毕业设计(论文)-交流变频恒压供水控制器的设计.doc
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1、潍坊学院本科毕业设计(论文)目 录摘要IVABSTRACTV第一章 前言1.1交流变频恒压供水控制器的研究背景及意义1.1.1课题提出的背景和意义1.1.2交流变频技术的发展1.2变频调速在恒压供水中的应用1.3恒压供水器的基本组成1.4 本文的主要工作第二章 变频调速技术概况2.1 变频调试技术的原理2.2 了解国内外交流变频调速系统技术发展情况2.3 变频器的控制方式2.4 变频节能调速理论2.5 变频调速系统的效率分析2.5.1 变频器的效率与损耗2.5.2 变频调速后电动机效率的变化2.5.3 变频器的PID组成部分2.6 变频器的基本组成第三章 基于AT89C51的变频恒压供水控制器
2、的总体设计3.1 控制系统的工作原理3.2 系统的控制原理3.3 控制器的硬件系统设计3.3.1 硬件总体说明3.3.2 系统的显示部分3.3.3按键接口电路的设计3.3.4 MC1413集成电路3.3.5 EEPROM93C46在供水控制器中的应用3.3.6 定时复位电路3.3.7 锁存电路3.3.8 数模(D/A)和模数(A/D)转换电路3.4软件系统设计3.4.1独立按键程序设计3.4.2 显示子程序3.4.3系统的主程序流程图3.5 系统抗干扰措施3.5.1 硬件抗干扰技术3.5.2 软件抗干扰技术3.6 变频恒压供水控制器的性能特点第五章 结束语参考文献附录致 谢交流变频恒压供水控制
3、器的设计摘要近年来,随着城市居民区的不断扩建与改造,楼房层数的不断加高,我国居民用水难的问题越来越突出,原有的自来水管网的压力出现了不足,用水困难给生活带来极大不便。为解决上述问题,本文研制了交流变频恒压供水控制器。该控制器是以AT89C51为核心,并与变频器、压力传感器等器件有机结合起来,构成了变频恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定参数,通过控制变频器的输出频率来自动调节水泵电机的转速,并根据用水量的大小由单片机控制水泵数量及变频器对水泵的调速,实现管网水压的闭环调节,即恒压供水。针对供水系统难以为被控对象确定精确的数学模型、水压精度要求不太高的特征,本文提出的是一种基于模糊PID的恒压
4、供水控制方案。并利用MATLAB对其模型进行仿真,仿真结果说明了将模糊控制与PID控制相结合时,系统响应曲线没有超调,系统的建立时间比较短,抗干扰能力强,是一种鲁棒性很强的控制器。此外, 为了方便远程监控,我们还选用了北京亚控公司推出的组态软件Kingview6.00,来进行变频恒压供水控制器实验装置上位机监控系统的软件组态工作。基于King view开发环境下的工程组态,界面友好、易于操作,图形形象丰富.能以动画的形式实时显示现场设备的运行状态。综上所述 ,交流变频调速恒压供水是现代化城市和生活小区供水的发展方向。采用单片机控制的变频供水系统具有实现容易、价格低廉等特点,是较理想的控制器。关
5、键词:恒压供水系统 交流变频VVVF CONSANT-PRESSURE WATER-SUPPLY CONTROLLERABSTRACTIn recent years, with the continuously building and rebuilding of residential areas, the problem of our inhabitants using water is more and more serious, the old tap waters pressure appears deficient, the difficulty of using water br
6、ing the big inconvenience to the inhabitants daily life. In order to solve the above problem, this paper introduces a new style of VVVF constant-pressure water-supply controller. It can be used in water supply for daily life and use in case of fire and other case. The frequency-conversion pumps use
7、cycling soft-starting and timing cutting. The software adopts the dynamic digital filter skills. It has completed protective functions.In the light of that the excise mathematical model of water supply system is difficult to find and no more request for the control precision, this paper put forwards
8、 a fuzzy-PID design for water supply under constant pressure. And also simulate the system with MATLAB, the simulation result shows that this compound control system has more significant robustness. Moreover, the configuration monitor software- -king view is also introduced. The data acquisition and
