（检测技术与自动化装置专业论文）基于智能控制的生产生活供水系统设计.pdf

武汉理工大学硕十= 学位论文 摘要 本文利用微处理器来控制水泵转速，根掘转速与水流压力关系特点，结合 单片机技术设计了一种较为完善的智能控制的生产生活供水系统，讨论了基于 模糊控制技术的变频恒压供水方法，给出了设计方案、系统结构。 本文采用粗调节和细调节相结合的方式实现水泵的切换控制。如果某水泵 在最高转速下被驱动对( 相当于已达上艰频率5 0h z ) ，在大水量输出的情况下实 际管道压力仍小于给定压力，此时将自动切换为两泵并联运行，原泵改为由工 频电网直接供电，这种调节方式称为粗调节。粗调节共分3 档，即单泵运行、 两泵并联运行和三泵并联运行。在每种状态下，均保持一泵由变频器控制实现 水压的细调节。 本文的控制策略选择以压力偏差的大小作为自调整修正因子模糊控制与 p i d 控制的切换条件，在大误差范围内，采用自调整修正因子模糊控制，以提高 系统的动态响应速度，同时随误差的变化自动调整修正因子，从而增强系统的 自适应能力；在小误差范围内，采用p i d 控制，以消除静态误差，提高控制精 度。 本文采用p 8 9 v 5 1 r d 2 单片机作为系统的微处理器，负责进行智能控制算法 运算，数据采集，变频器控制信号输出，开关量输入输出等。压力信号通过压 力传感器，信号变送，a d 转换为数字量并进行运算。微处理器的运算结果转换 成模拟信号后送至变频器作为变频器的控制信号，进而改变交流电机的转速， 使水压恒定。 本文应用自调整修正因子模糊p i d 的控制算法进行了软件设计，最后对系 统进行仿真。对系统采用p i d 控制、自调整修正因子模糊控制和带一个修正因 子的模糊p i d 控制这三种控制方法的响应曲线进行了比较，在采用自调整修j 下 因子模糊p i d 控制这种方法时，系统的动态响应速度比采用其它两种种控制方 法时的动态响应速度快，且静态误差也小。系统具有明显的节能效果和稳定的 控制性能，具有广泛的推广价值。 关键词：恒压供水，变频器，模糊控制 i l 武汉理l ：人学硕 “位论文 a b s t r a c t t h et h e s i su s e sm i c r o p r o c e s s o r st oc o n t r o lt h ep u m ps p e e d ，a n da s s o c i a t i n gw i t h m i c r o p r o c e s s o rd e s i g n e sam o r es o p h i s t i c a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o lo ft h ep r o d u c t i o n | 。 l i v i n gw a t e rs u p p l ys y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ef l o ws p e e da n dp r e s s 唧ec h a r a c t e r i s t i c s r e l a t i o n s i ta l s od i s c u s s e st h em e t h o do fc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e mb a s c d o nf u z z yc o n t r o l ，a n ds h o wt h es y s t e ms t r u c t u r es y s t e ma n dd e s i g n i nt h et h e s i s 。iu s et h em e t h o do ft h er o u g ha n df i n ea d j u s t m e n tt oa c h i e v et h e s w i t c hc o n t r o lo ft h ep u m p i ft h ep u m pi sa tt h eh i g h e s ts p e e d ( a sw e l la st h e m a x i m u mf r e q u e n c yi s5 0h z ) ，t h ea c t u a lp i p e l i n ep r e s s u r ei ss t i l ll e s st h a nag i v e n p r a s s w ew h e nt h eo u t p u to fw a t e r i sl a r g e ，a tt h a tt i m et h ep a r a l l e lo p e r a t i o no ft h e t w op u m p sw i l lb es w i t c h e da u t o m a t i c a l l y n 圮o r i g i n a lp u m pi sr e p l a c e db yt h e f r e q u e n c yo fd i r e c tt r a n s m i s s i o ng r i 也a n di ti st h ea d j u s t m e n tm e t h o dt h a ti sc a l l e d r o u g ha d j u s t m e n t