（模式识别与智能系统专业论文）基于神经网络控制的变频恒压供水系统设计.pdf

。 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中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，也不包含为获得北京工业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做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盛啦日期：剑单中帼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：抖导师签名： 1 。 摘要 摘要 随着社会经济的迅速发展和世界能源的紧张，工业和城市居民对供水质量和 供水可靠性的要求不断提高，传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压 罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺 点，难以满足当前经济生活的需要。利用先进的自动化技术、控制技术，设计高 性能、高节能、能适应不同领域的供水系统成必然趋势。 本论文首先通过阅读国内外相关文献，总结了国内外变频恒压供水系统的发 展现状以及控制理论在变频恒压供水控制系统中的应用，通过分析变频供水系统 的基本特性和变频调速原理，阐述了水泵变频运行的节能原理，分析不同压力控 制点的影响，确定采用用户端恒压控制方式，提高供水可靠性。 其次本文分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出了控制方案。 变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传 感器、工控机以及控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动4 台电动机的起动、 运行与调速，其中两台大机和两台小机分别采用循环使用的方式运行。并对系统 的硬件和软件进行了设计。 最后，本文分析了针对变频恒压供水系统中控制对象数学模型难于精确建 立，系统具有非线性和时滞性的特点，以及多台水泵带电切换运行时所产生的过 电压过电流冲击的问题，提出了采用p i d 神经元网络控制策略，同时为了系统仿 真的需要建立了供水系统的近似模型。 p d 神经元网络控制器具有在线自学习、自组织能力，同时改善了传统神经 网络学习时间长、收敛速度慢的弱点，解决了传统的p i d 算法控制未知复杂系统 的不足，本文采用m a t l a b 软件仿真，分别对传统的p i d 控制、b p 神经网络整定 p i d 参数的控制、以及本所采用的p i d 神经元网络控制算法三种控制算法进行了 仿真比较，结果表明本文采用的p i d 神经元网络控制算法使得供水系统的恒压性 能和动态特性都有了明显的提高，控制效果比较理想。 关键词：神经网络；变频调速；p d 北京工业大学工学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n ds e r i o u s l yl a c ko fe n e r g y r e s o u r c e ，i td e m a n d st h eb e t t e rq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fw a t e rs u p p l ys y s t e m w i mt h e h e l po fa d v a n c et e c h n i q u e so fa u t o m a t i o n , c o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o n , i ti si n e v i t a b l e t e n d e n c yt od e s i g nw a t e rs u p p l ys y s t e mw h i c hh a sh i 曲f i m e t i o na n ds a v e se n e r g y w e l l a tt h es a m et i m et h i ss y s t e mc a na d a p td i f f e r e n tw a t e rs u p p l yf i e l d s f i r s t , t h i st h e s i ss u m m a r yc u r r e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n da p p l i c a t i o no fc o n t r o l t h e o r yi nw a t e rs u p p l ys y s t e mi nc h i n aa n da b r o a d , t h e na n a l y z e sc h a r a c t e r i s t i e so f w a t e rs u p p l ys y s t e mw i t hv a r i a b l e - f r e q u e n c ya n dp r i n c i p l eo ff r e q u e n c yc o n t r 0 1 i t e x p a t i a t e so ne n e r g yc o n s e r v a t i o nt h e o r yo ff r e q u e n c yc o n t r o l ，a n dt h e ni tt a k e su s e r s i d e 嬲p r e s s u r ec o n t r o lp o i n tb e c a u s et h es y s t e mi sm o r er e l i a b l eb yi t s e