使自动控制系统更加完善，环境保护得到 进一步的发展。因此，采用变频调速技术不但能够改善控制系统的品质，而且产 生了巨大的社会效益和经济效益。 自变频调速技术出现以来，各种变频调速系统都随之发展起来，变频恒压供 水正是其中一种。在最初的离心泵变频运行系统中，变频器只是整个系统的执行 机构，在用水端对水量需求发生变化时，为了保证管网设定点水压稳定，需要再 5 基于变参数控制的离心泵变压运行节能策略研究 控制系统中额外提供保持压力恒定的控制器需【5 4 1 。科技的发展不断地推进变频技 术前进，离心泵变频运行的各方面的优点和良好的节能效果也不断得到承认和应 用，变频器产品的研究也在朝专门化方向发展，在供水系统中推出了具有恒压供 水功能的泵专用变频器【5 5 】。它将p d 控制器和可编程控制器等硬件集成在变频器 控制基板上，通过指令程序实现p l c 和p d 等电控系统的功能。随着变频技术日 益成熟，内置p 控制器已成为水泵专用变频器生产发展的一个重要趋势。 离心泵变压运行同样需要保证管网最不利点的恒压，但是常规的p d 控制已 不能满足控制要求【5 硒8 l 。因此，要研制具有变压供水功能的专用变频器，就需要 将智能控制器和可编程控制器等集成在变频器内部。但是，智能控制器大多设计 实现过程复杂，给变压供水专用变频器的设计生产带来很大困难，这就需要在变 压供水控制器的研究中考虑到水泵专用变频器研制的发展趋势，便于智能控制器 和变频器的一体化研究，即变压供水控制器需要算法和结构简单，同时满足变参 数控制的需求。 1 3 本文主要研究内容 国内外的研究结果表明离心泵变压供水是一种理想的节能运行模式，但对其 控制系统的研究仅仅停留在控制算法及其仿真方面，很少在试验或者工程中进行 实践研究，使其无法得到推广应用。本文以实现离心泵变压运行的控制器设计， 提高变压供水系统控制性能，降低水泵系统能耗为目标，以变参数控制设计的基 本流程为技术路线开展设计研究。主要包括以下内容： ( 1 ) 对水泵变频运行控制模型进行研究。运用理论分析结合水泵变工况运行 的阶跃响应试验，建立变压和恒压运行的控制模型，并对比分析相同阀门开度下 和不同阀门开度下变压与恒压过程控制模型的参数和结构变化，针对离心泵变压 运行提出以变参数p d 控制为核心算法的控制器设计方案。 ( 2 ) 比较分析离心泵变频运行p d 闭环控制试验。设计常规的p d 控制器， 通过建立m 枷a b 系统仿真模型辨识出p d 控制器的参数，并以此为依据设置不 同的p m 参数组合，以虚拟仪器为测控系统的核心进行离心泵变频运行p m 闭环 控制的试验，进行恒压控制、无干扰变压控制、有干扰变压控制三种方案的试验 测试并绘制相应的响应曲线，分析瞬态过程和稳态过程的控制性能。根据试验结 6 江苏大学硕士学位论文 果针对p d 控制器的缺陷提出改进措施。 ( 3 ) 进行p d 神经网络控制器设计及试验研究。利用l a b e w 图形化的编程 模式实现p d 神经网络控制算法，建立控制器的仿真模型，利用阶跃信号和正弦 信号作为输入进行跟踪仿真，从控制器的响应速度和稳定性分析其性能。并对 l a b e w 设计的p d 神经网络数字控制器进行离心泵变压运行控制试验，采集时 间、流量、压力等数据进行分析，实现离心泵的变压稳定运行。 7 基于变参数控制的离心泵变压运行节能策略研究 第二章水泵变频运行控制模型的试验研究 2 1 变频运行机理分析 传统的阀门节流调节和水位变化是通过改变装置需求特性来调节水泵工况的 1 5 9 蚓，改变阀门开度会使装置需求特性曲线曲率发生改变，进而改变水泵的工况， 但净扬程不会发生改变，水泵的运行轨迹沿着扬程流量特性曲线日- 厂) 移动， 如图2 1 ( a ) 所示；水位变化时，装置需求特性曲线不会发生改变，但净扬程会 发生上下移动，也就是装置特性曲线的位置发生上下移动，其运行轨迹仍然沿着 水泵的扬程流量特性曲线h = 厂位夕移动，如图2 - 1 ( b ) 所示。 而水泵的变频运行是通过调节水泵特性来调节水泵工况，改变水泵转速会使 水泵特性按相似率向特性图的下方移动并与装置需求特性曲线相交，系统的装置 需求特性曲线的曲率和位置都不会发生改变，这时水泵的运行轨迹沿着系统装置 特性曲线移动，如图2 1 ( c ) 所示。 乱节流调节b 水位变化 c 变速调节 图二1 水泵调节运行机理 水泵变速调节通常可分为根据用户需求确定转速和根据水泵最高效率点确定 转速。根据用户需求确定转速，如图2 - 2 所示，在转速m 的( q 毋) l 曲线上，找 出与a l ( q l ，奶) 点工况相似的a 2 点，即相似工况抛物线法确定a 2 点。 根据比例律可知 每= 像1 ) h 2i q 2j 令 8 江苏大学硕士学位论文 娶= 娶：七 ( 2 2 ) 骈骈 则有 h = 尥2 ( 2 - 3 ) 式中扛常数。 式( 2 3 ) 表示通过坐标原点的抛物线簇方程，它由比例律推求得到，所以在 抛物线上各点具有相似的工况，此抛物线称为相似工况抛物线。如果水泵变速前 后的转速相差不大，则相似工况点对应的效率可以认为相等。