9、 control scheme are analyzed.Sum up the above, the VVVF constant-pressure water supply controller is the development direction of modernization city and communitys water supply, and it has the characteristics such as stable working, easily realizing and low price etc. So it is more perfect controlle
10、r.KEY WORDS: Water supply system under constant pressure, Fuzzy self-tuning PID King view 第一章 前言1.1交流变频恒压供水控制器的研究背景及意义1.1.1课题提出的背景和意义近年来,随着居民区的不断扩建与改造,楼房层数的不断加高,我国居民用水难问题越来越突出,特别是高层建筑居民,原有的自来水管网的压力出现不足,大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水,高层居民经常出现用水难问题,给生活带来极大不便,这种用水难问题在大城市表现尤为突出。针对上述问题,本文研制了变频调速恒压供水控制器,该控制器是以管网水压
11、为设定参数,通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速,实现管网水压的闭环调节(PIU),使供水系统自动恒稳于设定的压力值。即用水量增加时,频率升高,水泵转速加快,供水量相应增大,当用水量超过一台泵的供水量时,通过控制器加泵:用水量减少时,频率降低,水泵转速减慢,供水量相应减小。也就是根据用水量的大小,由供水控制器控制水泵数量以及变频器对水泵的调速,来实现恒压供水。同时达到供水效率的目的“用多少水,供多少水”。采用该供水系统不需建造高位水箱,水塔,水质无二次污染,是一种理想的现代化建筑供水方案。此外,恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中,若自来水供水因故
12、压力不足或短时断水,可能影响产品质量,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和人员伤亡。所以,某些用水区采用恒压供水系统,具有较大的经济和社会意义。1.1.2交流变频技术的发展交流变频调速技术是集电子、自动控制、微电子、电机学等技术组成的一项先进技术。它以其优异的调速性能、显著的节能效果被广泛应用在各个领域,是电气传动的发展方向。随着电力电子技术的飞速发展,电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高,电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大的发展,变频调速技术已日臻完善。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率
13、、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微型计算机技术有机结合的交流变频调速装置,随着产品的开发创新和推广应用,使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。交流变频调速装置不仅仅可以大幅度节能,而且在改善机械性能、实现完善的自动控制、环境保护等多方面都有显著的效果。现代楼宇自控中,采用变频调速技术将会改善系统的品质,并产生巨大的经济效益。1.2变频调速在恒压供水中的应用作为交流变频调速装置的一个代表,变频器恒压供水装置技术已经成熟,在市场上得到良好反映,从节能运行到系统稳定可靠得到社会认可。该系统伴随着控制器和变频器的发展技术也不断更新和发展。就控制器来说,其发展经历了从继
14、电器逻辑,到单片机、PLC,再到专用控制器等几步。从变频器调速来说,其发展经历了多段速度控制、模拟量给定控制到专用控制器。每一步发展都意味着更新更好的器件代替传统方式。用户用水的多少是经常变动的,因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上,即用水多而供水少,压力低;用水少而供水多,压力大。保持供水压力的恒定,可使供水和用水之间保持平衡,即用水多时供水也多,用水少时供水也少,从而提高了供水的质量。为了提高供水质量,以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备,起动平稳,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击。
15、由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命还可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能,将使供水系统实现节水、节电、节省人力,最终达到高效率运行的目的。综上所述,变频调速给水在建筑给水中应用越来越广泛,其主要原因是:1.变频调速给水的供水压力可调,可以方便地满足各种供水压力的需要。2.目前,变频器技术己经成熟,在市场上有很多国内外品牌的变频器,这为变频调速提供了充分的技术和物质基础。3.变频调速恒压供水具有优良的节能效果。1.3恒压供水器的基本组成系统有变频器、控制器、传感器、水泵电机及相关电气控制设备集成而成,是一种具有变频调
16、速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。它可同时对一台或多台三相380/220V、50/60HZ异步电动机进行变频调速和闭环控制。 自动恒压供水控制系统的基本控制策略是:采样电动机调速装置与供水控制器构成控制系统,进行优化控制泵组的调速运行,并自动调速整泵组的运行台数,完成供水压力的循环控制,在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。 整个系统的具体工作流程为:系统通过安装在出水总管上的压力传感器。将供水管网的非电量信号(动态压力)转变成电信号。输入至供水控制器的输入模块,信号经单片机运算处理后与设定的信号进行比较运算,得出偏差值,再经过PID处理得出最佳的运行工作状况参数,并将其
