摘 要：本文對(duì)泵類負(fù)載電動(dòng)機(jī)的節(jié)能技術(shù)展開研究，在軟、硬件上分別采用模糊PID控制理論和雙閉環(huán)控制策略，通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，減小泵出口節(jié)流造成的能耗，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 關(guān)鍵詞：模糊控制;模糊PID算法;可編程邏輯控制器（PLC）;雙閉環(huán)控制 Abstract: The article researches energy-saving technology of pumping laden electromotor, it adopts fuzzy PID control algorithm in soft programming, and two-loop control strategy in hard programming .y means of controlling rotational speed of the electromotor，decreasing the energy consumption of the pumping-export to achieve energy-saving and improve economic benefit of corporation. Keyword: Fuzzy control ; Fuzzy PID algorithm ; Programmable logical controller（PLC） ;Two-loop control 前言 　　水泵是通用的機(jī)械設(shè)備，它的年耗電量約占全國發(fā)電量的31%[5]，實(shí)際運(yùn)行中的不均勻負(fù)荷占70%[5]。由于水泵帶負(fù)荷啟動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩要求較高，因此往往要求電動(dòng)機(jī)有較大的安全余量，結(jié)果導(dǎo)致其容量配置過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象。另外，從電力供應(yīng)和電能使用角度來說，研究電動(dòng)機(jī)的節(jié)能問題有著重要意義。針對(duì)現(xiàn)在各種水壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的不足，本文提出了一種新的關(guān)于泵類負(fù)載電動(dòng)機(jī)節(jié)能問題的設(shè)計(jì)方案，使用高可靠性的可編程邏輯控制器（PLC），對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制。在系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)上，采用恒流恒壓控制模塊和PLC控制技術(shù)對(duì)硬件電路進(jìn)行優(yōu)化;在軟件設(shè)計(jì)上，提出了雙閉環(huán)綜合控制、轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)雙模糊控制算法、水壓外環(huán)模糊PID控制算法，提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。 1. 硬件設(shè)計(jì)方案 　　針對(duì)目前各種水壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的不足，本次設(shè)計(jì)采用了雙閉環(huán)控制電路，分別是轉(zhuǎn)速閉環(huán)和水壓控制閉環(huán)。其中設(shè)置水泵轉(zhuǎn)速控制為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)取自于異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械連接的光電編碼器，設(shè)置水壓控制為外環(huán)，出水壓力信號(hào)取自水泵出水口處壓力傳感器的輸出信號(hào)。 　　本設(shè)計(jì)的主要控制器件選取如下： 　　可編程邏輯控制器（PLC）：已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中，它以極短的掃描周期，豐富的性能，極大地提高了生產(chǎn)效率。并且具有很強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控功能。本系統(tǒng)選用了OMRONcx-400系列。 　　晶閘管智能控制模塊：高度集成了晶閘管主電路和移相控制電路，具有電力調(diào)控功能。另為還具有過熱、過流、缺相等保護(hù)功能。 　　光電編碼器：它實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)速的高精度采樣。 　　1.1 轉(zhuǎn)速閉環(huán)設(shè)計(jì) 　　轉(zhuǎn)速閉環(huán)如圖1所示，由光電編碼器對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣，得到反饋信號(hào)e[sub]n[/sub] , e[sub]n[/sub]與給定信號(hào)e[sub]0[/sub]進(jìn)行比較得到控制信號(hào)e,通過AD/DA轉(zhuǎn)換模塊輸入到PLC的輸入側(cè)，PLC通過一定的控制算法，根據(jù)負(fù)載的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入電壓，使定子功率因cosφ始終保持在較高值，從而提高電動(dòng)機(jī)的效率，達(dá)到節(jié)能的目的。 　　1.2 水壓控制閉環(huán)設(shè)計(jì) 　　水泵是一種減轉(zhuǎn)矩負(fù)載，隨著轉(zhuǎn)速的降低，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成比例地減小。設(shè)水泵當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為n時(shí)流量為Q，楊程為H，軸功率為P，需要時(shí)將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至n[sub]2[/sub]，則這時(shí)的流量變?yōu)镼[sub]2[/sub]，揚(yáng)程變?yōu)镠[sub]2[/sub]，軸功率變?yōu)镻[sub]2[/sub]，由物理學(xué)知識(shí)可知：水泵軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比，即：;楊程H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，即：;流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，即：。 　　顯然，采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，若要求流量Q由1減為1/2，只需使轉(zhuǎn)速由1降為1/2即可，而軸功率P則由1減為（1/2）[sup]3[/sup]，即節(jié)約7/8的電功率，因此，基于轉(zhuǎn)速控制如降低水泵的運(yùn)行速度，進(jìn)行系統(tǒng)控制，可以大幅度降低電動(dòng)機(jī)軸功率損耗，節(jié)能效果非常顯著。 　　另外，當(dāng)出水口的水壓受外部干擾時(shí)，水泵的轉(zhuǎn)速越高，出水口的水壓對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的變化率越小，即水泵高速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速的變化對(duì)水壓的影響越小。