因此，相似工况抛 物线又称为等效率曲线。 d q2q 1 q 图2 2 根据用户需要确定水泵转速 将a 2 点的坐标值( q 2 ，飓) 代入式( 2 3 ) ，可求出七值，相似工况抛物线h = 垃2 与转速为疗1 时的( q 日) 1 曲线相交于a 1 点，a l 点与a 2 点的工况相似。把a l 点和 a 2 点的坐标值代入比例律公式，可得 吃2 羞q 2 ( 2 4 ) 2 2 水泵系统的控制策略 国民生产生活的每一方面无不涉及到自动控制技术。控制理论作为其应用基 础，将计算机作为主要工具，攻克了一个又一个控制技术难关，包括国防科技中 需要高精度控制的难题，在社会发展和自动化发展中起着举足轻重的作用。 近年来，泵站自动化装备越来越完善，自动控制水平也越来越高。现代化的 9 基于变参数控制的离心泵变压运行节能策略研究 水泵系统从机组起动、监视运行、停机到多级水泵系统的调节、优化调度均可实 现自动控制，计算机技术及网络系统在水泵系统自动控制的应用同益广泛，管理 水平也在逐步提高。在水泵系统设计与运行管理方面，应该采取积极措施，最大 限度地提高水泵系统的效率，提高自动化控制水平。 同样，离心泵供水系统的节能运行优化中，控制系统性能的提高起着关键性 的作用。在供水系统的自动控制中，通常管网压力是主要的控制对象，而用户用 水量的变化是系统的扰动量，那么系统控制任务实际就是克服扰动量的影响，使 系统按照给定量所设定的规律运行瞄一。 控制系统按其结构可分为开环控制系统、闭环控制系统和复合控制系统，对 于供水系统的开环控制，如图2 3 所示： 一= t 吖砂 q 。两砂雁螽藉h 变频磊 _ f 泵泵玩石卜雁五i 蕞习 i ，_ j1 。，+ _ ji _ j 【_ j 图2 - 3 供水系统开环控制示意图 该系统的控制目标是通过调整变频器的输出频率，来改变电机的转速，从而 改变离心泵转速调节管网的压力使其保持不变。这是在明确需水规律的情况下， 按照用水工艺需求而设置的变频器输出规律，控制系统中没有流量或压力等的反 馈。从其结构框图可以看出，在这种开环控制中，只有输入量对输出量产生控制 作用，而没有输出量参与对系统的控制；当出现扰动时，如果没有人工干预，给 定量与输出量之间的对应关系将被改变，由于开环控制的这种特点，决定了它不 具备抗干扰的能力。因此，开环控制系统只能用于控制精度要求不高的场合。 对于当前的大多数工农业用水和生活用水，需水规律是不明确的，这时就必 须采用闭环控制系统。控制原理框图如图2 4 所示 + 图“闭环控制原理图 闭环控制系统是在开环控制基础上引入人工干预过程演变而来的。对于图2 5 所示的系统，如果要实现无论是否出现扰动，都能使管网中的压力或者流量保持 1 0 江苏大学硕士学位论文 恒定，则需要测量管网中的压力或者流量，将测量值与需求值相比较，再根据二 者之间的差值适当调整变频器的输出频率，从而调节水泵机组转速，进而调节管 网中的压力或流量来缩小乃至完全消除偏差，利用仪器直接执行这种测量反馈过 程，使系统输出量自动参与到系统的控制，这一过程就是系统的闭环控制过程。 闭环控制系统的结构特点决定了它对于干扰具有抑制能力。 闭环控制系统性能的优劣决定了系统运行的稳定性和实时性。当扰动量或给 定量发生变化时，被控量偏离了给定量而产生偏差，通过反馈控制作用，经过短 暂的过渡过程，被控量又趋近于或恢复到原来的稳态值，或按照新的给定量稳定 下来，这时系统从原来的平衡状态过渡到新的平衡状态，这个被控量变化状态的 过程称为暂态过程，被控量处于相对稳定的状态称为稳态。那么控制系统的性能 指标正是通过系统的稳定性、稳态性能和暂态性能来评价【鲫。如图2 - 5 所示 2 - 5 控制系统性能指标图 图中揣为超调量，知为峰值时间，毛为调节时间，细为稳态误差。 稳定性是指系统在动态过程中的振荡倾向和系统重新恢复平衡工作状态的能 力。如果系统受到扰动后偏离原来工作状态，控制装置不能恢复到原来状态，并 且偏离越来越远，那么这种不稳定系统不能满足控制要求。而在有可能达到平衡 的条件下，要求系统动态过程的振荡要小。快速性是就动态过程持续时间的长短 而言。如果过程持续时间很长，将使系统长时间出现较大的偏差，同时说明系统 响应迟钝，难以复现快速变化的指令信号，减弱了系统运行的时效性。准确性是 就系统过渡到新的平衡工作状态以后，或系统受到干扰重新恢复到平衡之后，最 基于变参数控制的离心泵变压运行节能策略研究 终保持的精确度而言，反映动态过程后期的性能。由于被控对象具体情况不同， 各种控制系统对各个性能指标的要求有所侧重。并且在同一个闭环控制系统中， 以上各性能指标之间往往存在着矛盾，必须兼顾各个性能之间的要求。 对于自动控制系统性能的指标要求，稳定性是其工作的首要条件。而对控制 系统性能影响的最重要因素就是控制器，因此，控制器的设计是控制系统性能提 高的关键问题。 2 3 模型辨识方法 2 3 1 模型辨识基本理论 控制器的设计离不开控制对象数学模型的建立，随着控制对象复杂性的提高， 控制理论的应用日益广泛。但是，它的实际应用不能脱离被控