高效变频恒压供水系统研制与应用

摘要

在水资源和电能逐渐紧缺的时代，“节水节能”已成为建设可持续发展社会的重要主题，长期以来在市政供水，高层建筑供水，工厂生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。因供水不足，造成城市不能正常生活、生产、甚至火灾的经济损失每年达2300亿元。因此，一个稳定可靠、高效节能、舒适用水的供水系统研制具有重要意义。本课题对高效变频恒压供水系统调速机理和控制机理进行了理论和试验研究，对变频控制技术进行了提升，本文的主要工作和成果如下:
　　本文首先基于变调速理论和交流异步电动机原理，根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理。对各种交流异步电动机的调速方式的特性进行了比较分析，结合相关文献中的试验数据验证了变频调速的合理性与可靠性，在此基础上对变频器最重要的负载参数进行了计算并进行了校核。其次，基于PID控制理论，建立变频恒压供水的理论模型及数学模型。探讨变频恒压供水系统的控制策略，并归纳实用性的控制方案，结果表明:通用变频器+PLC+人机界面+压力传感器组合是合理的控制方案。然后，阐述了系统的各个组成部分及其作用。根据选用的方案，对变频恒压控制程序图、压力恒定控制程序图、电机增减控制程序图进行了设计，应用S7-200软件对PLC进行了编程，主要有主程序、子程序、中断程序。接着，基于Fuzzy-PID理论，对模糊控制自适应PID进行了设计，建立了模糊规则表、隶属函数，运用MATLAB软件对模糊模糊控制自适应PID模型进行了仿真，得出了阶跃响应曲线，及KP、KI、KD自调整等曲线，仿真结论:系统调节时间短，迅速地达到稳定，超调量比一般的PID控制要小，虽有动态超调存在，但很小。最后，在完成的样机供水系统中运行该系统，记录试验数据，试验结果表:水泵消耗的功率与其转速的三次方成正比，节能效果明显;恒压供水的压力能稳定在设定范围周围，达到预期目标;通过实践验证了变频调速与PID控制结合组成闭环控制系统在生产实践中的可行性与先进性。
　　本文的研究成果为国内制造更高效稳定的变频恒压供水系统提供了基础，可用于指导变频恒压供水系统的设计，具有重要的理论意义和工程应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 变频恒压供水的背景与意义

1．2 变频器的概述

1．2．1 变频调速的发展

1．2．2 使用变频器的目的及效果

1．3 自动控制系统的概述

1．4 国内外研究现状及主要问题

1．4．1 变频器研究现状

1．4．2 模糊控制的研究现状

1．4．3 主要问题

1．5 课题来源及主要研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 主要研究内容

第2章 变频理论基础研究与选型

2．1 交流异步电动机的原理与特性

2．1．1 交流异步电动机的原理

2．1．2 交流异步电动机调速特性

2．2 变频调速节能原理

2．3 变频器的分类

2．3．1 “交—交”变频器

2．3．2 “交—直—交”变频器

2．4 通用变频器的选型

2．4．1 变频器选型

2．4．2 变频器的校核

2．4．3 变频其它参数的确定

2．5 本章小结

第3章 变频恒压供水系统的方案设计

3．1 控制系统的原理

3．2 变频恒压系统方案设计

3．2．1 变频恒压系统方案的构成设计

3．2．2 变频恒压供水系统的组成

3．2．3 变频恒压供水系统的性能特点

3．3 变频恒压供水系统的数学模型

3．4 软件设计

3．4．1 变频恒压供水系统的控制程序图

3．4．2 压力恒定控制程序图

3．4．3 电机增减控制程序图

3．5 基于S7-200 PLC编程

3．5．1 接线图

3．5．2 编制程序

3．6 本章小结

第4章 模糊控制的PID控制器设计

4．1 PID控制器原理

4．2 PID控制算法

4．2．1 PID控制理想算法

4．2．2 离散PID控制算法

4．3 基于MATLAB模糊自适应PID的仿真

4．3．1 参数自整定的一般方法

4．3．2 模糊PID参数自整定控制设计

4．3．3 整定原则

4．3．4 变量隶属函数的确定

4．3．5 建立控制规则表

4．3．6 其他

4．4 MATLAB系统仿真

4．5 PID仿真结果及分析

第5章 高效变频恒压供水系统的试验研究

5．1 试验概述

5．2 试验装置和试验方法

5．2．1 试验装置

5．2．3 试验方法

5．3 有关理论的验证

5．3．1 变频调速节能的验证

5．3．2 压力恒定情况分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

符号说明

参考文献

附录1

附录2

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果