c o n d , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st l l e o r yo fv fc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ya n d c o n s t r u c t i o no ft h es y s t e ma n dp r o p o s e sc o n t r o ls c h e m e c o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r s u p p l yc o n t r o ls y s t e mo fv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o ni sc o m p o s e do fp l c ， t r a n s d u c e r , s e t so fp u m pm o t o r s ，p r e s s u r es e n s o r s ，i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ra n d c o n t r o lh o u s i n g , c t c t l l i ss y s t e mu s e so n et r a n s d u c e rt o p r o p e lf o u rm o t o r s a c c o m p l i s h i n gt h e i rs t a r t i n g ，r u n n i n ga n ds p e e dr e g u l a t i o n 1 1 始t w oh i g h e rm o t o r sa n d l o w e ro n e sa r er u n n i n gr e s p e c t i v e l yi na na l t e r n a t em o d e d e s i g n so fh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo ft h es y s t e ma r ea l s om a d ei nt h i sd i s s e r t a t i o n i nt h ee n d , t h i sa r t i c l ea n a l y s i so ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e mf o rf r e q u e n c yc o n v e r s i o n c o n s t a n tp r e s s u r ec o n t r o lt a r g e t sa c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e li sd i 街c u l tt oe s t a b l i s h ， w i t ha s y s t e mo ft i m e d e l a ya n dn o n - l i n e a rf e a t u r e s ，a sw e l l 弱m u l t i p l ep u m pn m s c h a r g e dt os w i t c ho v e r - v o l t a g eg e n e r a t e db yt h ei m p a c to fo v e r - c u r r e n t ，m a d e 眦o f n e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o ls t r a t e g y ，a tt h es a m et i m et h en e e d so ft h es i m u l a t i o n s y s t e mi no r d e rt oe s t a b l i s ham o d e ls i m i l a rt ot h ew a t e rs u p p l ys y s t e m p i dn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e rw i t ho n l i n es e l f - l e a r n i n g ，s e l f - o r g a n i z i n gc a p a c i t yt o i m p r o v ea tt h es a m et i m et h et r a d i t i o n a ln e u r a ln e t w o r kl e a r n i n gf o rai o n gt i m ea n d t h es l o wp a c eo fc o n v e r g e n c eo fv u l n e r a b i l i t y ，t h et r a d i t i o n a ls o l u t i o nt ot h ep i d c o n t r o la l g o r i t h mk n o w nl e s sc o m p l e xs y s t e m s ，u s i n gm a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e ， r e s p e c t i v e l y ，t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ，b pn e u r a ln e t w o r kt u n i n gp 口) c o n t r o l p a r a m e t e r s ，a sw e l l 硒t h eu s eo fn e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o