n er o u g ha d j u s t m e n th a st h r e es t a t e sl i k es i n g i ep u m pr u n n i n g ， t w op a r a l l e lp u m po p e r a t i o na n dt h r e ep a r a l l e lp u m po p e r a t i o n i ne a c hs t a t e ，t h e i n v e r t e ro n l yc o n t r o lo n ep u m p ，a n di ti st h ea d j u s t m e n tm e t h o dt h a ti sc a l l e df i n e a d j u s t m e n t i nt h et h e s i s 。t h ec o n t r o ls t r a t e g yi st h ea r ep r e s s u r ed e v i a t i o nf r o mt h es i z e a d j u s t m e n t sf a c t o rf u z z yc e n t r e la n dp i dc e n t r e lo ft h es w i t c hp i e c e s i ne r r o r , s i n c e t h ea d j u s t m e n t su s i n gf u z z y - c o n t r o ls y s t e mt oi m p r o v et h ed y n a m i cr e s p o n s es p e e d , m e a n w h i l ew i t ht h ec h a n g e sa u t o m a t i ce r r o rc o r r e c t i o nf a c t o ra d j u s t m e n t , t h e r e b y e n h a n c i n gt h ea d a p t i v ec a p a c i t y ；i nas m a l le r r o r , p dc o n t r 0 1 t oe l i m i n a t es t a t i ce r r o r a n di m p r o v ec o n t r o la c c u r a c y i nt h et h e s i s ic h o o s ep 8 9 v 5 1 r d 2m i c r o p r o c e s s o rt ob ei nc h a r g eo ft h e i n t e l l i g e n t c o n t r o la l g o r i t h m s ，d a t aa c q u i s i t i o n , i n v e r t e rc o n t r o ls i g n a lo u t p u t ， s w i t c h i n gi n p u ta n do u t p u t p r e s s u r es i g n a lt h r o u g ht h ep r e s s u r cs e n s o r , s i g n a l t r a n s m i s s i o n , c o n v e r s i o nt od i g i t a la n do p e r a t i o n s m i c r o p r o c e s s o ro p e r a t i o n a l r e s u l t sc o n v e r t et oa n a l o gs i g n a lc o n v e r t e ra n ds e n dt ot h et r a n s d u c e ra st h ec o n t r o l s i g n a l ，t h e nc h a n g et h es p e e do f a n a cm o t o ra n dc o n s t a n tp r a s s l l r e i nt h et h e s i s ，t h es y s t e mu s e ss e l f - a d j u s t m e n t sf a c t o rf u z z yp i dc o n t r o la n d s i m u l i n kt h es y s t e mi nt h ee n d c o m p a r ew i t ht h ep i dc o n t r o l ，t h es e l f - a d j u s t m e n t s f a c t o rf u z z yc o n t r o la n dac o r r e c t i o nf a c t o rf u z z yp i dc o n t r o l sr e s p o n s ec u r v e ，t h e s e l f - a d j u s t m e n t sf a c t o rf u z z yp i d c o n t r o l ss y s t e md y n a m i cr e s p o n s es p e e di sb e t t e r t h a