17、转化成模拟信号,由系统的输出模块输出变频器的频率设定值至变频调速器,变频调速器控制水泵的转数来调节管网内的实际压力值趋向与设定压力值,从而实现闭环控制的恒压供水。对于多台泵调速的方式,控制器控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工作状态,并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。系统通过计算判定目前是否已达到设定压力,决定是否增加(投入)或较少(撤除)水泵。即:当一台水泵工作频率达到最高频率时,若管网水压达不到预设水压,则将此台水泵切换到工频运行,变频器将自动启动下一台水泵,控制其变频运行。此后,往复工作,直至满足设定压力要求为止。反之,若管网压力大于预设压力,控制器控制变频器
18、频率降低,使变频转速降低当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵,始终使管网水压保持恒定。进入消防运行时,按下消防按钮,以保证迅速切入工频状态。总之,系统可以根据用户用水量的变化,自动确定泵组的水泵的循环运行,以提高系统的稳定性及供水的质量。1.4 本文的主要工作具体来讲,本文的主要工作可以概括为以下几点:1.进行市场调查了解用户的需求,以及目前市场上流行的几种变频恒压供水控制系统。2.进行系统的总体设计根据用户需求和变频恒压供水控制器的基本原理对控制器进行总体设计,出系统整体框图。3.系统的详细设计根据系统整体框图对系统进行硬件电路的详细设计,选择元器件,利用PROTEL软件绘制系统原理
19、图,并依据系统原理图生成印刷电路板。4.电路板的调试选择合适的元器件焊在印刷电路板上,用单片机语言C51编制相应模块的子程序(包括自整定Pi。算法子程序),利用wave仿真器逐一对各模块进行调试:5.供水控制器与PC上位机的通讯界面的设计利用组态软件-组态王(King view)根据应用的要求,来对上位机的监控界面进行设计。第二章 变频调速技术概况2.1 变频调试技术的原理变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系: ,(式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数);通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。三相异步电动机转速公式为: 从
20、上式可见,改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看,不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机,改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看,有高效调速方法与低效调速方法两种:高效调速指时转差率不变,因此无转差损耗,如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法(如串级调速等)。有转差损耗的调速方法属低效调
21、速,如转子串电阻调速方法,能量就损耗在转子回路中;电磁离合器的调速方法,能量损耗在离合器线圈中;液力偶合器调速,能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加,如果调速范围不大,能量损耗是很小的。2.2 了解国内外交流变频调速系统技术发展情况变频器是20世纪中叶发展起来的一种交流调速设备,是为了解决传统的交流电动机调速困难,交变速设备结构复杂且效率和可靠性均不尽人意的缺点而出现的。由于其使交流电动机的调速范围和调速性能均大为提升,因此交流电动机逐渐代替直流电动机出现在各个应用领域,甚至包括交流伺服系统控制领域。随着电力半导体的长足发展,变频器也随之不断进步。如今变频器已经深入
22、日常生活,随处可见其服务的影子。交流变频器的主要调速对象是交流电感电动机。变频器在对交流感应电动机实施调速的过程中,输出电压和输出频率的变化必须遵守一定的规则。这就是通常所说变压变频(vvvF)的基本原则。2.3 变频器的控制方式变频器的发展已有数十年的历史,在变频器的发展过程中也曾经出现过多种类型的变频器,但目前成为市场主流的变频器基本上有着图21所示的基本结构。图21变频器的基本结构变频调速的控制方式经历了V/F控制、转差频率控制、矢量控制的发展,前者属于开环控制,后两者属于闭环控制,正在发展的是直接转矩控制。1、V/F控制异步电动机的转速与定子电源频率f和极对数有关,改变f 就可以平滑的
23、调节同步转速,但是频率f的上升或者下降可能会引起磁路饱和转矩不足的现象,所以在改变f的同时,还需要调节定子的电压,使气隙磁通保持不变,电动机的效率不下降,这就是V/F控制。V/F控制简单,通用性优良。2、转差频率控制 由电机学的基础知识可知,异步电动机转矩M与气隙磁通、转差频率f2的关系为: (2-1)只要保持气隙中磁通一定,控制转差频率f2就可以控制电动机的转矩,这就是转差频率控制。3、矢量控制矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律,将定子电流分解成相应于直流电动机的电枢电流的量和励磁电流的量,并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制,获得和直流电动机一样的优良的调速性能
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