【正文】 行閉環(huán)控制。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性 能 、穩(wěn)定性及抗擾性等方面，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到用戶的要求。 儀器儀表 儀器儀表是根據(jù)現(xiàn)存在的各種科學(xué)原理，對(duì)被研究的系統(tǒng)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)、顯內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 3 示、觀察和控制的裝置的總稱。它在系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用，集檢測(cè)、顯示、觀察與控制為一體的控制器。當(dāng)然， 我們 還 可以對(duì)電信號(hào)進(jìn)行 進(jìn)一步的 處理 ， 讓其與 專業(yè)顯示器 直接 相連 ，從而能直接 輸出 當(dāng)前 液位的高度。我國 國有企業(yè) 和民 營(yíng) 企業(yè)所占比重僅 僅 為 33%。 壓力變送器是 由 壓力傳感器 、過程連接 部 件 、 測(cè)量電路 三部分 組合 而成，將測(cè)壓傳感器感受到的 氣體 或者 液體等壓力參數(shù)轉(zhuǎn) 換 成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（如 4~20mADC 等），以供給 記錄儀 、 指示 報(bào)警儀、調(diào)節(jié)器等 二次儀表 進(jìn)行測(cè)量、指示和過程調(diào)節(jié) ， 是直接與被測(cè)介質(zhì) 互 相接觸的現(xiàn)場(chǎng)儀表，常常在高溫 、 低溫 、 腐蝕 、 振動(dòng) 、 沖擊等環(huán)境內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 4 中工作。 (2)20世紀(jì) 中期 ，隨著 力平衡式差壓變送器 的出現(xiàn) ， 他的 精度 有所提高， 但 是反饋力 很 小，結(jié)構(gòu) 、性能等 均 不高 。 由此， 新一代的智能壓力變送器 產(chǎn)生了 。 (3)微處理器和基本傳感器之間具有雙向通信的功能 ， 構(gòu)成 了 閉環(huán)工作系統(tǒng)。其雙向通信 功能更是 實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)軟件控制及遠(yuǎn)程設(shè)定量程等狀態(tài)。當(dāng)水位為超高水位的時(shí)候，應(yīng)停止所有的潛水泵；當(dāng)水位為高水位的時(shí)候，只啟動(dòng)一臺(tái)潛水泵，當(dāng)水位為低水位的時(shí)候，啟 動(dòng)兩臺(tái)潛水泵，當(dāng)水位為超低水位的時(shí)候，同時(shí)啟動(dòng)三臺(tái)潛水泵。當(dāng)兩臺(tái)水泵供水壓力高于要求的供水壓力時(shí)，自動(dòng)停止一臺(tái)供水加壓泵。 根據(jù)上述的控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)方案整體的設(shè)計(jì)。 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)能很好地用于農(nóng)村供水廠和城市里小區(qū)的生活用水、消防用水以及工業(yè)生產(chǎn)用水等眾多供水場(chǎng)合，主要具有以下特點(diǎn)： (1)供水系統(tǒng)要具有通用性。 (4)由于在變頻器控制的 恒壓供水系統(tǒng)中，由于始終存在泵的起、停。 (7)通過反饋的參數(shù)調(diào)節(jié)變頻器的頻率來控制水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)加壓水泵實(shí)行變頻軟啟動(dòng)，電流可以從零 到到電機(jī)額定電流，減少了直接啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)降低了直接啟動(dòng)大慣性對(duì)設(shè)備的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 7 延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。 以 加壓 泵的轉(zhuǎn)速 保持 不變 、閥門在某一特定開度下保持不變 為前提 反映的 是管阻特性 ， 此時(shí) 揚(yáng)程 H與流量 Q之間的關(guān)系 H f (Qc )。如圖 中 A 點(diǎn) 為 供水系統(tǒng)的工 作點(diǎn)。 表 電機(jī)直接啟動(dòng)和變頻調(diào)速軟啟動(dòng)的對(duì)比 表 電機(jī)直接啟動(dòng)和變頻調(diào)速軟啟動(dòng)的對(duì)比 對(duì)比內(nèi) 容 直接啟動(dòng) 變頻調(diào)速啟動(dòng) 啟動(dòng)電流 額定電流的 5～ 7倍 在額定電流以下 啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)對(duì)變壓器的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)對(duì)開關(guān)、接觸器等電器的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)對(duì)電纜的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)對(duì)電機(jī)的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)對(duì)聯(lián)結(jié)軸的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)對(duì)變速箱的沖擊 巨大 無 啟動(dòng)和運(yùn)行的可靠性 低 高 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 9 水錘效應(yīng)的 產(chǎn)生原因 及其消除方法 在進(jìn)行全電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)只需要 就可以從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速狀態(tài) 。 