摘 要：本文对泵类负载电动机的节能技术展开研究，在软、硬件上分别采用模糊PID控制理论和双闭环控制策略，通过对电机转速的控制，减小泵出口节流造成的能耗，以实现节能的目的，提高企业的经济效益。
关键词：模糊控制;模糊PID算法;可编程逻辑控制器（PLC）;双闭环控制
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，因此往往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着重要意义。针对现在各种水压调节系统的不足，本文提出了一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，采用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节系统的不足，本次设计采用了双闭环控制电路，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如下：
　　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OMRONcx-400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通过一定的控制算法，根据负载的大小自动调节电机的输入电压，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，达到节能的目的。
　　1.2 水压控制闭环设计
　　水泵是一种减转矩负载，随着转速的降低，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，则这时的流量变为Q2，扬程变为H2，轴功率变为P2，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：。
　　显然，采用转速调节时，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，即节约7/8的电功率，因此，基于转速控制如降低水泵的运行速度，进行系统控制，可以大幅度降低电动机轴功率损耗，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。因而对水压自动调节系统来说，为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，本次设计采用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执行器，通过执行器来调节三相自耦变压器的抽头以改变电机定子端的输入电压，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，从而达到水压P的在线调整。
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起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，就能达到快速、高精度的控制效果。实验中证实，对于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整到高精度，从而起到快速调节的作用。
　　2.1 转速闭环软件设计
　　由于水泵在运行中波动较大，特别是启动过程，这就要求使用模糊算法。为了避免复杂的计算与实验，本设计提出了一种双模糊控制算法。
　　将偏差E，偏差变化率EC和控制量U的论域都取为：
　　E=EC=U=｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝
　　双模糊控制算法在本实验系统中有着良好的控制效果。它具有非常短的过渡过程，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，这在实际中会节省一大部分硬件投资。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，水压外环采用模糊控制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。具体实现如下:
　　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。同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形成模糊控制量表。

　　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。
　　所以一共有三张模糊量控制表，分别对 、 和 进行控制。
　　模糊推理规则如下:
　　（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，使调节器输出为零:
　　（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动静态性能，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。因而水压偏差大时适当提高 ，增强微分作用。同样在转速高时提高 有利于系统性能的改善。
3. 结束语
　　基于模糊控制的泵类负载电动机节能装置对于负载变化小，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。推广和使用该系统，是一种具有特色的较好的节能项目，社会效益和经济效益将非常巨大。
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