la l g o r i t h mo ft h et h r e e e o n t r o la l g o r i t h mf o rt h es i m u l a t i o no fc o m p a r i s o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tu s i n gt h e n e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o la l g o r i t h ma l l o w sw a t e rt h ec o n s t a n tp r e s s u r es y s t e m p e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cc h a r a e t e r i s t i c s h a v e b e e n i m p r o v e d ， c o n t r o lm o r e s a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e y w o r d s ：n e u r a ln e t w o r k ；f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e dr e g u l a t i o n ；p i d 1 1 1 一 目录 目录 摘要“一”“”一“i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究意义l 1 2 国内外研究现状及分析1 1 2 1 变频恒压供水系统的国内外研究现状2 1 2 2 控制理论在变频恒压供水控制系统中的应用3 1 3 变频恒压供水系统特点及安全性讨论一5 1 4 本文研究主要内容6 第2 章变频供水系统的原理与实现7 2 1 变频调速技术应用j ”7 2 1 1 变频调速系统的理论7 2 1 2 变频调速技术的发展8 。 2 2 供水系统的原理1 2 2 2 1 供水系统的基本特性1 2 2 2 2 变频供水调速原理1 2 2 2 3 水泵变频调速运行特性及效能分析1 3 2 2 4 压力控制点的选择”1 5 2 3 变频恒压供水分析1 5 2 3 1 变频恒压供水的特点1 5 2 3 2 变频恒压供水的近似数学模型1 6 2 4 本章小结1 8 第3 章变频恒压供水系统的软硬件设计”1 9 3 1 供水系统的构成1 9 3 1 1 执行机构1 9 3 1 2 信号检测2 0 3 1 3 控制系统2 0 3 2 供水系统的控制流程”2 1 3 3 供水系统的硬件组成及其功能2 2 3 3 1p l c 及其扩展模块分析选择2 3 3 3 2 变频器的选择2 3 3 3 3 其他外围器件的选择2 5 3 3 4 系统的电路设计2 6 3 4 系统的软件设计2 8 3 4 1 p l c 的输入、输出2 8 3 4 2 p l c 的程序设计2 9 3 5 系统电磁兼容性3 2 3 6 本章小结3 3 第4 章变频恒压供水系统神经网络pid 控制器设计3 4 4 1 控制算法的选择3 4 4 1 1 传统控制理论的局限性3 4 4 1 2 神经网络控制系统的概况3 5 m 北京工业大学工学硕士学位论文 4 1 3 神经网络和p i d 控制相结合3 6 4 2p i d 神经元网络控制器的设计3 9 4 2 1p i d 神经元的结构和计算方法3 9 4 2 2p i d 神经网络控制器结构和算法4 2 4 3 p i d 神经元网络权重初选原则4 6 4 4 恒压供水控制系统建模与仿真4 7 4 4 1 恒压供水系统的近似模型”4 7 4 4 2p i d 控制算法4 8 4 4 3 基于b p 神经网络整定p i d 参数的控制算法4 9 4 4 4p i d 神经元网络控制算法5 2 4 5 本章小结5 3 结论? 5 5 参考文献5 7 附录- 6 2 攻读硕士学位期间所发表的学术论文6 5 致谢“”6 6 个人简历6 7 i v 第l 荦绪论 一la i 曩曹圈 第1 章绪论 ， ： 1 1 课题的研究意义 随着社会经济的迅速发展和世界能源的紧张，工业和城市居民对供水质量和 供水可靠性的要求不断提高。例如：在生产过程中，若自来水供水因故压力不足 或短时断水，会影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏；又如发生火灾时， 若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失或人员伤亡。 所以，在某些用水区域采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。 在传统的水泵控制方式下，靠调节出口或入口闸阀方式来进行，通过人为地 增加管网压力达到改变流量和压力的目的。因此在控制过程中，流程阻力损失相 应增加，而此时水泵的特性曲线不变，叶片转速不变，电机输入功率并无减少， 于是能量就白白地损失在调节过程中。传统的控制方式造成水泵长期处于高速、 满负荷状态下运行，因此维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大，影 响环境，急需改进。 据统计，泵类负载运行效率经常在5 0 7 0 n 1 。对于风机、水泵的节能改造， 综合对比几种不同的调速方式晗1 ，变频调速以其“优质、增产、降耗、节电 的 效果，得到大力推荐使用。且近年来，变频器价格的下降，水系统变流量节能控 制技术在工程( 特别是在一级泵系统中) 中得到了大量应用船1 ，得到了广大专业人 士的认同。 变频调速恒压供水系统由水泵、电机、变频器等多个环节所组成，整个系统 涉及较多的参数，其中部分参数难以准确测定，部分参数在系统运行过程中是变 化的晦1 。水泵工作特性具有很强的非线性，管路水头的变化以及电力负载及其特 性的变化等都将导致水泵运行工况点的改变，从而改变了系统参数。