看一看：基于模糊控制的泵类电机节能装置的研究

摘 要：本文对泵类负载电动机的节能技术展开研究，在软、硬件上分别采取模糊PID控制理论和双闭环控制策略，通过对电机转速的控制，减小泵出口节流酿成的能耗，以实现节能的目的，提高企业的经济效益。

前言 水泵是通用的机械设备，它的年耗电量约占全国发电量的31%[5]，实际运行中的不均匀负荷占70%[5]。由于水泵带负荷启动对电动机转矩要求较高，因此常常要求电动机有较大的安全余量，结果导致其容量配置过大，造成大马拉小车的现象。另外，从电力供应和电能使用角度来说，研究电动机的节能问题有侧重要意义。针对现在各种水压调理系统的不足，本文提出了1种新的关于泵类负载电动机节能问题的设计方案，使用高可靠性的可编程逻辑控制器（PLC），对调速系统进行自动化控制。在系统硬件的设计上，采取恒流恒压控制模块和PLC控制技术对硬件电路进行优化;在软件设计上，提出了双闭环综合控制、转速内环双模糊控制算法、水压外环模糊PID控制算法，提高了系统的控制精度和可靠性。 1. 硬件设计方案 针对目前各种水压调理系统的不足，本次设计采取了双闭环控制电路，分别是转速闭环和水压控制闭环。其中设置水泵转速控制为内环，转速反馈信号取自于异步电动机机械连接的光电编码器，设置水压控制为外环，出水压力信号取自水泵出水口处压力传感器的输出信号。 本设计的主要控制器件选取以下： 可编程逻辑控制器（PLC）：已广泛用于工业生产中，它以极短的扫描周期，丰富的性能，极大地提高了生产效率。并且具有很强的联网和监控功能。本系统选用了OMRONcx⑷00系列。 晶闸管智能控制模块：高度集成了晶闸管主电路和移相控制电路，具有电力调控功能。另为还具有过热、过流、缺相等保护功能。 光电编码器：它实现了对转速的高精度采样。 1.1 转速闭环设计 转速闭环如图1所示，由光电编码器对转速进行采样，得到反馈信号en , en与给定信号e0进行比较得到控制信号e,通过AD/DA转换模块输入到PLC的输入侧，PLC通过1定的控制算法，根据负载的大小自动调理电机的输入电压，使定子功率因cosφ始终保持在较高值，从而提高电动机的效率，到达节能的目的。 1.2 水压控制闭环设计 水泵是1种减转矩负载，随着转速的降落，负载转矩与转速的平方成比例地减小。设水泵当电机转速为n时流量为Q，杨程为H，轴功率为P，需要时将电机转速调至n2，则这时候候的流量变成Q2，扬程变成H2，轴功率变成P2基本农田征收补偿标准，由物理学知识可知：水泵轴功率P与转速n的立方成正比，即：;杨程H与转速n的平方成正比，即：;流量Q与转速n成正比，即：。 明显征用方夜间强拆违法吗，采取转速调理时，若要求流量Q由1减为1/2，只需使转速由1降为1/2即可，而轴功率P则由1减为（1/2）3，即节俭7/8的电功率，因此，基于转速控制以下降水泵的运行速度，进行系统控制，可以大幅度降落电动机轴功率消耗，节能效果非常显著。 另外，当出水口的水压受外部干扰时，水泵的转速越高，出水口的水压对水泵转速的变化率越小，即水泵高速运行时转速的变化对水压的影响越小。因此对水压自动调理系统来说，为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，本次设计采取水压外环的闭环设计。 水压控制闭环如图1所示，通过压力传感器对对朱水泵的出口压力信号进行采样，即输出实际水压值P，PLC将泵出口压力值P与其内部设定的压力值进行比较，得到偏差信号，再通过模糊PID算法输出控制信号，并将此控制信号传递给实行器，通过实行器来调理3相自耦变压器的抽头以改变电机定子真个输入电压，从而电机的转速和注水泵的转速也随之改变，泵的出口压力改变，再经过压力传感器反馈给PLC，从而到达水压P的在线调解。 