水位、水泵的控制方式与节能的关系
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水位、水泵的控制方式与节能的关系
水位(水压)控制的目的是为了保持水泵供水流量的稳定，实质是个保持物料的平衡问题。不管
采用什么调节、控制手段，最终结果反映的仍然是水泵的耗电。
& &dlr回帖中所说的连续调节和断续调节是针对被控量的作用而言的，为便于区分，特把连续调节
和断续调节分别更正为连续控制和断续控制。因此楼主所说的启停控制，应该是属于有中间区的双
位控制系统，虽然是用水泵的启、停来控制水位，尽管其启停频繁，但在控制中肯定还是有个水位
的上、下限的。
& &为什么连续控制比断续控制效果好，可从以下几方面来看:
& &一．从控制的质量要求
& &双位控制的过渡过程是断续控制作用下的等幅振荡过程。被控量水位总在上、下限之间振荡，
如果设定的水位上、下限范围越小，或者用水量越大，其振荡频率越高，则水泵的启、停越频繁，
对电网和机械的冲击越大；这样的控制系统水泵是断续运转的，对水位也是断续控制的。
& &如果采用连续控制，则被控量水位是可以连续地被控制，由于反馈控制是按水位的偏差进行控
制，偏差是控制的依据，只要水位偏离给定值，系统就会产生控制作用，力图消除偏差的存在，所
以其能将水位稳定在我们所要求的设定值上。也就是说变频调速供水系统能够通过PI控制功能，自
动地保持供水与用水之间的平衡。其控制精度高，水位波动小。这样的控制系统水泵是连续运转的,
对水位也是连续控制的。
& &二．从水泵的节能效果看
& &用得最普遍的是离心式水泵，离心式水泵属于平方律负载。水泵最主要的参数是流量和扬程，
供水功率与流量和扬程的乘积成正比。我们先了解下扬程特性和管阻特性。扬程特性反应了用水流
量的大小对扬程的影响，即用水量越大，则供水系统的扬程将越小；水泵的转速下降，其供水能力
也会下降，扬程特性将下移。而管阻特性就是为了在管路内得到一定的流量所需要的扬程；管阻特
性与管道粗细、长短，阀门开度有关。
& &通常对水泵的流量调节有阀门调节和调速调节两种方式，我们来看看其是怎样运行的。
& &1．变阀门调节:
& &启动水泵后，观察水泵出口的压力，根据压力表指示来开大或关小水泵出口阀门来调节流量，
而水泵的转速则是保持不变的(即大多为电机的额定转速)。其实质就是水泵本身的供水能力不变，
而是通过改变水路中的管阻大小来改变流量，以满足用水量，这时管阻特性会变化，但扬程特性是
不变的。启、停控制就是属于阀门控制的形式，只不过固定阀门开度后，而不常去调节阀门开度而
& &2．变速度调节:
& &用变频器对水泵进行调速，则是通过改变水泵的转速来调节流量，而水泵出口阀门是全开的。
转速调节是通过改变水泵的供水能力来适应生产对流量的需求，当水泵的转速改变时，扬程特性将
会改变，而管阻特性是不变的。
& &比较以上两种方式，在所需流量小于额定流量的情况下，转速调节时的扬程将减小，而阀门调
节时的扬程将增大。转速调节所需要的供水功率比阀门调节方式小得多，`因为此时水泵的效率几乎
不变，流量随转速按一次方规律变化，而轴功率按三次方规律变化。即电动机的负载功率为:
这就是变频调速供水有节能效果的原因。但这只是个理想公式，其并不能代表变频调速的节能
效果有如此之好，原因是异步电动机在轻载时的效率与功率因数都较低。再者供水系统是由多个环
节组成的；还有就是变频器的参数如果调整得不佳，仍会出现“大马拉小车”的情况，这些问题对
节能效果都是有影响的。再者阀门调节和变频调节时的空载功率也不可能完全一样，只是其属于共
有的, 所以我们可以将其忽略不进行比较而已。
& &三．常规计算法的节电对比
& &dlr设:水泵的轴功率 & & & P1=10KW
& & & & &带水泵电机的效率 &η1=0.95
& & & & &变频器的效率 & & &ηb=0.98
& &1．变阀门调节的电耗估算:
& &按网友说水泵的起、停5－10分钟一个周期，我们假设水泵一天累计运行8小时，则一年的运行
时间为2920小时。变阀门调节时，轴功率不变，则电机消耗的功率为:
& &P=P1／η1=10／0.95=10.526KW