变频调速恒 压供水系统对水压的调节是建立在转速调节基础之上的，管网水压的变化相对于 转速改变有一个较长的滞后时间暗1 ，是一个典型的大时滞系统订1 。这些都使得控 制难度加大，常规的p i d 控制无法取得很好的控制效果。因此，如何针对系统的 控制难点，选择一种控制精度高，自适应程度高，鲁棒性较好的控制策略，同时 尽可能的实现节能，无论在学术上还是在实际的应用中都有很重大的意义。 近年来，随着计算机技术和人工智能的发展，先进控制技术、智能控制技术 得到了广泛的发展。智能控制技术不依赖于对象精确的数学模型，对参数不敏感， 鲁棒性强。先进控制技术，如s m i t h 预估控制等3 ，用于控制大纯滞后系统，也 取得了很好的控制效果。智能控制技术和先进控制技术的发展为恒压供水系统的 控制提供了一种有效的解决途径。 1 2 国内外研究现状及分析 北京t , l k 大学工学硕十学位论文 1 2 1 变频恒压供水系统的国内外研究现状i ； 第l 覃绪论 能够极大地改善管网的供水环境。供水系统可根据供水管网的用水情况，根据管 网瞬间压力变化，通过智能控制器，实时自动调节水泵电机的转速和多台水泵电 机的投入及退出，使管网主干出口端压力保持在恒定的压力设定值，有效地防止 水路管网喘振而出现管路爆裂现象。 1 2 2 控制理论在变频恒压供水控制系统中的应用 在发达国家，供水系统普遍采用的调节方式是按管网各节点的需求按时分配 水量哼1 ，即依照各分区的需水量来调节各分区管网入水的水压和流量n 训。这种系 统庞大复杂，一般采用集散控制等分散化、网络化、智能化的控制系统进行局部 调节、集中管理n 。整个系统有较强的控制能力和灵活性n 副。 恒压供水在我国发展于上世纪8 0 年代后期，变频恒压供水装置根据设定水压 来自动调节电机泵的转速和泵组的台数，从而满足用户对水量水压的需要。对于 循环冷却水压力的闭环控制，目前主要有如下几种控制方式： p i d 控制 p i d 控制算法简单并且实用，已成为标准算法n 钔。对于小型或用水量变化不 大的供水系统，p i d 控制是常用的控制方式n 划。一般的变频器均带有p i d 控制单 元，仅需将反馈量接入到变频器的反馈端子并设定好参数n 翻，即可投入使用。或 者利用p l c 内部的p i d 功能，通过p d 运算后输出控制变频器输出功率，来保证供 水压力的恒定。目前国内仍有较多的供水系统采用这种控制方式n 剖。 p i d 调节方式整定方便n ，但是供水系统是非线性系统，当用水量变化较大 时，系统的运行状态变化范围也较大，那么固定参数的p i d 控制是无法适应这种 变化的，因而控制品质将变差，甚至造成系统不稳定。 模糊控制 模糊控制是处理不确定对象的有效方法之一n 引。所谓模糊控制，就是将操作 者的经验总结成若干条规则，并依据人脑的模糊推理过程，确定推理法则，计算 机根据现场采集的信息，按照控制规则做出模糊控制决策，发出控制指令，以实 现模糊控制。对于参数变化无常的供水系统n 引，模糊控制能很好地体现它的优越 性。这种控制方式不需要知道对象的精确模型，是一种语言控制器，能够实现对 非线性、大滞后特性对象的控制啪2 ；对数学模型不清楚或参数时变的对象以及 常规p i d 算法控制效果不理想的场合，得到较好的应用划。在实际应用中，因 现场各种因素的影响，参数可能出现时变特性，因此，需要模糊控制规则具有自 调整能力，从而在模糊控制中引入自调整修正因子，在不同的偏差范围时，考虑 采用不同的加权因子，形成自调整修正因子模糊控制器乜射。 模糊控制突出的优点是对不同过程控制的适应性强妇副，具有很强的鲁棒性。 而且结构简单、易于实现汹1 。但是常规模糊控制的稳态响应不及p i d 控制，当出 现小偏差时，无法消除静差。 北京工业大学t 掌硕十学位论文 混合模糊- p i d 控制 单纯采用模糊控制的恒压供水系统的静态性能较差，主要因为，通常的模糊 控制器以误差和误差变化作为输入，具有相似于比例微分控制的作用，而缺少积 分环节的控制，导致了模糊控制的静态性能较差。在线性控制理论中，积分控制 的作用是消除静态误差，但动态响应慢；比例控制的作用是提高动态响应速度。 为此有学者乜7 1 将模糊控制与p i d 控制结合起来形成恒压供水的混合模糊p i d 控 制，以解决强化调节作用和暂态过程稳定性之间的矛盾。模糊p i d 控制是在大误 差范围内采用模糊控制以提高响应速度嘲；小误差范围内采用p i d 控制，引入 积分控制作用以消除静态误差，提高控制精度3 。或者将模糊控制和p i d 控制 实现串级控制嘧袖1 ，改善供水系统的静动态特性。 智能p i d 控制 常规p i d 控制器控制精度高，但鲁棒性差，对非线性、时变参数等系统难以 获得满意的控制效果。而模糊控制无需知道被控对象的精确数学模型，控制性能 鲁棒性强，但单一的模糊控制，由前面阐述可知，难以满足系统对控制精度的要 求。如果可以实现p i d 控制器的参数在线自调整，那么p i d 控制器就能更好的适 应控制系统的参数变化和工作条件变化。研究表明，模糊控制和p i d 控制的结合 是提高控制性能的有效手段m 1 。虽然模糊p i d 控制改善了静态性能，但因其控制 规则固定不变b 副，很难满足系统在不同状态下的要求，从而影响了控制效果。为 了有效地提高变频调速恒压供水系统的控制精度和鲁棒性，很多学者将模糊控制 和p i d 控制结合汹1 ，设计出参数自调整模糊p i d 控制器口 。 。 在p i d 调节器算法中采用参数自整定f u z z y p i d 的复合控制算法嘲1 ，即系统 控制算法中的p i d 参数、k z 、x d ) 采用模糊自适应p i d 控制算法硎，系统在没 有操作者干预的情况下根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，自动实现 参数的最佳调整，从而以优化方式改变控制的电压输出信号，使系统压力保持恒 定，实现系统自动调节。这种控制器结合了p i d 控制和模糊控制的优点，实现了 p i d 控制参数自调整，系统动、静态性能良好，更好的适应了系统的参数变化和 工作条件的变化。 