2. 软件设计方案 实际中被控系统具有非线性、时变性、时滞性，且由于噪声、负载扰动等因数的干扰，难以建立精确的数学模型或引发对象数学模型的改变，造成控制精度达不到要求。模糊PID算法正是避免了对象的数学模型建立，就能够到达快速、高精度的控制效果。实验中证实，对被控量大起大落的情况需要模糊PID算法，它能使被控量在线实时调解到高精度，从而起到快速调理的作用。 2.1 转速闭环软件设计 由于水泵在运行中波动较大，特别是启动进程，这就要求使用模糊算法。为了不复杂的计算与实验，本设计提出了1种双模糊控制算法。 将偏差E，偏差变化率EC和控制量U的论域都取为： E=EC=U=｛⑶，⑵，⑴，0，1，2，3｝ 双模糊控制算法在本实验系统中有着良好的控制效果。它具有非常短的过度进程，转速只有±3‰的偏差，并且PLC的运算周期短，对PLC的性能要求要低很多高速路占地补偿一亩多少钱，这在实际中会节省1大部分硬件投资。这在实际中也是最需要的简单、快速和高精度的控制算法。 2.2 水压控制闭环设计 为了提高控制精度，加快系统的响应能力，水压外环采取模糊控制PID控制策略，根据模糊推理和模糊逻辑运算规则去修改各种控制参数。具体实现以下: 根据水压检测值和实际值的偏差，包括正偏差和负偏差，根据偏差的大小化分为负大、负中、负较小、负小、零、正小、正较小、正中、正大9个模糊子集。1样根据转速大小将转速分为6个模糊子集。再分别以水压偏差和转速大小为行和列构成模糊控制量表。 其中，U（n）PID控制器的控制量输出;e（n）系统给定值与采样值之偏差 比例因子;T采样周期; 积分时间常数; 间常数:△差分算子。 所以1共有3张模糊量控制表，分别对 、 和 进行控制。 模糊推理规则以下: （1）当水压偏差较大（正大和负大）时，取 为 ，使得积分环节 失效，加快系统响应速度; （2）当水压偏差相当小（零）的时候，使调理器输出为零: （3）当水压偏差较小时， 取小些，反之取大些，这样可以兼顾系统的消息态性能，同时考虑当前转速，速度较大， 取大些，以加快系统响应速度。 （4）PID积分的作用在于消除静态误差，但它具有滞后特性，因此，当水压偏差较大时， 取大些，减小积分作用，而且综合考虑电机的转速，转速低时 取小些，增强积分作用。 （5）PID微分的作用在于加快系统响应，减小超调量，增强系统稳定性，但不利于抑制外界干扰。因此水压偏差大时适当提高 ，增强微分作用。1样在转速高时提高 有益于系统性能的改进。 3. 结束语 基于模糊控制的泵类负载电动机节能装置对负载变化小，调速范围较小的系统有非常好的适用性等特点，非常适用于高压水泵风机类负载，特别是配置为绕线式异步电机系统。推行和使用该系统，是1种具有特点的较好的节能项目，社会效益和经济效益将非常巨大。 参考文献： [1] 邹龙庆，常玉连，杨超.对油田注水系统节能降耗的研究[J].石油计划设计，2002,13（1）:22⑵4 [2] 阎平凡，张长水.人工神经网络与模拟进化计算[M].北京：清华大学出版社，2000. [3] 章卫国,杨向忠.模糊控制理论与利用[M] 西安：西北工业大学出版社，2000. [4] 顾绳谷.电机及拖动基础[M]. 北京:机械工业出版社, 1997,第2版. [5] 赵振喜.不均匀负荷电动机晶闸管调压装置的研究[D].2005. [6] 张东亮.基于改进的模糊神经学习算法的模糊规则优化[J].

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