nt h eo t h e r cm e t h o d st oc o n t r o lt h ed y n a m i cr e s p o n s es p e e da n dt h es t a t i ce r r o ri s s m a l l e r 1 1 1 es y s t e mh a ss i g n i f i c a n te n e r g y s a v i n ga n ds t a b l ec o n t r o lp e r f o r m a n c e w i t haw i d er a n g eo f p r o m o t i o n a lv a l u e k e yw o r d s ：c o n s t a n tp r e s s l 】r ew a t e rs u p p l y , v a r i a b l ef r e q u e n c yi n v e r t e r , f u z z y c e n t r e l 代汉理i 大学硕七学位论上 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文字特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：毽! 蓬婊日期：塞丑圭颦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：瑶垫黼师签名： 同期：趁星蚜 武汉理1 人学硕 学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题题目及来源 第1 章绪论 课题题目：基于智能控制的生产生活供水系统设计 课题来源：自选课题 1 1 2 课题研究的背景 在传统的城市生活用水供水系统中，主要的供水方式是拖动水泵的电机以恒 定转速运转，而供水需求的变化主要通过调节供水管道上的阀门来调节的供水 方式“。这种供水方式有浪费电能、浪费水资源等问题。在一天中的不同时间段， 生活用水的需求量变化比较大。在用水低峰时，电机仍然以和用水高峰时同样 的、恒定的转速运转，浪费了电能。在用水低峰时，管网压力较大，由于管道 泄漏、公厕用水等造成水资源浪费严重。用水高峰时，由于管道流量的增大， 有可能造成管网压力不足，而使得高层用户出现断水或水压不足的情况。 传统供水方式中，除了上述这种主要供水方式外，还存在水箱水塔供水、 气压供水等供水方式。1 。 水箱水塔供水是供水系统采用水箱或水塔，又称为重力供水。该方式供水 压力比较恒定，且有贮水。但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此， 需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶部。即使如此，在大型建筑物种还常常 不能满足最不利供水点的供水要求，且难于满足不断增长的供水需求。同时， 由于在建筑物顶部形成很大的负重，所以增加了结构面积，也妨碍了美观。 气压供水系统不用在建筑物顶部设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在地表 合适的位置设置压力罐即可实现对水管儿管网的加压。其优点是灵活性大、建 设快、不妨碍美观，且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求a 武汉理【大学硕士学 上论文 但缺点是需要压力罐，其体积大、投资大，又洲其压力变化快、运行效率低， 因此电能消耗大，运行费用高。 随着科学技术的进步，工业生产和人民生活i f 趋向于高标准、高质量和现代 化。在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、浊库、锅炉定压供水 和恒压补水、喷淋及消防等供水系统中，由于高层建筑越来越高，如果采用传 统的水塔、高位水箱、气压增压设备，不但占地面积和设备投资大、维护维修 困难，且不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大流量的快速供水需求。 另外，在现代供水需求中，供水量是随机变化的，如果采用传统供水方式，难 以保证供水的实时性，且能量浪费严重。随着交流电机变频调速技术的日臻完 善，变频调速恒压供水方式可以很好地克服传统供水方法的缺点，成为一种很 有发展嚣途的供水方式”1 。 1 1 3 课题研究的目的及意义 随着自动化控制领域中信息技术( 网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式 系统技术、现场总线技术、数据库技术等) 发展和应用，以及用户对先进的控制 功能与管理功能需求的增加，使得目前大部分生产生活供水以恒压供水为主。 且主流的控卷4 方式是p l c 加变频器【5 1 1 6 1 。 用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。 而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则 压力低：用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水 之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的 质量。 恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过 程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使 产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能 迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供 水系统，具有较大的经济和社会意义。 随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智 能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电 流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转 速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的 2 武汉理1 ：人学硕p 学位论文 水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功 能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。 1 2 国内外恒压供水技术的研究现状与发展趋势 1 2 1 国外研究现状 生产生活供水是工厂生产，人们生活所不可或缺的。现阶段用于生产生活 供水的主要有三种形式： ( 1 ) 带p i d 回路调节器和威可编程序控制器( p l c ) 的控制方式 在该方式中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机 的无级调速，从而使管网水压可控。传感器的任务是检测管网水压；压力设定 单元为系统提供满足用户需要的水压期望值；压力设定信号和压力反馈信号输 入可编程控制器后，经可编程控制器内部p i d 控制程序的计算，输给变频器一 个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入p i d 回 路调节器，由后者进行运算后，输给变频器一个转速控制信掣7 】i 引。 由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或p i d 回路调节器给出的， 所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口【9 】。 由于带模拟量输入，输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水 设备的成本。若采用带有模拟量输入，数字量输出的可编程控制器，则要在可编 程控制器的数字量输出口端另接一块p w m 调制板，将可编程控制器输出的数字 量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和 附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入输出的可编程 控制器和一个p i d 回路调节器i 钟，其成本也和带模拟量输入输出的可编程控制 器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，p i d 控制信号的产生和输出 就成为降低给水设备成本的一个关键环节o 】。 ( 2 ) 新型变频调速供水设备 针对传统的变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 i 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 l s p i l 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 武汉理i ：人学硕l ：学位论文 进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。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链的要求和对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【1 2 ) 【1 3 】，所以使水压的调节十 分平滑、稳定。同时，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，同时还町对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、 方便。这类变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【1 4 】【”】。 ( 3 ) 供水专用变频器 供水专用变频器是将普通变频器和p l c 控制器集成在一起，是集供水管控 一体化的系统，内置供水专用p i d 调节器，只需加一只压力传感器，即可方便 地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的p i d 调节器输入口，而压力设定既可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器 以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。