神经网络控制 神经网络系统以人脑思维为参照，可以模拟人的思维活动，实现人工智能控 制。已经有学者1 采用人工神经网络系统取代以往的p i d 调节，使系统的恒压性 能、动态特性和节能效果提高。神经网络控制供水系统，通过安装在水泵出口处 的压力传感器输入端的给定压力和环境参数进行比较。在控制器中，人工神经网 络可自动根据现场的实际运行情况，实时地调节系统的各种参数，控制变频器的 输出频率，从而控制电机转速，调整管道中的水压。神经网络控制器参与整个调 节过程，充分发挥神经网络系统的自组织、自学习的功能。利用系统偏差对其进 第1 章绪论 行训练，由于神经网络具有的非线性映射能力，让网络通过学习，综合各种参数 进行调整，从而使系统工作在最佳状态，达到最佳节能效果。 总之，国内外恒压供水控制实现方法有多种。目前绝大部分的恒压供水系统 均采用水泵出口处恒压控制，虽然实现过程较为方便，但是不能保证供水可靠性。 同时对于大时滞、非线性对象，单单采用p i d 控制效果不是很理想，需要对其进 行改正。目前较多的采用模糊p i d 对其进行改进，但是模糊p i d 控制器的设计往 往基于工程整定方法整定出的初值，利用专家经验知识建立的模糊控制规则对 p i d 进行在线调整。整个控制器的设计调试过程复杂、烦琐，且性能不一定最佳， 主观性较强。所以本文试图在神经网络p i d 控制器的设计方面做些改进。 。 1 3 变频恒压供水系统特点及安全性讨论 变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合， 该系统在应用过程中具有以下特点： 滞后性：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。 非线性：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。 多变性：变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，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。 时变性：在变频调速恒压供水系统中，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 恒压供水系统的控制对象是时变的。 容错性：当出现意外的情况( 如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等) 时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力 等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程 序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。 可扩充性：水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯接 口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显 示和监控以及报表打印等。 节能性：系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水， 节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从o n 电机额定电流，减少 了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延 北京工业大学工学硕十学位论文 长了设备的使用寿命。 影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，所谓的水锤效应就是在极短 第2 章变频供水系统的原理与实现 第2 章变频供水系统的原理与实现 2 1 变频调速技术应用 2 1 1 变频调速系统的理论 变频调速技术是一种以改变电机供电电源频率和电压来达到电机调速目的 的技术。电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3 部分组成。电 气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态( 位置、速度、 加速度等) ，实现电能一机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。 电气传动分成不调速和调速两大类，调速分为电气调速和机械调速，电气调 速又分为交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着 电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电 能( 节约1 5 - 2 0 或更多) ，改善产品质量，提高产量。在我国6 0 的发电量 是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前 已有一定规模。 目前，无论哪种电气调速，都是通过电机来实现的。从大范围来分，电机有 直流电机和交流电机。过去的调速，多数用直流电机，直流电动机虽有调速性能 好的优越，但也有一些固有的难于克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。 其缺点是：维修工作量大，事故率高；容量、电压、电流和转速的上限值， 均受到换向条件的制约，在一些大容量、特大容量的调速领域中无法应用：使 用环境受限，特别是在易燃易爆场合难于应用。而交流电动机有一些固有的优点： 容量、电压、电流和转速的上限，不像直流电动机那样受限制；结构简单、 造价低；坚固耐用，事故率低，容易维护。它的最大缺点是调速困难，简单调 速方案的性能指标不佳。随着交流电动机调速的理论问题的突破和调速装置( 主 要是变频器) 性能的完善，交流电动机调速性能差的缺点已经得到了克服。