课程设计离心泵压力定值控制系统设计

目录1．被控对象工作原理及结构特点 (2)1.1离心泵的工作原理 (2)1.2离心泵的结构 (2)2．控制系统方案设计 (3)2.1控制方案的选择 (3)2.2被控参数与控制参数的选择 (5)2.3被控对象的特性分析 (5)3．过程检测控制仪表的选用 (7)3.1测压元件及变送器 (7)3.2变频器 (8)3.3调节器 (9)4．压力控制流程图及其控制系统方框图 (10)5．调节器参数整定及MATLAB仿真 (11)6．课程设计总结 (14)7．参考文献 (15)1．被控对象工作原理及结构特点泵属于通用机械，在国民经济各部门中用来输送流体的泵种类繁多，用途很广，如水利工程、农田灌溉、化工、石油、采矿、造船、城市给排水和环境工程等。

另外，泵在火箭燃料供给等高科技领域也得到应用。

化工生产用泵不仅数量大、种类多，而且因其输送的介质往往具有腐蚀性，或其工作条件要求高压、高温等，对泵有一些特殊要求。

在各种泵中，尤以离心泵应用最为广泛，因为它的流量、扬程及性能范围均较大，并具有结构简单、体积小、重量轻、操作平稳、维修方便等优点[1]。

1.1 离心泵的工作原理离心泵是利用叶轮旋转而使水产生的离心力来工作的。

离心泵在启动前，必须使泵壳和吸水管内充满水，然后启动电机，使泵轴带动叶轮和水做高速旋转运动，水在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘，经蜗形泵壳的流道流入离心泵的压水管路。

离心泵叶轮中心处，由于水在离心力的作用下被甩出后形成真空，吸水池中的水便在大气压力的作用下被压进泵壳内，叶轮通过不停地转动，使得水在叶轮的作用下不断流入与流出，达到了输送水的目的[2]。

