基于PLC的文丘里管变频调压控制系统的研究

摘要

文丘里管因其装置简单、耐用且具有良好的空化稳流性能而被广泛应用于石化、电力和核工业等领域。国产核电专用文丘里管因造价昂贵、制造技术水平有限，很难达到其精度要求，且在要求较高的核电级文丘里管的设计及应用方面，缺少成熟的理论和试验验证。文丘里管空化稳流性能检测的过程一般是通过控制其入口压力，把得到的数据拟合成流量特性曲线，然后对其进行分析比对。但核电用文丘里管入口压力高达22MPa，对于高压工况的压力调节比较困难，很难得到精准的文丘里管流量特性曲线。针对以上问题，本文设计了基于PLC的文丘里管变频调压控制系统。　　本文通过控制试验管路入口压力按照设定的速度匀速上升，达到近似线性升压；由于水泵与管网之间存在非线性的关系，需要分析压力变化速率与管阻、频率之间关系，从而达到匀速调压的目的。本文以变频恒压原理为基础对变频调压控制系统的结构组成、线性升压原理、模糊PID控制算法展开了研究；以可编程逻辑控制器(PLC)为核心控制器，利用TIAportal编程软件完成了变频调压控制系统程序的编写，并在控制系统软硬件研究的基础上建立了系统监控界面。该系统将模糊控制与常规PID结合组成模糊PID控制算法，通过建立的数学模型与仿真模型验证其对压力变化速率的跟踪效果。通过试验采集的数据拟合出文丘里管的流量特性曲线，可以更好地检测文丘里管的空化稳流性能。　　通过仿真将模糊PID应用于变频调压控制系统，可以结合模糊控制算法与PID算法两种算法的优势，动态调节变频器的输出频率，能够很好地适应非线性、时变、惯性的压力控制系统，增强了系统的鲁棒性，减小了系统的稳态误差，最终实现对不同的压力变化速率曲线的跟踪。该研究成果对于文丘里管在相关领域的设计与应用提供一定的理论依据，具有较大的理论参考价值和实际工程意义。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 课题意义

1.2 文丘里管试验平台的研究现状

1.3 变频恒压技术的发展现状

1.4 控制理论在变频恒压控制系统中的理论应用概况

1.4.1 PID控制

1.4.2 模糊控制

1.4.3 模糊PID控制

1.5 研究内容

2变频恒压控制系统原理

2.1 调压控制系统工况点的选择

2.1.1 水泵的主要参数

2.1.2 扬程特性与管阻特性

2.2 变频调速控制系统工作原理

2.3 水泵调速运行的节能原理

2.4 影响水压稳定性的相关因素

2.4.1 水锤现象

2.4.2 水锤效应消除的办法

2.5 本章小结

3 变频调压控制系统的设计

3.1 文丘里管试验台架结构设计与要求

3.1.1 试验台架系统图

3.1.2 试验台架目标要求

3.2 变频调压的工作原理

3.2.1 变频恒压控制的工作原理

3.2.2 匀速调压的工作原理

3.2.3阶段稳压模型

3.3 变频调压控制系统数学模型的建立

3.3.1 变频器的传递函数

3.3.2 异步电动机的传递函数

3.3.3 传感器与管网的传递函数

3.4 文丘里管仿真过程

3.4.1 数值计算的步骤

3.4.2 获得文丘里管曲线的步骤

3.5 变频调压控制系统的控制过程分析

3.6 本章小结

4变频调压控制系统的智能化设计

4.1 模糊控制

4.2 PID控制

4.3 模糊PID控制器设计

4.4.1 常规PID控制器仿真

4.4.2 模糊PID控制系统结构设计

4.4.3 不同压力速率的仿真波形分析

4.4.4 系统整体仿真波形图分析

4.4.5 试验结果分析

4.5 本章小结

5变频调压控制系统软硬件设计

5.1系统框图

5.2.1 控制器的选型与特点

5.2.2 PLC的I/O点数分配

5.2.3 系统相关程序框图

5.3 系统主要设备硬件选型

5.3.1 变频器选型

5.3.2 水泵的选型

5.3.3 压力变送器的选型

5.4 变频调压控制系统电路的设计

5.4.1 主电路设计

5.4.2 控制电路设计

5.5 上位机监控系统设计与实现

5.5.1 变频调压控制系统的监控要求

5.5.2 监控系统的组成

5.5.3 监控系统界面

5.5.4 程序仿真与验证

5.6本章小结

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

作者简历

致谢

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