& &则变阀门调节一年的运行电耗为:
& &=30735.92KW
& &2.变速调节的电耗估算:
& &使用变频调速，由于是连续运行，所以其工作时间为8760小时，由于系连续供水，其供水流量
只需要原来的1/3就可满足使用要求，故水泵转速在33%以下的时间居多，考虑到各因素影响，计算
时采用供水流量为35%。在起泵初期及运行中突遇大量用水，水泵全速供水仍会占一定比例，我们这
样来估算，100%流量供水占总运行时间的20%, 35%流量供水占总运行时间的80%。则可以这样估算:
则变速调节一年的运行电耗为:
& &8760×1×(10.741×0.2+0.460×0.8)=22041.9KW
& &因此10KW的电机，变速调节方式比变阀门调节方式可节约的年运行电耗为:
& &41.9=8694KW
& &有文献介绍，在节能计算比较时，建议采用曲线拟合的计算方法，这样比常规计算法，更能得
到符合实际的结果。
& &水泵大多在20Hz状态下运行能供出水吗?答案是肯定可以的。因为dlr在实施10T/h锅炉项目中，
为了安全曾将给水泵变频器的下限频率设为10Hz，但在用汽负荷很小时，水位投自控时，当调节器
已无输出，但水泵由于有10Hz的频率，仍在慢慢转动向锅炉供水，严重时可使水位达到100%以上。
& & 四．从机械性能来比较
& & 变阀门调节，电机的起动是全压起动，这样对电网的影响就大。起动时水泵由于加速过快，会
产生“水锤效应”；而在停机时由于停机过快会产生“空化现象”。这样将造成供水系统及管路振
动大、噪音也大，由于水泵是全速运转，故机械磨损也大。
& & 而采用变速调节时，则可对水泵进行软起动和软停车，可做到起动平稳，起动电流可控制在电
机的额定电流以内，减少了起动时对电网的冲击，同时调节水量容易，还节约电能；停机时还可减
少水锤效应的冲击，以减少冲击力对管道及水泵的损害，提高了供水系统的安全性。由于调速运行
还可以降低水泵的机械磨损及噪音，可延长设备的使用寿命，减少了维修工作量和费用。
& & 五．要从使用现场的具体情况出发
& & 水位控制的目的是为了保持供水流量的稳定，所以用什么样的控制系统，采用什么形式的流量
调节手段，应该说与使用现场的工况有很大的关系，与被控对象的特性有很大的关系，我们在这儿
泛泛的谈调节问题、控制问题、节能问题，只是谈一些基本的原理及方法，但其与实际应用是有很
大差别的。
& &针对水泵液位控制系统，什么场合要用变频器(或电动、气动调节阀)来进行连续控制?什么场合
要采用对水泵的启、停控制?都应该按生产的需求来选择控制方案。常见的大致有:
& &1．如果水泵一直是处于满负荷运行的，来谈节能是不可能的，只有当用水的实际流量小于额定
流量(100%)时，变频器才有用处，这时转速的变化(下降)才会有节能效益。对于这样的工况唯一能
做的就是选用软起动器来控制电机的启动电流及减少冲击。
& &2．一般供水系统都具有缓冲装置(如水箱、水槽等)来稳定用水流量的波动，因此就有对水位的
检测问题，这才有了水位的控制需求。对于容积较大的设备，液位就相对较稳定，如:一个水塔抽一
次水就可以供应用水数小时，一天才需要抽几次水，这样的系统采用断续控制就可达到目的了，只
需用液位传感控制器，来控制水泵的启、停。为了减少启动电流及克服水锤效应，选台软启动器更
好；变频器在这儿发挥不了作用。
& &对于1、2两种情况由于水泵是全压、全速的运转，水泵的机械磨损及噪音就大。
& &3．对需要连续供水的场合，如锅炉汽包水位，自来水或小区供水等场合。这样的系统水泵几乎
是一直运行的，为保持水位的稳定，应选择连续供水的水位(水压)的PID控制系统。从节能出发，最
好的方法就是采用变频调速了。
& &所以说选择什么控制方式，并没有一个固定的模式，只要根据现场的具体情况，进行分析比较
就可以选择出最符合实际的控制方案来实施。
& &六．结论
& &通过以上讨论，dlr认为:
& &1．如果水泵运行时间长，则选择连续运行控制的变频调速是可以节省电能的。甚至可降低维修
费用。象楼主的水泵起、停5－10分钟一个周期，这样的系统应该说起、停还是算比较频繁的了，因
此选择变频器来进行连续控制效果是会很好的。
