泵类负载电动机水压双闭环控制方案研究8.doc

1、1 1欲 得 到 本 设 计 全 部 说 明 书 联 系QQ229780692唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目：泵类负载电动机水压双闭环控制方案研究系 别： 机电系 班 级： 10 级机电一体化 姓 名： 指 导 教 师： 2012 年 11 月 3 日题 目 泵类负载电动机水压双闭环控制方案研究专 业 机 电 一 体 化 班 级 2010 级 学 生 姓 名承 担 指 导 任 务 单 位 导 师 姓 名 导 师 职 称高 级工 程师一、毕业设计内容介绍了泵类负载电动机水压双闭环控制系统设计。根据供水系统的现状，对常用的几种节能方案进行了比较，提出了串级调速的节能方案，分析了串级调速的原理

2、，系统的调速特性，确定了微机水压转速双闭环控制的方案。二、基本要求1.完成泵类负载电动机水压转速双闭环总体方案设计；2.完成微机水压转速双闭环控制的系统结构设计、水压外环闭环模糊 PID 控制设计、转速内环闭环自适应 PID 控制设计、电流单闭环 PI 控制设计；3. 水泵串级调速系统(主电路)硬件选型设计，控制系统的软件编程设计；三、设计组成：说明书 22 页四、应收集的资料及参考文献：1刘 竞 成 主 编 交 流 调 速 系 统 上 海 交 通 大 学 出 版 社 1987. 52林 启 华 泵 与 风 机 的 变 速 节 能 水 利 水 电 出 版 社 1986. 53苏 彦 民 、 李

3、 宏 交 流 调 速 系 统 的 控 制 策 略 机 械 工 业 出 版 社 1998. 64杨 兴 瑶 编 著 电 动 机 调 速 的 原 理 与 系 统 水 利 电 力 出 版 社5陈 伯 时 主 编 电 力 拖 动 自 动 控 制 系 统 第 二 版 机 械 工 业 出 版 社6工 程 建 设 标 准 规 范 分 类 汇 编 电 气 设 计 规 范 中 国 建 设 工 业 出 版 社7符 曦 编 著 系 统 最 优 化 及 控 制 机 械 工 业 出 版 社8常 健 生 主 编 检 测 与 转 换 技 术 机 械 工 业 出 版 社9陈 伯 时 主 编 电 力 拖 动 自 动 控 制 系

4、 统 第 二 版 机 械 工 业 出 版 社10陈 际 达 著 线 性 控 制 系 统 中 南 工 业 大 学 出 版 社五、进度计划：2012 年 9 月 2 日：进行毕业设计指导，组织学员选择设计题目。2012 年 9 月 2 日10 日：审定学员毕业设计大纲，发放毕业设计任务书。2012 年 9 月 11 日17 日：审查学员毕业设计开题报告，开始撰写毕业设计。2012 年 9 月 18 日10 月 6 日：学员组织材料，撰写初稿。2012 年 10 月 7 日14 日：审查初稿，指导学员修改论文。2012 年 10 月 15 日20 日：进行二次论文修改指导、定稿。2012 年 10

5、月 21 日25 日：审订论文格式，告知打印一式两份。2012 年 10 月 26 日11 月 3 日：最终定稿，告知准备论文答辩。教研组主任签字 时 间 年 月 日唐山学院毕业设计开题报告题 目 泵类负载电动机水压双闭环控制方案研究专 业 机电一体化 班级 2010 级 学生姓名一、文献综述1. 电动机的节能必要我国的电动机用电量占全国发电量的 7080，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的 1/3。造成这种状况的主要原因是：由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大。风机水泵类负载是典型的变转距负载，即

6、风量与转速成正比，转距或风压与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比，故在低速运行时，负载转距非常小。通常风机水泵类负载多是根据满负荷工作需用量来选型，实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态，当采用电机直接方式，由于转速无法调节，常用挡风板、阀门来调节风量或流量，这样不仅造成能源的浪费而且由于过大的启动电流造成电网冲击和设备的震动和水锤现象。2. 微机水压转速双闭环控制系统的总体设计根据掌握的调查情况，针对现在各种水压调节系统的不足，对装置进行了系统的整体设计，使用高可靠性的工业级智能微机控制系统，在进行调速时对功率因数进行有效的控制。在硬件和软件设计上，强调系统的可靠性、抗干扰能力及检测和

