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及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为（现己更名为艾默生）电气公司和成都希望集团（森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器（2.2kw-30kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循环切换、定时起动、停止和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC）的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究处是不够的。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。
目前，在给水泵站中水泵机组变频调速系统的主要控制方式是采集管网压力信号，采用闭环控制的方法，通过变频调速系统来控制水泵机组转速以改变水泵的出水扬程和电机的输出功率。采用变频调速控制改善了工艺，水泵阀门可在全开位置，其出口压力等于管网供水压力。阀门节流损失减小到零。由于变频器可以非常平滑稳定的调整，运行人员可以自如的调控，改善了供水质量，提高了效率。可以避免因通过阀门控制导致泵过多偏离额定工作区而引起的振动。通常情况下，变频调速系统的应用主要是为了调节泵的转速来改变水泵的出水扬程，以满足不同条件时对水泵的性能要求。由于起动缓慢，相应地延长了许多零部件，特别是密封件、轴承的寿命。有效地延长检修维护周期，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。
采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管（市政来水管）进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。
变频调速是优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等），是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。它采用微机控制技术；电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。
1.5本设计主要内容
本设计的目标是通过变频恒压供水控制系统，达到相关工艺的标准要求。本设计的主要内容如下：
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（1）通过扬程特性曲线和管阻特性曲线分析供水系统的工作点，根据管网和水泵的运行曲线，说明供水系统的节能原理。
（2）变频恒压供水系统的构成及工作原理。
（3）分析变频恒压供水系统的组成及特点，探讨变频恒如供水系统的控制策略，并归纳实用性的控制方案。
（4）在介绍PID调节原理的基础上，分析利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程，给出PID参数设置方法。
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2 变频恒压供水系统简介
2.1供水系统的基本特性
供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开启度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量之间的关系曲线f(Q)，如图2-1所示。由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。出于在阀门开启度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q之间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系H=f(Qu)。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。出图可知，在同一阀门开启度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开启度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特住所反映的是扬程与供水流量Qx之间的关系H=f(Qx)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2-1中A点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qx处于平衡状念，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
H(m)AHAQAQ
图2-1供水系统的主要特性
2.2变频调速原理
变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的（具体原理将在下一章阐述）。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率定义为：
（n/n1） S?1? （2-1）
异步电机的同步速度为：
n1?60f/p （2-2） 异步电机的转速为：
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n?60f(1?s)/p （2-3） 其中：n1为异步电机的同步转速；n为异步电机转子转速； f是异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。
从上式可知，当电机电极对数P不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调书异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高，机械恃性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的。调速方法，它被广泛地应用于对水泵（风机）电机的调速。
2.3水泵调速运行的节能原理
在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀f门开启度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻的特性将随着阀门开启度的改变而改变，但其扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门的开启度存一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开启度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻的特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。
当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从?3，移到?1，扬程特性曲线（图2-2）不变。而扬程则从H0上升到H1，运行的工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为（0，Q2，F，H1）围成矩形部分，其值为：
Pd?rH1Q2 （2-4） 10?2当用调速控制时，若采用恒压（H0）、变速泵（n2）供水，管阻特性曲线为?2，扬程特性变为曲线，n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率用图形表示为（0，Q2，D，H0）围成的矩形面积，其值为：
Pf?rH0Q2 （2-5） 102?可见，改变调速控制，节能量为（H0，D，F，H1）围成的矩形面积，其值为：
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H(m)H1FDH2σ10Q2图2-2 管网及水泵的运行特征曲线 En1σ2σ3Q1Q(m3/s) ?P?Pf?Pd?rH1Q2rH0Q2r(H1?H0)Q2 （2-6） ??102?102?102?所以，当用阀门控制流量时，有功率被浪费掉。并且随着阀门不断的关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻的特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。
根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间的关系为：
23Q2n2H2?n2?P2?n2????;??;??????Q1n1H1?n1?P?n1?1 （2-7）
式中，Q1、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，Q2、H2、P2为变速后的流量、扬程、功率。
由公式（2-7）可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成艰比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。
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