1.2 离心泵的结构离心泵的基本构造是由六部分组成的，分别是：叶轮、泵体、泵轴、轴承、密封环、填料函[1]。

叶轮是离心泵的核心部分，它转速高输出力大，叶轮上的叶片又起到主要作用，叶轮在装配前要通过静平衡实验。

叶轮上的内外表面要求光滑，以减少水流的摩擦损失。

泵体也称泵壳，它是水泵的主体。

起到支撑固定作用，并与安装轴承的托架相连接。

泵轴的作用是借联轴器和电动机相连接，将电动机的转矩传给叶轮，所以它是传递机械能的主要部件。

轴承是套在泵轴上支撑泵轴的构件，有滚动轴承和滑动轴承两种。

密封环又称减漏环。

叶轮进口与泵壳间的间隙过大会造成泵内高压区的水经此间隙流向低压区，影响泵的出水量，效率降低；间隙过小会造成叶轮与泵壳摩擦产生磨损。

填料函主要由填料、水封环、填料筒、填料压盖和水封管组成。

填料函的作用主要是为了封闭泵壳与泵轴之间的空隙，不让泵内的水流流到外面来也不让外面的空气进入到泵内，始终保持水泵内的真空。

2．控制系统方案设计2.1 控制方案的选择离心泵的工作原理是把电动机高速旋转的机械能转化为被提升液体的动能和势能，是一个能量传递和转化的过程。

根据这一特点可知，离心泵的工况点是建立在离心泵和管道系统能量供求关系的平衡上的，只要两者之一的情况发生变化，其工况点就会转移。

工况点的改变由两方面引起：一、管道系统特性曲线改变，如阀门调节；二、离心泵本身的特性曲线改变，如原动机调速[3]。

主要有以下三种控制方案：（1）阀门调节控制通过控制泵出口阀门开启度来控制流量的方法如图1所示。

改变离心泵出口压力最简单的方法就是调节泵出口阀门的开度，而离心泵转速保持不变(一般为额定转速)，其实质是改变管路特性曲线的位置来改变泵的工况点。

如图2-1所示，离心泵特性曲线Q-H与管路特性曲线Q-∑h的交点A为工况点。

关小阀门时，管道局部阻力增加，离心泵工况点向左移至B点，离心泵出口压力增大。

阀门全关时，相当于阻力无限大，出口压力达到最大值，此时管路特性曲线与纵坐标重合。

从图2-2可看出，以调节阀门来控制出口压力时，离心泵本身的供水能力不变，扬程特性不变，管阻特性将随阀门开度的改变而改变。

图2-1 阀门调节流程图[3]图2-2 泵的特性曲线与管路特性曲线[1]控制出口阀门开启度的方案简单可行、是应用最为广泛的方案。

但是，此方案总的机械效率较低，持别是控制阀开度较小时，阀门上压降较大，对于大功率的泵，损耗的功率相当大，因此是不经济的。

（2）原动机调速控制改变泵转速的方法有两类：一类是调节原动机的转速，以汽轮机为原动机时可调节蒸汽流量或导向叶片的角度；若以电动机作原动机时，采用变频调速等装置。

另一类是原动机与泵之间的联轴调速结构，改变转速比来控制转速。

图2-3 变频调速流程图[3]图2-4 泵的特性曲线与管路特性曲线[1]工况点偏离高效区是离心泵需要调速的基本条件。

当离心泵的转速改变时，阀门开度保持不变，管路系统特性不变，而供水能力和扬程特性随之改变。

如图2-4所示（n1>n2>n3），A为离心泵平衡工况点(也称工作点)。

欲增大出口压力，可提高转速，供水功率也随之增大，此时工况点为B。

由此可见，与阀门节流相比，原动机调速的节能效果很突出，离心泵的工作效率更高。

另外，采用原动机调速后，不仅有利于降低离心泵发生汽蚀的可能性，而且还可以通过对升速/降速时间的预置来延长开机/停机过程，使动态转矩大为减小，从而在很大程度上消除了极具破坏性的水锤效应，大大延长了离心泵和管道系统的寿命。

但是原动机调速也有局限性，除了投资较大、维护成本较高外，当离心泵变速过大时会造成效率下降，超出泵比例定律范围，不可能无限制调速。

一般为额定转速的100%—70%。

（3）旁路调节控制如图2-5所示，将泵的部分排出介质重新送回到吸入管路，用改变旁路阀开启度的方法来控制泵的实际出口压力。

这种控制方式,其实质也是改变管路特性来达到控制离心泵出口压力的目的。

图2-5 旁路调节流程图[3]图2-6 泵的特性曲线与管路特性曲线控制阀装在旁路上，由于压差大，流量小，所以控制阀的尺寸可以选得比装在出口管道上的小得多。

但是这种方案不经济，因为旁路阀消耗一部分高压液体能量，使总的机械效率降低、故很少采用。

阀门调节控制虽然会造成能量的损失和浪费，但在一些简单场合仍不失为一种快速易行的调节方式；转速调节控制因其节能效果好、自动化程度高而越来越受到用户的青睐；旁路调节控制一部分能量损耗在旁路管道和控制阀上，泵的机械效率比较低的，但它具有采用小口径控制阀的优点。