也 可设定指定只供水压力。面板可以直接显示压力反馈值( m p a ) ”“。 1 2 2 恒压供水技术的发展趋势 ( 1 )与楼宇自动化相结合 楼字自动化系统是利用计算机及其网络技术、自动控制技术和通信技术构 建的高度自动化的综合管理和控制系统，将大楼内部各种设备连接到一个控制 网络上，通过网络对其进行综合的控制，这些设备包括空调、照明设备、电梯、 消防供水设备、安防设备等等。它确保建筑物内的舒适和安全的办公环境，同 时实现高效节能的要求。 ( 2 ) 与网络化控制结合 以太网作为局域网组网的主要技术，以其简单、价廉、商带宽、维护方便 以及不断发展等优点一直在局域网领域中牢牢占据着统治地位。现在以太网不 但由局域网向着接入网和城域网领域发展，同时开始进入工业控制和楼宇自控 领域。 ( 3 ) 使用智能控制 使用模糊控制m 。所谓模糊控制，就是在被控制对象的模糊模型的基础上， 4 武汉理 大学硕士学化论文 运片| 模糊控制器近似推理手段，实现系统控制的一种方法模糊模型是用模糊语 言和规则描述的一个系统的动态特性及性能指标0 8 1 ”】。 1 3 论文的主要研究内容 本文利用微处理器来控制水泵转速，根据转速与水流压力关系特点，结合 单片机技术设计一种较为完善的智能控制的生产生活供水系统，讨论了基于模 糊控制技术的变频恒压供水方法，给出了设计方案、系统结构。详细地描述了 的工作原理、主电路设计、操作电路设计、微机控制系统等硬件电路的设计， 并应用自调整修正因子模糊p i d 的控制算法进行了软件设计，最后对系统仿真 调试研究，得出了试验结果并进行了分析。 论文研究的主要内容： ( 1 ) 水泵变频调速原理及控制策略： ( 2 )自调整修正因子模糊p i d 控制变频恒压供水的仿真研究； ( 3 )自调整修正因子模糊p i d 在变频恒压供水过程中的应用。 武汉理i ：人学硕 学位论文 第2 章方案设计与系统构建 2 1 供水系统的工艺流程 供水系统的工艺流程如图2 1 所示，通过一级水泵将江水抽到陆地水厂消毒 净化。在药池加矾等化学品净化。沉淀池用作化学反应后将产生的沉淀物沉 淀下来。过滤池将沉淀物过滤掉。清水池存放过滤掉杂质后的清水。二级水泵 将清水提升到水塔中。水塔为生产生活用水提供净化水。加氯间通入氯气消毒。 纯水池存放消毒过了的纯水，供用户使用。三级水泵抽水给用户使用。小区用 户在不同的时间段会有不同的用水量要求，但是水流最不容易到达的最不利点 水压要保持不变，系统采用恒压供水方式。因此，生产生活供水主要解决的问 题就是如何保持压力为最不利点的水压不变。 图2 - 1 生产生活供水流程图 2 2 水泵运行工况分析以及水泵调速节能原理 2 2 1 水泵运行工况分析 水泵的基本性能通常用水泵的扬程麒m ) 、水网用户要求的用水量q ( m 锄) 、 电机转速( 巾忧) 、水泵轴功- 率p ( k 叻、有效功率p 效假聊、效率刁( ) 和吸上真 6 武汉理i ：人学硕 学位论文 空高度凤沏) 六个参数表示 水泉在恒定转速下日、n 、r l 、1 4 , 等性能参数随q 变化而变化的关系曲线，称 为水泵的基本性能曲线。水泵的性能曲线反映了水泵各参数之间的关系和变化 规律，这对于水泵的合理造型及调节运行工况，使之能长期的运行在高效范围 内都有着十分重要的作用。单台离心泵的特性曲线件弧q ) ，如图2 2 所示。 h f r a ) o a o a t r a j h ) 图2 2 离心泵的特性曲线仔项圆 水泵的辟砜q ) 特性曲线方程可以近似表示为： h = h 一只q 2 ( 2 一1 ) 式中，f l 、最分别是虚扬程及虚阻耗系数，h 是水泵扬程，q 是水网用户要 求的用水量。 管理特性曲线方程为： h = + d q 2 ( 2 - 2 ) 式中， 乙是静扬程，d 是管理系统阻力系数。 方程( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 联立得到水泵的供水量为： q = ( 以一h 。) “一d ) ( 2 - 3 ) 当水泵安装在管理系统中工作时，水泵所抽送的流量等于管理所通过的流 量，水泵所提供的扬程正是管理所需要的扬程，水泵的特性曲线与管道的特性 武汉理i = 大学硕十7 位论文 曲线的交点即为水泵的1 j 作点，如图4 2 的a 点。 运行在a 点时，水泵的有效功率p 效为： p 效= p p q h 1 0 2 ( k w )( 2 - 4 ) 式中，q 是流量( m 3 h ) ，魁黾水泵的扬程( m ) ，p 是液体密度( k g 3 ) 水泵的轴功率p 为： p = 臌，7 = 纠叼日1 0 2 r ( k )( 2 - 5 ) 其中，7 是水泵的功率。 通常供水系统采用不等容量水泵并联分时工作的供水方式。并联后，泵组 的总性能曲线用横加法给出，即把同一h 值的q 值加起来。水泵并联运行是为了 调节流量，流量既灵活又能达到节能的目的【州 2 1 1 。 2 2 2 水泵变频调速原理 异步电动机定子三相对称绕空间相隔1 2 0 度，当通以三相对称电流时，产生 旋转磁场，旋转磁场的转速，即同步转速为： 啊= 6 0 f p ( r r a i n ) ( 2 - 6 ) 异步电动机的转差率为： s = ( 啊一弗) 一 ( 2 7 ) n = t ( 1 一j ) = 6 0 f ( 1 一s ) p ( 2 - s ) 式中， 是定子绕组电源频率，p 是磁场极对数，3 是转差率，啊是同步转 速( r m i n ) ，n 是异步电动机转速( r m i n ) 。 