& &2．如果水泵运行时间很短，而水泵停机时间又较长时，则没有必要选择变频调速(电动、气动
调节阀)来进行连续控制。但可考虑用软起动器来解决水泵电机的起动问题，以减少起动电流对电网
的冲击，对防止水锤、汽化效应是有好处的。
& &3．对于用电动(气动)调节阀来控制水位的系统，仍然是属于变阀门调节方法。对这样的系统可
采用变频调速来控制供水母管的压力，也是可以节能的。
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供水泵站运动控制的主要方法有哪些？
发布时间： 10:42
　　1．PID控制。PID控制是最早发展起来的、应用领域至今仍然广泛的控制方法之一，它是基于对象数学模型的方法，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。但对于非线形、时变不确定性系统，难以用常规的PID控制器达到理想的控制效果。而且，在实际生产中，由于受参数整定方法繁杂的困扰，常规的PID参数往往整定不良、性能欠佳。
　　2．人工神经网络控制。人工神经网络起源于20世纪40年代，它从某些方面反映了人脑的基本特征，但并不是人脑的真实描写，而只是它的抽象、简化和模拟，网络的信息处理由神经元间的相互作用来实现。神经网络控制的关键是选择一个合适的神经网络模型，并对其进行训练与学习，直至达到要求为止，即寻找最优的神经网络结构与权值。然而，神经网络的学习，需要一定的实验样本，这些实验样本也必须从已知经验和事先的实验中获得。同时，神经网络的训练与学习过程，有时较为复杂，需要运行成千上万次才能获得最佳结构。有时获得的是一个局部最优解，而不是全局最优解，因方法的局限性，同样也难于对所讨论的对象实现有效的控制。
　　3．模糊控制。实际工程中，一个非常熟练的操作人员，能凭借自己丰富的实践经验，通过对现场的各种现象的判断取得较满意的控制效果。如果将凭经验所采取的措施转变成相应的控制规则，并且研制一个控制器来代替这些规则，也可实现对复杂工业过程的控制。实践证明，以模糊控制理论为基础的模糊控制器(FC)能够完成这个任务。
　　模糊控制是基于模糊推理和模仿人的思维方法，对难以建立数学模型的对象实施的一种控制。它用模糊数学中的模糊集合来刻画这些模糊语言，并用产生式规则，即&假如条件成立则执行&语句予以实现。模糊控制技术的应用在国内已取得明显效果。
　　4．专家控制。专家控制是智能控制的一个重要部分，它在将专家系统的理论和技术同控制理论的理论和方法有机结合的基础上，在未知环境下模仿专家的智能，实现对系统的有效控制。专家控制的核心是专家系统，它具有处理各种非结构性问题，尤其是处理定性的、启发式的或不确定性的知识信息，经过各种推理过程达到系统的控制目标。
　　5．仿人智能控制。仿人智能控制(HSIC)经过20年来的努力，已形成了基本理论体系和较系统的设计方法，并在大量的实际应用中获得成功。其主要内容是总结人的控制经验，模仿人的控制思想和行为，以产生式规则描述其在控制方面的启发与直觉推理行为。由于HSIC的基本特点是模仿控制专家的控制行为，因此它的控制算法是多模态控制的，是多种模态控制间的相互交替使用。该算法可以完美地协调控制系统中诸多相互矛盾的控制品质的要求。比如，鲁棒性与精确性，快速性与平稳性等。
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基于DSP运动控制器的5R工业机器人系统设计摘要：以所设计的开放式5R关节型工业机器人为研究对象,分析了该机器人的结构设计.该机器人采用基于工控PC及DSP运动控制器的分布式控制结构,具有开放性强、运算速度快等特点,对其工作原理进行了详细的说明.机器人的控制软件采用基于Windows平台下的VC++实现,具有良好的人机交互功能,对各组成模块的作用进行了说明.所设计的开放式5R工业机器人系统,具有较好的实用性.关键词：开放式；关节型；工业机器人；控制软件0引言工业机器人技术在现代工业生产自动化领域得到了广泛的应用,也对工程技术人员提出更高的要求,作为机械工程及自动化专业的技术人才迫切需要掌握这一先进技术.