7、控制精度。在系统硬件的设计上，采用驱动电路模块化设计技术和利用计算机辅助技术对硬件电路进行优化;在软件设计上，提出了大双环综合控制、转速大内环控制参数自适应 PID 算法、电流内环单神经元 PI 控制、水压大外环模糊 PID 控制算法，逆变器的不对称控制改善功率因数算法，提高了系统的控制精度和可靠性。（1）水泵串级调速系统(主电路)组成为提高静态调速精度和动态特性，采用反馈控制方式。由于本系统需对速度进行调节达到控制水泵出水压力的目的，可以按水泵转速和出口管道水压力实行双闭环控制。设置水泵转速控制为内环，转速反馈信号取自与异步电动机机械联接的测速发电机。设置水压控制为外环，出水压力信号取自水泵

8、出水口处压力传感器的输出信号。1）控制器硬件该控制器主要由 16 位工业用单片机、存储器与 I/0 接口、电量测量、温度检测、执行机构、键盘/显示器、通讯模块等电路组成。单片机:控制器采用高性能价格比的 16 位工业用单片机。它具有高效指令系统。八通道十位 A/D，脉宽调制 PWM (D/A )，高速输入/ 输出(HIS/HSO)，监视定时器 WDT 和四个软件定时器 ST 等特点。单片机是整个控制器的核心。协调各个功能模块，保证整个装置的正常运行。存储器与 I/0 接口:控制器扩展了一片 EPROM27128 用于存放程序和表格，一片 8255 增加并行口，还有一片 PROM 用于存放数据。

9、一片“看门狗”芯片，提2E高系统的可靠性。系统参数测量电路:包括电流、电压、水压、温度等的检测回路，电信号经整定直接送入单片机的 A/D 通道口。交流频率信号经整形变成方波信号后，送入HSI，由单片机倍频，获得高精度的频率检测和功率因数值。执行机构:由单片机给出执行信号，经过光电隔离、功率放大等电路控制触发回路，从而控制主回路中晶闸管模块的工作。键盘/显示:用于参数的整定和显示数据的切换。显示器采用宽温型点阵液晶显示器，用于运行数据的显示。（ 2） 控 制 系 统 的 软 件 设 计为了便于程序开发、运行、维护和管理，软件系统采用模块化方式设计。程序主要包括系统初始化、装置自检、系统设定、通讯

10、检测、高精度信号采样、数值处理和计算以及智能控制运算等功能模块组成。系统初始化系统初始化包括:CPU 内部寄存器、堆栈的初始化，高速输入输出口、定时器的初始化，系统 RAM 区的初始化，外围各个芯片的初始化，以及出口继电器驱动信号复归等。系统自检系统自检包括:程序存储区 EPROM 自检，系统 RAM 区自检，通讯 RAM 区自检，EZPROM 定值区自检，和出口继电器驱动回路自检等。如果自检时发现故障，装置面板上的液晶屏将给出系统提示，指明故障位置，CPU 停机，等待系统故障排除后的再次启动。系统设定系统设定包括系统控制器名称、地址、水压给定值、电机的特征参数、电流电压变化、温度安全区、电压

11、电流安全区、通讯协议等一系列定值的设定。系统采样系统采样主要包括高精度水压、速度、电流电压、温度和频度采样等。控制器利用微处理器自身的高速输入口，用一个高频计数器对输入波形的上升沿计数，通过倍频技术，提高采样精度，使分辨率达到了 104 赫兹，准确计算系统的转速功率因数。温度则通过温度传感器 AD590 直接检测。数值处理和计算数值处理包括数据的软件滤波、线性处理和数据的存取控制等。数值计算主要包括根据转速的计算、相位差角计算功率因数，温度的非线性补偿，以及有功功率、无功功率和其它参数的计算及处理。3.本 设 计 的 特 点本 设 计 方 案 简 洁 、 明 亮 、 大 方 ， 在 满 足 使