因此，改变电源频率，就可以改变电动机的转速。从而可以调节水泵的 转速，这就是水泵变频调速的基本原理【2 2 1 。 改变水泵的转速可以改变水泵的性能，达到调节工作点的目的。并且满 足相似定律： q q 2 = n l n 2 8 武汉理i ：人学硕十：学位论文 l h 2 = ( n l n 2 ) 2 p , 1 8 = ( 月，) 3 ( 2 9 ) 式中是q l 、q 、p 。是转速为n 。时的流量、扬程、功率，q 、哎、p ：是转速 为n ：时的流量、扬程，功率。 2 2 3 水泵调速运行节能原理 图2 3 表示单台水泵的运行工况。图中曲线r 。、r ：分别为不同阀门开度的管 道特性，h 、h ：为不同转速的水泵运行特性、假设水泵运行在工作点a ，流量 为q i ，若要减少供水量，把流量由q l 调节到q ，可以采用两种方法达到。 ( 1 ) 减少阀门开度，此时管道特性从r 移动到足，工作点从a 移到b ，流量变 为q 2 ； ( 2 ) 降低水泵转速，此时水泵特性从h 。移动h ：，工作点从a 移动到c ，流量 变为q 2 。 h 秘 枷 c 仍a q 图2 3 水泵调速运行节能原理 由图可知，转速调节比阀门开度调节所消耗的功率少，所节省的功率为： a = 心一c = q 2 ( h 。一心) 1 0 2 r = q 2 a h 1 0 2 ( k w ) ( 2 - l o ) 分析可知，调速调节流量有显著的节能效果。在实际中，采用阀门调节时， 流量减少，扬程反而增加，这样造成水压的增加而引起了能量的浪费，符合理 9 武汉理1 人学硕士学位论文 论分析的结论。 调速调节应注意以下两点： ( 1 ) 水泵调速有一定的范围，最大转速不能超过额定转速的5 ，否则会引起 过载，并且会使水泵的某些零件破坏；最低转速不能低于额定转速的5 0 ，否 则水泵的效率太低，很不经济。通常，调速范围控制在额定转速的7 0 1 0 0 之 间。 ( 2 ) 调速装置的特性应尽可能符合水泵的负载特性，否则得不到良好的控制 效果。 2 2 4 水泵组运行的控制策略 水泵组运行的控制策略实际上是一个二级泵站的优化调度问题，目标就是 实现恒定水压的控制，在达到稳定、高质供水的基础上降低能耗和供水成本。 水压和流量调节有三种方法：不同台数水泵并联组合调节、阀门开度调节、 水泵变速调节。不同台数水泵并联组合调节一般选用不等容量的恒速泵进行优 化组合，只能实现有级调节，而且级差大，通常作为大范围的粗调。阀门开度 调节比较简单，但效率低，因为大量的能量都消耗在阀门的水头损失上。水泵 变速调节控制复杂，设备费用高，但节能效果显著，可连续调节，根据以上情 况，目前普遍采用的是“不同台数水泵并联组合调节十水泵变速调节”方式，不 同台数水泵并联组合调节起到分段粗调的作用，变速调节在段内实现连续调节， 段的划分原则是调速范围在额定转速的7 0 1 0 0 之间。当实际管道压力小于给 定压力时，变频器输出频率升高，电机转速加快，管道压力升高；反之，变频 器频率降低，电机转速减小，管道压力降低，如此多次调整，直到偏差值为零。 这样实际压力围绕设定压力值上下波动。保持供水压力恒压。如果该泵在最高 转速下被驱动时( 相当于已达上限频率5 08 z ) ，在大水量输出的情况下实际管道 压力仍小于给定压力，此时将自动切换为两泵并联运行，原泵改为由电网直接 供电，另一泵则由变频调速方式供电以实现输出水量波动时使水压恒定。另外 在并联运行时，如果变频调速驱动泵在最低转速状态下( 相当于己达下限频率2 5 h z ) 实际管道压力仍大于给定压力，系统将自动返回到单泵变频调速运行，这种 调节方式称为粗调节。租调节共分3 档，即单泵运行、两泵并联运行和三泵并联 运行。在每种状态下，均保持一泵由变频电源驱动实现水压的细调节。在单泵 运行或两泵并联运行状态下，根掘先丌先停的原则，只要任一泵连续运行超过 0 武汉理_ 大学硕十学位论文 2 4h - 控制器将控制咳泵停机轮休，以延长杂组的使用寿命，同时另一台水泵投 入运行。 两台恒速泵群l 和拌2 ，以及一台调速泵拌3 ，三者并联组合的运行曲线如图2 - 4 所示。在运行中根据要求调节流量的大小有三种组合方式，即( 躬) 、钟3 + 拌i ) 、 ( 撑3 + 撑2 w 1 ) 。这三种组合方式对应于图中l 、2 、3 三个工作区域，三个工作区域 对应的流量调节范围分别为o q 1 、q 1 q 2 ，q 2 q 3 。工作点a 表示一台调 速泵运行且转速达到额定转速，此时保持水压在h l 时所提供的最大流量为o l ； 工作点b 表示一台恒速泵和一台调速泵并联投入运行，且调速泵达到额定转速， 此时保持水压在h l 时所提供的最大流量为q 2 ；工作点c 表示两台恒速泵和一 台调速泵并联投入运行，且调速泵达到额定转速，此时保持水压在h l 时所提供 的最大流量为q 3 。当流量超过q 3 时，将无法调节使水压保持在h 1 值。 图2 _ 4 水泵组运行工况分析 控制策略的另一个问题是水压采样点的选取，方法有三种： ( 1 ) 出水母管压力恒定； ( 2 ) 管网末端压力恒定； ( 3 ) 管网多点压力恒定。 