为了能更好地加强技术人员对工业机器人的技能实践与技术掌握,需要开放性强的设备来满足要求.本文阐述了我们所开发设计的一种5R关节型工业机器人系统,可以作为通用的工业机器人应用于现场,也可作为教学培训设备.1 5R工业机器人操作机结构设计关节型工业机器人由2个肩关节和1个肘关节进行定位,由2个或3个腕关节进行定向,其中一个肩关节绕铅直轴旋转,另一个肩关节实现俯仰,这两个肩关节轴线正交.肘关节平行于第二个肩关节轴线.这种构型的机器人动作灵活、工作空间大,在作业空间内手臂的干涉最小,结构紧凑,占地面积小,关节上相对运动部位容易密封防尘,但运动学复杂、运动学反解困难,控制时计算量大.在工业用应用是一种通用型机器人¨.1．1 5R工业机器人操作机结构所设计的5R关节型机器人具有5个自由度,结构简图如图1所示.5个自由度分别是：肩部旋转关节J1、大臂旋转关节J2、小臂旋转关节J3、手腕仰俯运动关节J4和在旋转运动关节J5.总体设计思想为：选用伺服电机(带制动器)驱动,通过同步带、轮系等机械机构进行间接传动.腕关节上设计有装配手爪用法兰,通过不断地更换手爪来实现不同的作业任务.1．2 5R工业机器人参数表1为设计的5R工业机器人参数.2 5R工业机器人开放式控制系统机器人控制技术对其性能的优良起着重大的作用.随着机器人控制技术的发展,针对结构封闭的机器人控制器的缺陷,开发“具有开发性结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器发展的趋势].为提高稳定性、可靠性和抗干扰性,采用“工业PC+DSP运动控制器”的结构来实现机器人的控制：伺服系统中伺服级计算机采用以信号处理器(DSP)为核心的多轴运动控制器,借助DSP高速信号处理能力与运算能力,可同时控制多轴运动,实现复杂的控制算法并获得优良的伺服性能.2．1基于DSP的运动控制器MCT8000F8简介深圳摩信科技公司MCT8000F8运动控制器是基于网络技术的开放式结构高性能DSP8轴运动控制器,包括主控制板、接口板以及控制软件等,具有开放式、高速、高精度、网际在线控制、多轴同步控制、可重构性、高集成度、高可靠性和安全性等特点,是新一代开放式结构高性能可编程运动控制器.图2为DSP多轴运动控制器硬件原理图.图中增量编码器的A0(／A0)、B0(／B0)、c0(／CO)信号作为位置反馈,运动控制器通过四倍频、加减计数器得到实际的位置,实际位置信息存在位置寄存器中,计算机可以通过控制寄存器进行读取.运动控制卡的目标位置由计算机通过机器人运动轨迹规划求得,通过内部计算得到位置误差值,再经过加减速控制和数字滤波后,送到D／A转换(DAC)、运算放大器、脉宽调制器(PWM)硬件处理电路,转化后输出伺服电机的控制信号或PWM信号.各个关节可以完成独立伺服控制,能够实现线性插补控制、二轴圆弧插补控制.2．2机器人控制系统结构及工作原理基于PC的Windows操作系统,因其友好的人机界面和广泛的用户基础,而成为基于PC控制器的首选.采用PC作为机器人控制器的主机系统的优点是：①成本低；②具有开放性；③完备的软件开发环境和丰富的软件资源；④良好的通讯功能.机器人控制结构上采用了上、下两级计算机系统完成对机器人的控制：上级主控计算机负责整个系统管理,下级则实现对各个关节的插补运算和伺服控制.这里通过采用一台工业PC+DSP运动控制卡的结构来实现机器人控制.实验结果证明了采用Pc+DSP的计算结构可以充分利用DSP运算的高速性,满足机器人控制的实时需求,实现较高的运动控制性能.机器人伺服系统框图如图3所示.伺服系统由基于DSP的运动控制器、伺服驱动器、伺服电动机及光电编码器组成.伺服系统包含三个反馈子系统：位置环、速度环、电流环,其工作原理如下：执行元件为交流伺服电动机,伺服驱动器为速度、电流闭环的功率驱动元件,光电编码器担负着检测伺服电机速度和位置的任务.伺服级计算机的主要功能是接受控制级发出的各种运动控制命令,根据位置给定信号及光电编码器的位置反馈信号,分时完成各关节的误差计算、控制算法及D／A转换、将速度给定信号加至伺服组件的控制端子,完成对各关节的位置伺服控制.