12、 用 要 求 前 提 下 尽 量 选 择 合 理 、 合 适 的 材料 、 设 计 方 法 ， 以 期 待 减 小 企 业 购 买 以 及 使 用 过 程 中 的 成 本 ， 达 到 较 佳 的 经 济 效 益 。谈 到 经 济 效 益 ， 即 有 设 计 和 制 造 的 经 济 效 益 ， 也 有 使 用 中 的 经 济 效 益 。 如 果 结 构 方案 比 较 复 杂 ， 那 设 计 及 制 造 费 用 就 高 ， 但 使 用 中 的 费 用 就 偏 低 。 如 果 结 构 方 案 简 单 ，则 设 计 及 制 造 中 的 费 用 低 ， 而 使 用 中 的 费 用 偏 高 。唐山学院毕业

13、设计评语及成绩学 生 姓 名 专 业 机电一体化 班 级 2010 级 学 号毕 业 设 计 题 目 泵类负载电动机水压双闭环控制方案研究指 导 教 师 姓 名 指 导 教 师 职 称 高 级 工 程师指 导 教 师 评 语 ：论 文 设 计 方 案 合 理 、 简 洁 ， 在 满 足 使 用 的 前 提 下 ， 从 材 料 选 择 ， 到 设 计 方法 ， 处 处 体 现 了 节 约 节 约 、 降 低 成 本 ， 降 低 消 耗 的 设 计 理 念 ， 为 企 业 提 高了 经 济 效 益 。专 家 评 语 ：签 字 ：年 月 日答 辩 小 组 意 见 ：答 辩 小 组 组 长 签 字 ：

14、年 月 日成 绩 ：院 长 （ 主 任 ） 签 字 ：年 月 日目录8 8目 录摘要 .11 绪论 .21.1 电动机的节能必要 21.2 泵类负载节能调速的现状与发展 .21.3 水泵性能及调速原理 32 串级调速系统的原理及特性 .42.1 串级调速系统的工作原理 42.2 串级调速系统的特性 63 微机水压转速双闭环控制系统的研究 .73.1 对水泵调速系统的技术要求 73.2 微机水压转速双闭环控制系统的总体设计 73.3 微机水压转速双闭环控制的系统结构 .73.4 微机水压转速双闭环控制的动态结构 .84 微机水压转速双闭环控制系统的控制策略 .114.1 水压外环闭环模糊 PID

15、 控制 .114.2 转速内环闭环自适应 PID 控制 .124.3 电流单闭环 PI 控制 145 微机水压转速双闭环控制系统的原理及组成 165.1 水泵串级调速系统(主电路 )组成 .165.2 微机水压转速双闭环控制系统的研制 .165.3 控制器硬件构成 .175.4 控制系统的软件设计 .185.5 微机水压转速双闭环控制系统实施注意事项及其主要性能指标 .196 小结 .206.1 微机水压转速双闭环控制系统关键技术 .206.2 微机水压转速双闭环控制系统的推广意义 .20致谢 .21参考文献 .21摘要1 1摘要根据供水系统的现状，对常用的几种节能方案进行了比较，提出了串级调

16、速的节能方案，分析了串级调速的原理，系统的调速特性，确定了微机水压转速双闭环控制的方案。论文详细地论述了微机水压转速双闭环控制系统的组成与原理。在系统硬件的设计上，采用驱动电路模块化设计技术和计算机辅助技术对硬件电路进行优化;在软件设计上，采用参数自适应 PID 算法、水压外环模糊 PID 控制算法、电流单神经元 PI 控制，提高了系统的控制精度和稳定性;主回路采用差相控制的方法对逆变器进行不对称控制，改善了系统的功率因数。以某水厂为例，安装微机水压转速双闭环控制系统后，通过一年半实际运行，系统运行稳定，控制精度高，抗干扰能力强，节能效果显著。因而，该系统的推广应用可创造很好的经济和社会效益。关键词: 节能 串级调速 微机水压转速双闭环控制系统唐 山 学 院 毕 业 设 计2