目前， 由于变频调速技术的应用，交流调速系统的性能已经可以和直流调速系统相匹 敌，甚至可以超过直流系统。 交流电动机大多数调速方案的基本原理很早以前就已经确立了。在变频调速 技术出现以前，人们为了实现笼式交流电机调速，也做过长期不懈的努力，因而 就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串级调速、液力偶 合调速等交流调速方式。但这些交流调速方式都只能在针对某一用途，在一定的 条件下使用于特定场合。 从节能的角度，交流电动机的调速装置可以分为高效调速装置和低效调速装 置两大类。高效调速装置的特点是：调速时基本保持额定转差，不增加转差损耗， 或可以将转差功率回馈至电网。低效调速装置的特点是：调速时改变转差，增加 转差损耗。 北京工业大学t 学硕士学位论文 第2 章变频供水系统的原理与实现 ( d s p ) 和专用集成电路( a s i c ) 技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多 功能提供了硬件手段。在我国，6 0 的发电量是通过电动机消耗掉的，因此，如 何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界 人士的重视。我国电气传动产业始于1 9 5 4 年。当时，在机械工业部属下建立了 我国第一个电气传动成套公司，即现在的天津电气传动设计研究所的前身。现在， 我国约有2 0 0 家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开 发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。 随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频 调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资 企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工 程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国 内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设 备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。国内交流变频调速技术产业状 况表现如下：变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、 物力研究变频技术并开发新产品，但由于分散，所以并没有形成一定的技术和生 产规模。变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。相关配套产业 及行业落后。产品可靠性及工艺水平低。 到2 0 世纪8 0 年代，由于电力电子技术，微电子技术和信息技术的发展，才 出现了对交流电动机来说最好的变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步 取代其它交流电机调速方式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中枢。因而 说变频调速是时代的产物，只有在技术高度发展的今天才能实现。 ( 1 ) 变频调速技术的发展是电力电子技术发展的结果 主电路功率元件是变频调速技术发展最重要的物质基础，主电路功率元件技 术的迅猛发展，促使变频调速技术水平有了突破性的提高。没有功率元件技术的 发展，就没有今天的高水平变频调速技术。主电路功率元件，相当于信号电路中 的a d 采样，称之为功率采样，器件的工作过程就是能量过渡过程，其可靠性 决定了系统的可靠性。目前，根据可控程度，主电路功率元件分成四代产品： 第一代主电路功率元件一半控型器件 上世纪5 0 年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管问世，它标志着电力电 子技术的开端。此后，晶闸管( s c r ) 的派生器件越来越多，到了上世纪7 0 年代， 已派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件， 且功率越来越大，性能日益完善。但因晶闸管本身工作频率较低，一般低于 4 0 0 h z ，大大限制了它的应用。 第二代主电路功率元件一全控型器件 随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发 北京t 业大学t 学硕十学位论文 展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件能控制开通和关断， 大大捉高了开关控制的灵活性。自上世纪7 0 年代后期以来，可关断晶闸管( g t o ) 、 电力晶体管( g t r 或b j t ) 及其模块相继实用化。 第三代主电路功率元件一复合场控器件 上世纪8 0 年代末和9 0 年代初发展起来的功率半导体复合器件，以功率 m o s f e t 和i g b t 为代表，集高频、高压和大电流等特性于一身，它表明了传统 电力电子技术已进入现代电力电子时代。 第四代主电路功率元件一功率集成电路( p i c ) 进入2 1 世纪后，可以预期还会出现新的更高性能的主电路功率元件，已有 的各代电力电子元件还会不断得以改进和提高。此外，一个新的发展动向值得注 意，那就是大功率元件向集成化、智能化方向的发展；智能功率模块( 硼m 是向 第四代器件功率集成电路( p i c ) 发展的过渡产品。它是微电子技术与电力电子技 术相结合的产物。电路功率元件正进入以新型器件为主的新时代，作为电力电子 技术发展的决定性因素，电力电子器件的研发及关键技术突破，必然会促进电力 电子技术的迅速发展，进而促进变频调速技术的迅速发展。 如上所述，电力电子器件( 即通常所说的电力半导体器件) 种类繁多，发展 迅速，技术内涵相当丰富。