方法( 1 ) 控制比较简单，不需要压力采样信号的远距离传输，适合于管路较 短、管道阻力较小、流量变化范围不大的场合； 方法( 2 ) 是保持管网末端水压恒定，即保证最不利的用水点水压恒定，它比 方法( 1 ) 节能，也是合理的供水方式； 方法( 3 ) 是前两种方法的折中方案，也称为出口水压恒压变量控制方式，即 在整个流量范围内分段设定恒压给定值，根据段内的流量变化范围，可计算出 平均的出口水压设定值，段分得越细，精确度越高。 武汉理j 人。硕 ：学位论文 管网j l i 力平衡疗程式可以写成： 4 = h m 。七h 。+ h f q 1 1 、 式中，巩是闭环时水泵总扬程，即出水母管压力，是静扬程，其为常数 日c 是管网末端的水压，t - b 是管网阻力损失，i - 6 = 理，龌管网阻力系数。 式( 2 - 11 ) 亦可写成为如下形式： h c = h r h 扩d 谚 q - 1 若采用出水母管压力恒定控制方式，即以，恒定，当流量减少时，会引起管 网末端水压不必要的上升，造成能量的浪费。 若采用管网末端压力恒定控制方式，可以通过调节正保持皿恒定，不会 造成能量浪费，但是管网末端离水厂远，压力信号需要远距离传输，设备维护 困难。 本设计采用了出水母管压力恒定控制方式。 2 3 控制系统方案设计 2 3 1 基于p l c 控制方案 基于p l c 控制系统图如图2 - 5 所示。 图2 5 基于p l c 控制系统图 ( 1 ) 带p i d 回路调节器和，或可编程序控制器( p l c ) 的控制方式 带p i d 的p l c 供水系统结构框图如图2 6 所示，在该方式中，变频器的作用是 为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的无级调速，从而使管网水压可控。 传感器的任务是检测管网水压；压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压 期望值；压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器 内部p 1 d 控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压 武汉理1 人学硕七学位论文 力设定信号和压力反馈信号送入p i d u j 路调节器，由后者进行运算后，输给变频 器个转速控制信号。 由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或p i d 回路调节器给出 的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接 口。由于带模拟量输入输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了 供水设备的成本。若采用带有模拟量输入数字量输出的可编程控制器，则要在 可编程控制器的数字量输出口端另接一块p w m 调制板，将可编程控制器输出的 数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连 线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入输出的可 编程控制器和一个p i d 回路调节器，其成本也和带模拟量输入输出的可编程控制 器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，p i d 控制信号的产生和输出 就成为降低给水设备成本的一个关键环节。 图2 6 带p i d 的p l c 供水系统结构框图 ( 2 ) 新型变频调速供水设备 带p i d 的新型变频器供水系统结构框图如图2 7 所示，针对传统的变频调供水 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 i 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。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，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。这类变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 武汉理工大学硕t 。 位论文 i ：艺要求的情况下应优先采用。 图2 7 带p i d 的新型变频器供水系统结构框图 ( 3 ) 供水专用变频器 供水专用变频器供水系统结构框图如图2 8 所示。供水专用变频器是将普通 变频器和p l c 控制器集成在一起，是集供水管控一体化的系统，内置供水专用p i d 调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。传感器 反馈的水压信号直接送入变频器自带的p i d 调节器输入口，而压力设定既可使用 变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入，每日可设定多 段压力运行，以适应供水压力的需要。也可设定指定同供水压力。面板可以直 接显示压力反馈值( m p a ) 。 图2 8 供水专用变频器供水系统结构框图 2 3 2 基于微处理器的智能控制方案 智能控制系统图如图2 - 9 所示。 