在实际应用时应从多方面考虑，在各种流量调节方法之中综合出最佳方案，确保离心泵的高效运行。

根据对以上三种控制方案的分析比较，本设计选用变频调速控制方案。

2.2 被控参数与控制参数的选择被控参数的选择根据本设计的要求，控制离心泵的出口压力为一恒定值。

压力可以直接测量，并且测量和变送环节滞后时间比较小、利用目前的测量仪表可以高精度测量。

因此，选择压力为被控参数。

控制参数的选择本设计选用的控制方案是变频调节，通过变频器改变电动机的供电频率以改变电动机的转速。

因此，控制参数为电机的供电频率。

2.3 被控对象的特性分析在本系统中，离心泵压力是通过对变频器输出频率的控制来实现的。

确定离心泵压力和变频器输出频率的关系是设计控制环节控制策略的基础，是确定控制算法的依据。

变频器是一种弱电控制强电的功率放大器件，但是一般变频器多有延时，故不能等效成纯放大环节。

在实际控制中，变频器输出频率并不是一次给定，为了实现电机的软启动，一般变频器都设置斜坡给定，如图2-7所示。

斜坡给定的设置就相当于变频器的频率设定端加入一个给定的积分环节，且积分时间可设定。

下面推导带有给定积分器的变频器传递函数。

一般变频器加速时间的设定值，指的是输出频率从零增加到最大频率时的时间t n 。

实际上t n 也就确定了频率上升斜坡的斜坡λ。

实际频率增加到设定频率f n 的时间为：λn f T = （2-1） 设变频器的频率给定信号为u (t )=0V-5V 电压，0V 对应0Hz ，5V 对应50Hz ，则对于t 时刻的频率f (t )有:)(10)()(t u t ku t f == （2-2）设1(t )为单位阶跃函数，则)(1)(t kf t u n = （2-3） 其拉氏变换为 ks f s U n =)( （2-4） 设r(t)为单位斜坡函数，由图2-7可知：)()()(n t t r t r t f --=λλ （2-5）其拉氏变换为2)1()(s e s F s t n--=λ （2-6）由式（2-4）和式（2-5）得变频器的传递函数sf e k s f e s k s U s F s G n s t n s t n n )1()1()()()(2---=-==λλ （2-7） 为了研究方便取得简单模型需对上式简化。

根据s t n e -的Pade 近似：ff nλt n t0 图2-7 变频器斜坡给定st s t e n n s t n 5.015.01+-≅- （2-8） 将式（2-8）带到式（2-7）可以得到：)15.0()(+=s t f t k s G n n n λ （2-9） 式（2-9）即为所得到的变频器的近似传递函数[4]。

从离心泵角度出发，变频调速恒压系统一般分为零压过程和压力上升过程。

零压过程中，离心泵把水从水池送到管网中，压力基本上可以认为保持为零，是一个纯滞后过程；压力上升过程中，离心泵把水充满整个管路，压力逐渐增加直至达到稳定，可以认为是由变频器拖动系统占主导，可以利用式（2-9）的结论。

因此，系统的数学模型可以等效为一个带纯滞后的一阶惯性环节，系统中的其它的控制和检测环节，例如继电器控制转换、压力检测及变送等的时间常数和滞后时间，与压力上升或下降的时间常数和滞后时间常数相比，可以忽略不计，均可等效为比例环节。

由此可得系统的近似模型[4]：s e Ts K s G τ-+=1)( （2-10） 式中 K ——系统的总增益；T ——系统的惯性时间常数；τ——系统的总滞后时间。

在这里，给出系统的参数K =0.98，T =10.1，τ=1.37,系统的近似模型为：s e s s G 37.111.1098.0)(-+= （2-11） 3．过程检测控制仪表的选用3.1 测压元件及变送器选用广州森纳士仪器有限公司DG 系列普及型压力变送器。

图3-1 DG 系列普及型压力变送器DG系列普及型压力变送器选用国际著名公司高精度，高稳定性压力传感器组件，经过高可靠性的放大电路及温度补偿，将被测介质的表压转换成4～20mADC标准电信号。

主要应用于石化、环保、楼宇自控、恒压供水及工业过程检测与控制等。

DG系列普及型压力变送器技术性能参数指标如表3-1所示。

表3-1DG系列压力变送器技术性能参数指标测量介质与304、316或316L不锈钢兼容的各种液体、气体或蒸汽测量范围0～1MPa 0～3MPa 0～10MPa 0～30MPa 0～40MPa 0～60MPa过载压力2倍满量程上升时间≤5毫秒可达90％FS输出信号4～20mADC 准确度 1.0级供电电压9～36VDC 温度漂移≤±0.05％FS／℃介质温度-30～+85℃温度补偿范围0～70℃环境温度-20～+85℃稳定性典型±0.1％FS／年3.2 变频器选用施耐德电气公司（Schneider Electric）的ATV61系列变频器。