因而對(duì)水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，本次設(shè)計(jì)采用水壓外環(huán)的閉環(huán)設(shè)計(jì)。 　　水壓控制閉環(huán)如圖1所示，通過壓力傳感器對(duì)對(duì)朱水泵的出口壓力信號(hào)進(jìn)行采樣，即輸出實(shí)際水壓值P，PLC將泵出口壓力值P與其內(nèi)部設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)，再通過模糊PID算法輸出控制信號(hào)，并將此控制信號(hào)傳遞給執(zhí)行器，通過執(zhí)行器來調(diào)節(jié)三相自耦變壓器的抽頭以改變電機(jī)定子端的輸入電壓，從而電機(jī)的轉(zhuǎn)速和注水泵的轉(zhuǎn)速也隨之改變，泵的出口壓力改變，再經(jīng)過壓力傳感器反饋給PLC，從而達(dá)到水壓P的在線調(diào)整。 2. 軟件設(shè)計(jì)方案 　　實(shí)際中被控系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性、時(shí)滯性，且由于噪聲、負(fù)載擾動(dòng)等因數(shù)的干擾，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型或引起對(duì)象數(shù)學(xué)模型的改變，造成控制精度達(dá)不到要求。模糊PID算法正是避免了對(duì)象的數(shù)學(xué)模型建立，就能達(dá)到快速、高精度的控制效果。實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，對(duì)于被控量大起大落的情況需要模糊PID算法，它能使被控量在線實(shí)時(shí)調(diào)整到高精度，從而起到快速調(diào)節(jié)的作用。 　　2.1 轉(zhuǎn)速閉環(huán)軟件設(shè)計(jì) 　　由于水泵在運(yùn)行中波動(dòng)較大，特別是啟動(dòng)過程，這就要求使用模糊算法。為了避免復(fù)雜的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)提出了一種雙模糊控制算法。 　　將偏差E，偏差變化率EC和控制量U的論域都取為： 　　E=EC=U=｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝ 　　雙模糊控制算法在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中有著良好的控制效果。它具有非常短的過渡過程，轉(zhuǎn)速只有±3‰的偏差，并且PLC的運(yùn)算周期短，對(duì)PLC的性能要求要低很多，這在實(shí)際中會(huì)節(jié)省一大部分硬件投資。這在實(shí)際中也是最需要的簡單、快速和高精度的控制算法。 　　2.2 水壓控制閉環(huán)設(shè)計(jì) 　　為了提高控制精度，加快系統(tǒng)的響應(yīng)能力，水壓外環(huán)采用模糊控制PID控制策略，根據(jù)模糊推理和模糊邏輯運(yùn)算規(guī)則去修改各種控制參數(shù)。具體實(shí)現(xiàn)如下: 　　根據(jù)水壓檢測(cè)值和實(shí)際值的偏差，包括正偏差和負(fù)偏差，根據(jù)偏差的大小化分為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)較小、負(fù)小、零、正小、正較小、正中、正大9個(gè)模糊子集。同樣根據(jù)轉(zhuǎn)速大小將轉(zhuǎn)速分為6個(gè)模糊子集。再分別以水壓偏差和轉(zhuǎn)速大小為行和列形成模糊控制量表。 　　其中，U（n）—PID控制器的控制量輸出;e（n）—系統(tǒng)給定值與采樣值之偏差 —比例因子;T—采樣周期; —積分時(shí)間常數(shù); —間常數(shù):△—差分算子。 　　所以一共有三張模糊量控制表，分別對(duì) 、 和 進(jìn)行控制。 　　模糊推理規(guī)則如下: 　?。?）當(dāng)水壓偏差較大（正大和負(fù)大）時(shí)，取 為 ，使得積分環(huán)節(jié) 失效，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度; 　?。?）當(dāng)水壓偏差相當(dāng)小（零）的時(shí)候，使調(diào)節(jié)器輸出為零: 　　（3）當(dāng)水壓偏差較小時(shí)， 取小些，反之取大些，這樣可以兼顧系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能，同時(shí)考慮當(dāng)前轉(zhuǎn)速，速度較大， 取大些，以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。 　　（4）PID積分的作用在于消除靜態(tài)誤差，但它具有滯后特性，因此，當(dāng)水壓偏差較大時(shí)， 取大些，減小積分作用，而且綜合考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速低時(shí) 取小些，增強(qiáng)積分作用。 　　（5）PID微分的作用在于加快系統(tǒng)響應(yīng)，減小超調(diào)量，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，但不利于抑制外界干擾。因而水壓偏差大時(shí)適當(dāng)提高 ，增強(qiáng)微分作用。同樣在轉(zhuǎn)速高時(shí)提高 有利于系統(tǒng)性能的改善。 3. 結(jié)束語 　　基于模糊控制的泵類負(fù)載電動(dòng)機(jī)節(jié)能裝置對(duì)于負(fù)載變化小，調(diào)速范圍較小的系統(tǒng)有非常好的適用性等特點(diǎn)，非常適用于高壓水泵風(fēng)機(jī)類負(fù)載，特別是配置為繞線式異步電機(jī)系統(tǒng)。推廣和使用該系統(tǒng)，是一種具有特色的較好的節(jié)能項(xiàng)目，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益將非常巨大。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 鄒龍慶，常玉連，楊超.對(duì)油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗的研究[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2002,13（1）:22-24 　　[2] 閻平凡，張長水.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模擬進(jìn)化計(jì)算[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000. 　　[3] 章衛(wèi)國,楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)用[M] 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000. 　　[4] 顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1997,第2版. 　　[5] 趙振喜.不均勻負(fù)荷電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)壓裝置的研究[D].2005. 　　[6] 張東亮.基于改進(jìn)的模糊神經(jīng)學(xué)習(xí)算法的模糊規(guī)則優(yōu)化[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，4：257-259