摘 要：本文對泵類負載電動機的節(jié)能技術展開研究，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，通過對電機轉速的控制，減小泵出口節(jié)流造成的能耗，以實現(xiàn)節(jié)能的目的，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。
關鍵詞：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
水泵是通用的機械設備，它的年耗電量約占全國發(fā)電量的31%[5]，實際運行中的不均勻負荷占70%[5]。由于水泵帶負荷啟動對電動機轉矩要求較高，因此往往要求電動機有較大的安全余量，結果導致其容量配置過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象。另外，從電力供應和電能使用角度來說，研究電動機的節(jié)能問題有著重要意義。針對現(xiàn)在各種水壓調節(jié)系統(tǒng)的不足，本文提出了一種新的關于泵類負載電動機節(jié)能問題的設計方案，使用高可靠性的可編程邏輯控制器(PLC)，對調速系統(tǒng)進行自動化控制。在系統(tǒng)硬件的設計上，采用恒流恒壓控制模塊和PLC控制技術對硬件電路進行優(yōu)化;在軟件設計上，提出了雙閉環(huán)綜合控制、轉速內環(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. 硬件設計方案
針對目前各種水壓調節(jié)系統(tǒng)的不足，本次設計采用了雙閉環(huán)控制電路，分別是轉速閉環(huán)和水壓控制閉環(huán)。其中設置水泵轉速控制為內環(huán)，轉速反饋信號取自于異步電動機機械連接的光電編碼器，設置水壓控制為外環(huán)，出水壓力信號取自水泵出水口處壓力傳感器的輸出信號。
本設計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)生產中，它以極短的掃描周期，豐富的性能，極大地提高了生產效率。并且具有很強的聯(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，具有電力調控功能。另為還具有過熱、過流、缺相等保護功能。
光電編碼器：它實現(xiàn)了對轉速的高精度采樣。
1.1 轉速閉環(huán)設計
轉速閉環(huán)如圖1所示，由光電編碼器對轉速進行采樣，得到反饋信號en , en與給定信號e0進行比較得到控制信號e,通過AD/DA轉換模塊輸入到PLC的輸入側，PLC通過一定的控制算法，根據(jù)負載的大小自動調節(jié)電機的輸入電壓，使定子功率因cosφ始終保持在較高值，從而提高電動機的效率，達到節(jié)能的目的。
1.2 水壓控制閉環(huán)設計
水泵是一種減轉矩負載，隨著轉速的降低，負載轉矩與轉速的平方成比例地減小。設水泵當電機轉速為n時流量為Q，楊程為H，軸功率為P，需要時將電機轉速調至n2，則這時的流量變?yōu)镼2，揚程變?yōu)镠2，軸功率變?yōu)镻2，由物理學知識可知：水泵軸功率P與轉速n的立方成正比，即：
;楊程H與轉速n的平方成正比，即：
;流量Q與轉速n成正比，即：
。
顯然，采用轉速調節(jié)時，若要求流量Q由1減為1/2，只需使轉速由1降為1/2即可，而軸功率P則由1減為(1/2)3，即節(jié)約7/8的電功率，因此，基于轉速控制如降低水泵的運行速度，進行系統(tǒng)控制，可以大幅度降低電動機軸功率損耗，節(jié)能效果非常顯著。
另外，當出水口的水壓受外部干擾時，水泵的轉速越高，出水口的水壓對水泵轉速的變化率越小，即水泵高速運行時轉速的變化對水壓的影響越小。因而對水壓自動調節(jié)系統(tǒng)來說，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，本次設計采用水壓外環(huán)的閉環(huán)設計。
水壓控制閉環(huán)如圖1所示，通過壓力傳感器對對朱水泵的出口壓力信號進行采樣，即輸出實際水壓值P，PLC將泵出口壓力值P與其內部設定的壓力值進行比較，得到偏差信號，再通過模糊PID算法輸出控制信號，并將此控制信號傳遞給執(zhí)行器，通過執(zhí)行器來調節(jié)三相自耦變壓器的抽頭以改變電機定子端的輸入電壓，從而電機的轉速和注水泵的轉速也隨之改變，泵的出口壓力改變，再經(jīng)過壓力傳感器反饋給PLC，從而達到水壓P的在線調整。