在电气传动中，它主要用于开关工作状态。总体上， 可以从三个角度出发对其进行分类。如图2 1 所示的电力电子器件“树 。目前， 通用变频器中所用主开关器件基本上是b j t 和i g b t 。由于i g b t 性能优于b j t ， 而其电压、电流指标也已超过了b j t ，为此i g b t 正在取代b j t 成为一种应用前 景十分广阔的场控电力电子器件。使用i g b t 的通用变频器的单机容量已达 1 5 0 0 k w 。近年采，又推出了i g b t 的新系列，即智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e i p m ) 。很多变频器厂商开始推出小容量的采用p m 的通用变频器。 功 图2 1 电力电子器件组成 f i g 2 - 1c o m p o s i n go f e l e c t r o ne l e m e n t ( 2 ) 变频调速技术的发展是微电子技术发展的结果 微处理器技术的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向。变频调速控制 第2 章 变频供水系统的原理与实现 系统是快速系统，需要存储多种数据，并快速实时处理大量信息。最初的变频调 速控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，一些集成电路 甚至专用集成电路被大量引用。这些电路大多为模拟数字混合电路，它大大提高 了变频调速的可靠性和抗干扰能力，缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用。 变频器可以通过模拟量( 0 - - 5 v 、0 1 0 v 、4 - 2 0m a ) 接口、r s 4 8 5 、c a n b u s 等各种通讯接口和仪表、计算机、可编程序控制器、d c s 相接，通过总 线p r o f i b u s 、i n t e r b u s 通讯，具有远程控制的功能，容易对系统实现自动控制。 ( 3 ) 变频调速技术的发展是控制理论发展的结果 变频调速控制理论技术的进展主要体现在由标量控制向高功态性能的矢量 控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统 方面。 在变频调速系统出现的初期，其控制技术是采用电压频率协调控制( 即v f 为常数) 。此种控制技术有开环和闭环两种形式。采用开环时用于一般生产机械， 但静态和动态性能都不太理想，采用闭环则可改善系统性能。 今后相当一段时间内还会是将现有的各种理论加以结合，互相取长补短，或 都将其它学科的理论、方法引入电机控制，走交叉学科的道路。 实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁 场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；基于现代理论的控制策略，有滑模变 结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器， 在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制 思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自 诊断技术等。 开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1 ， 网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉 动。对中小容量变流器，提高开关频率的p w m 控制是有效的。对大容量变流器， 在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。 缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其 中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新 型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变( 如 水冷、蒸发冷却和热管) 对缩小装置的尺寸也很有效。 高速度的数字控制。以3 2 位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够 的能力实现各种控制算法，w i n d o w s 操作系统的引入使得可自由设计，图形编程 的控制技术也有很大的发展。 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种 c a d 软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。 北京1 = 业大学t 学硕士学位论文 2 2 供水系统原理 2 2 1 供水系统的基本特性 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不 变为前提，表明水泵在某一转速下扬程h 与流量q 之间的关系曲线厂( q ) ，如图2 - 2 所示。由图2 2 可以看出，流量硝大，扬程h 越小。由于在阀门开度和水泵转速 都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反 映的是扬程h 与用水量qu 之间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提， 表明阀门在某一开度下，扬程h 与流量q 之间的关系式h = 厂( q u ) 。管阻特性反 映了水泵的能量用于克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化 规律。由图2 2 可知，在同一阀门开度下，扬程h 越大、流量q 也越大。由于 阀门开度的改变，实际上是改变了