管理级计算机采用586工控机(或便携笔记本),主要完成离线编程、仿真、与控制级通讯、作业管理等功能；控制级计算机采用586工控机,主要完成用户程序编辑、用户程序解释,向下位机运动控制器发机器人运动指令、实时监控、输入输出控制(如打印)等.示教盒通过控制级计算机可以获得机器人伺服系统中的数据(脉冲、转角),并用于控制级计算机控制软件中实现对机器人的示教及控制.3 5R工业机器人运动控制软件设计5R工业机器人控制软件采用C++Builder编程,最终软件运行在Windows环境下.C++Builder对在Windows平台下开发应用程序时所涉及到的图形用户界面(GUI)编程具有很强的支持能力,提供了可视化的开发环境,可以方便调用硬件厂商提供的底层函数,直接对硬件进行操作,而且生成目标代码效率高.所设计的控制软件为分级式模块化结构.管理级主模块具有离线编程、图形仿真、资料查询及故障诊断等功能,其结构如图4所示.(1)离线编程模块利用计算机图形学的成果,建立机器人及其工作环境的模型,利用规划算法,通过对图形和对象的操作,编制各种运动控制,在离线情况下生成工作程序.(2)图形仿真模块可预先模拟结果,便于检查及优化.(3)资料查询模块可以查阅当日工作及近期工作记录、相关资料(生产数量、班次等),并可以打印输出存档.(4)故障诊断模块可以实时故障诊断,以代码形式显示出故障类型,并为技术人员排除故障提供帮助信息.控制级主模块软件结构如图5所示.(1)复位模块使得机器人停机时或动作异常时,通过特定的操作或自动的方式,使机器人回到作业原点.机器人在作业原点,机构的各运动副所受力矩最小,它确定了机器人待机的安全位姿.(2)系统提供两种示教方法.第一种示教方法即“下位机+示教盒”的示教方法：示教盒和下位机操作界面上的手动操作开关分别对应着装配机器人的各种动作和功能.通过高、中、低速、点动等速度档次的选择,对机器人进行大致的定位和精确的位置微调.并存储期望的运动轨迹上机器人的位置、姿态参数.第二种方法即离线仿真的示教方法.这种示教方法是在计算机上建立起机器人作业环境的模型,再在这个模型的基础上生成示教数据的一种应用人工智能的示教方法.进行示教时使用计算机图示的方法分析机器人与作业模型的位置关系,也可以通过特定指令指定机器人的运动位置….4结束语所开发的开放式工业机器人系统具有以下特点：(1)采用分布式二级控制结构,运动控制由基于DSP的运动控制器M'CT8000F8完成,增加了系统的开放性,以及运行处理的快速性及可靠性.(2)考虑到具有良好的通用性,可以作为通用机器人使用,具有较好的产业化、商品化前景.(3)计算机辅助软件采用基于Windows平台的c++编程,通过调用底层函数可以对硬件进行直接操作,可视化环境可提供良好的人机交互操作界面.通过本机器人系统的研究开发,可极大地满足工业现场对机器人的开放性要求,进一步提高我国工矿企业自动化水平.同时,也可作为机器人技术训练平台,加强工程人员能力锻炼.[参考文献][1]马香峰,等．工业机器人的操作机设计[M]．北京：冶金工业出版社,1996．[2]吴振彪．工业机器人[M]．武汉：华中理工大学出版社,2006．[3]蔡自兴．机器人学[M]．北京：清华大学出版社,2003．[4]王天然,曲道奎．工业机器人控制系统的开放体系结构[J]．机器人,)：256—261．[5]深圳摩信科技有限公司．MCT8000系列控制器使用手册[z]．深圳：深圳摩信科技有限公司,2001．[6]张兴国．环保压缩机装配机器人的运动学分析[J]．南通工学院学报,2004(1)：32—34,38．[7]张兴国．计算机辅助环保压缩机装配机器人运动学分析[J]．机械设计与制造,2005(3)：98—100,[8]本书编写委员会编著．程序设计VisualC++6[M]．北京：电子工业出版社,2000．[9]吴斌,等．OpenGL编程实例与技巧[M]．北京：人民邮电出版社,1999．[10]江早．OpenGLVC／VB图形编程[M】．北京：中国科学技术出版社,2001．[11]韩军,等．6R机器人运动学控制实验系统的研制[J]．实验室研究与探索,2003(5)：103—104．
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