图2 - 9 智能控制系统图 1 4 武汉理 ：人0 颂 ：学位论文 智能控制器的结构设计框图如图2 1 0 所示。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 键盘显十 存储嚣 d a 一 _ _ 一 加 信畸放大 信号放大 变颤器 压力传寡 善 l + j 图2 1 0 智能控制器的结构设计框图 本文拟采用方案二进行设计。 2 4 系统结构设计 2 4 1 自调整修正因子模糊p i d 控制恒压供水系统原理 水泵电机 管同 自调整修正因子模糊控制具有良好的动态性能，能够随着误差e 的变化修改 控制规则，有一定的自适应能力。但不具有p i d 控制的良好的静态性能。因此， 把p i d 控制引入自调整修正因子模糊控制中，构成自调整修正因子模糊p i d 控 制器。将这种控制器用在供水系统中，构成自调整修正因子模糊控制p i d 恒压 供水系统，其控制原理框图如图2 - l l 所示。 图2 1 l自调整修正因子模糊p i d 控制恒定供水系统的控制原理图 控制策略选择是根据供水系统水压误差的大小，判断是采用自调整修正因 子模糊控制，还是采用p i d 控制。控制策略选择的基木原则是：以水压误差的 大小作为选择的条件，在大误差范围内，采用自调整修正因子模糊控制，以提 高动态响应速度，增强自适应能力；在小误差范围内，采用p i d 控制，以消除 静态误差，提高控制精度。同时，为了防止控制切换过于频繁，在误差的切换 武汉理一1 人。学硕士学位论文 点，系统规定控制策略不作切换，维持上一次动作。 控制策略选择的具体情况如下： ( 1 )以误差e 的大小作为自调整修正因子模糊控制与p i d 控制的切换条 件，l e i = e o 为切换点： ( 2 ) 在大误差范围内，b p i e i e o ，采用自调整修正因子模糊控制，以提高 系统的动态响应速度，同时随误差的变化自动调整修正因子，从而增强系统的 自适应能力： ( 3 ) 在误差切换点，r p l e i = e o ，以及系统允许的误差范围内，8 p i e i e z 系统 保持上一次的状态； ( 4 ) 在小误差范围内，即e z i e i e o ，采用p i d 控制，以消除静态误差， 提高控制精度。 自调整修正因子模糊p i d 控制器的实际输出为： 一毛 i e p e o 甜o v ie 卜e o 或ie | 也( 2 - 1 3 ) k e e ( n ) + k , e ( i ) + k d e ( n ) - e ( n - 1 ) 易qe l e o 式中a = ( - o c o ) xl e i n + c o ，o 【 伍 伍s l 且定义e 、e c 、u 的论域为e = e c = u = - n ，一l ，0 ，l ，n ，i e i = e o 为 控制切换点，i e i ：! e z 为系统误差指标，u o 为系统上一次的动作，l ( 3 为控制量 比例系数，妞为比例系数，l ( i 为积分系数，k d 为微分系数，c ( i ) 为第i 此采样误 差。 单片机定时采样管网水压，求出水压误差值，根据误差值的大小，按照自 调整修正因子模糊p i d 控制器的控制策略选择原则，选择相应的控制策略，求 出控制量，从而控制水泵的转速或者水泵的台数，这样就完成了对水压的一次 控制算法，然后等待第二次采样，进行第二次控制。如此循环下去，直到水压 差值达到允许范围之内。而其中的参数，如采样周期、量化因子、比例因子、 修j 下因子中的变量、比例积分微分系数应在模拟调试中求得，然后根据系统的 现场调试情况进行合理的选择。 2 4 2 自调整修正因子模糊p i d 控制恒压供水系统组成 供水系统的结构框图如图2 1 2 所示。系统通过压力传感器将电气控制部分 和泵组联系起来，形成压力反馈闭环控制系统。整个系统根据水压值以及管网 6 武汉理工大学硕t 学位论文 水压的情况按照自调整修证因子模糊p i d 控制算法n 动控制水泵的转速以及工 频泉的投入与切出，达到恒压的目的。值班人员j l 需在控制室通过控制台对水 压、流量、电流以及水泵运行情况进行监视记录，同时系统也设置手动工作方 式。 在p 8 9 v 5 1 r d 2 单片机嘲实现的模糊控制变频调速恒压供水系统的设计中， 站在用户的立场上，综合考虑了系统的可靠性、易维护性、价格等因素，整个 系统的设计包括硬件和软件两个部分。 系统以p 8 9 v 5 1 r d 2 单片机作为整个系统的控制核心，应用其强大的接口功 能。p 8 9 v 5 1 r d 2 单片机的主要工作是采样管网水压并与设定值进行比较，然后 根据压差大小采用自调整修正因子模糊p i d 控制算法，控制调速泵的运行频率， 输出工频泵投切信号。 用户 图2 一1 2 模糊控制的变频调速恒压供水系统结构框图 系统采用变频器拖动一台调速泵工作，通过选择合适的v f 曲线，转矩补偿 曲线以及设定加减时间，使泵能够平稳的起停，并根据给定的转速信号进行调 整，调速泵在一定的转速范围内工作，在保证管网压力恒定的同时，变频器可 根据管网压力和流量变化自动或手动切换到某一机组中的任何一台泵组上工 作，以便提高调速泵的运行效率，减少工频泵的投切次数。 系统配有水位变送器，监视清水池的水位变化，可以发出上限、下限报警 信号。同时，为确保同一台水泵不能同时运行在变频2 1 2 频状态，变频运行的机 组在电气上设有互锁电路。为了使泵能够平稳的起每