2. 軟件設計方案
實際中被控系統(tǒng)具有非線性、時變性、時滯性，且由于噪聲、負載擾動等因數(shù)的干擾，難以建立精確的數(shù)學模型或引起對象數(shù)學模型的改變，造成控制精度達不到要求。模糊PID算法正是避免了對象的數(shù)學模型建立，就能達到快速、高精度的控制效果。實驗中證實，對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時調整到高精度，從而起到快速調節(jié)的作用。
2.1 轉速閉環(huán)軟件設計
由于水泵在運行中波動較大，特別是啟動過程，這就要求使用模糊算法。為了避免復雜的計算與實驗，本設計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驗系統(tǒng)中有著良好的控制效果。它具有非常短的過渡過程，轉速只有±3‰的偏差，并且PLC的運算周期短，對PLC的性能要求要低很多，這在實際中會節(jié)省一大部分硬件投資。這在實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)設計
為了提高控制精度，加快系統(tǒng)的響應能力，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算規(guī)則去修改各種控制參數(shù)。具體實現(xiàn)如下:
根據(jù)水壓檢測值和實際值的偏差，包括正偏差和負偏差，根據(jù)偏差的大小化分為負大、負中、負較小、負小、零、正小、正較小、正中、正大9個模糊子集。同樣根據(jù)轉速大小將轉速分為6個模糊子集。再分別以水壓偏差和轉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 、 和 進行控制。
模糊推理規(guī)則如下:
(1)當水壓偏差較大(正大和負大)時，取 為 ，使得積分環(huán)節(jié) 失效，加快系統(tǒng)響應速度;
(2)當水壓偏差相當小(零)的時候，使調節(jié)器輸出為零:
(3)當水壓偏差較小時， 取小些，反之取大些，這樣可以兼顧系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，同時考慮當前轉速，速度較大， 取大些，以加快系統(tǒng)響應速度。
(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，當水壓偏差較大時， 取大些，減小積分作用，而且綜合考慮電機的轉速，轉速低時 取小些，增強積分作用。
(5)PID微分的作用在于加快系統(tǒng)響應，減小超調量，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，但不利于抑制外界干擾。因而水壓偏差大時適當提高 ，增強微分作用。同樣在轉速高時提高 有利于系統(tǒng)性能的改善。
3. 結束語
基于模糊控制的泵類負載電動機節(jié)能裝置對于負載變化小，調速范圍較小的系統(tǒng)有非常好的適用性等特點，非常適用于高壓水泵風機類負載，特別是配置為繞線式異步電機系統(tǒng)。推廣和使用該系統(tǒng)，是一種具有特色的較好的節(jié)能項目，社會效益和經(jīng)濟效益將非常巨大。
參考文獻：
[1] 鄒龍慶，常玉連，楊超.對油田注水系統(tǒng)節(jié)能降耗的研究[J].石油規(guī)劃設計，2002,13(1):22-24
[2] 閻平凡，張長水.人工神經(jīng)網(wǎng)絡與模擬進化計算[M].北京：清華大學出版社，2000.
[3] 章衛(wèi)國,楊向忠.模糊控制理論與應用[M] 西安：西北工業(yè)大學出版社，2000.
[4] 顧繩谷.電機及拖動基礎[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 1997,第2版.
[5] 趙振喜.不均勻負荷電動機晶閘管調壓裝置的研究[D].2005.
[6] 張東亮.基于改進的模糊神經(jīng)學習算法的模糊規(guī)則優(yōu)化[J].微計算機信息，2006，4：257-259