水錘效應(yīng) 由于壓強(qiáng)過高， 具有極大的破壞性 能 引起管道 壁 的破裂，反之，壓強(qiáng)過低時(shí)， 又會(huì)導(dǎo)致管道的癟塌。 所以水錘效應(yīng)產(chǎn)生的根本 原因是在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大。此外，由于 在 工作過程中平均轉(zhuǎn)矩 的 減小、水泵平均轉(zhuǎn)速 也 下降 很多 ，使 得 : (1) 軸承的磨損大為減小。 從水源井群中抽出來的水先儲(chǔ)存在水池中再通過加壓泵組恒壓供給每一個(gè)用戶。用戶用水的需求間接的決定了水池的水位。一般主要由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)加壓水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把水泵和電機(jī)做成一體，通過變頻器參數(shù)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制加壓泵出水量來實(shí)現(xiàn)恒壓供水。 控制方案的確定 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有變頻器、壓力變送器、加壓水泵機(jī)組、恒壓控制單元以及低壓電器組成。 它將 和 PLC 可編程控制器內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 12 和 PID 調(diào)節(jié)器硬件 設(shè)備都 集成在 了 變頻器 的 供水基板上，通過設(shè)置 變頻器內(nèi)部的 指令代碼 來 實(shí)現(xiàn) PLC和 PID 等的功能。當(dāng)水池液位的信號(hào)有效的時(shí)候，要對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)，來防止?jié)撍贸槿胨剡^多的水或者水池?zé)o水時(shí)，加壓 水泵空抽進(jìn)而 損壞 加壓水泵 ； 管網(wǎng)水壓信號(hào) 是變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的主要反饋信號(hào)，是 反映 用水 用戶管網(wǎng)的水壓值。 其中， 控 制器是整個(gè) 供水 系統(tǒng)的核心。三臺(tái)潛水泵都是 根據(jù)水池液位傳感器讀取當(dāng) 前水池的液位的高低， 用當(dāng)前液位來控制傳感器內(nèi)部的限位開關(guān)，進(jìn)而起、停相應(yīng)的電機(jī)。 根據(jù) 變頻器拖動(dòng)第二組執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，加壓水泵運(yùn)行 情況 的 不 同，變頻器 的輸出 有兩種工作方式 ， 即 變頻循環(huán)和變頻固定兩種模式 。為了保證系統(tǒng) 可靠、平穩(wěn)、安全 的運(yùn)行， 在每臺(tái)電機(jī)安全、正常的啟動(dòng)時(shí)候，均有相應(yīng)的指示燈指示?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。 (1)開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對(duì)象的輸出 的 被控制量對(duì)控制器的輸出沒有影響。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。 供水系統(tǒng)的核心是恒壓的 閉環(huán) 控制，它是 根據(jù)變頻器內(nèi)壓力的給定值和管道壓力內(nèi)實(shí)際的壓力值之間的偏差大小 來控制的，使變頻器根據(jù)實(shí)時(shí)的情況調(diào)節(jié)加壓水泵投入使用的數(shù)量。它更適用于流量的控制、壓力的控制、溫度的控制等 過程量 的 控制。它 由于 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的 工控行業(yè) 主要 的 技術(shù)之一。 (1)比例（ P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 (2)在使用計(jì)算機(jī)、 PLC或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)，等效的 TI和 TD可在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由選擇，但是在模擬式的調(diào)節(jié)器中，因?yàn)榫€路與元件在性能上的限制，可以調(diào)整的范圍要小得多。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩 ， 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。如果控制系統(tǒng)的壓力傳感器的測(cè)量范圍原來是 0~ MPa，改為0~1MPa， cK 則應(yīng)降到原來的 3/5。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)上 經(jīng)常取 iT 是 2? 左右， dT 是 5? 左右。 ② 依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，把 IT 和 DT 置于適當(dāng)?shù)臄?shù)值，再主要對(duì) cK 值完成湊試，得到最合宜的數(shù)值。一般情況下取 2IT ?? 或 ? ? ~ 1IPTT? （ PT 是振蕩周期）在以上的情況下 ，由積分作用引起相位的滯后少于 40 ，幅值的比例增加少于 20%。若只有一個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)可調(diào)整，那么只能滿足其中一個(gè)品質(zhì)的指示，通常取衰減比當(dāng)作指標(biāo)。 簡(jiǎn)單來說，控制器的各校正環(huán)節(jié)的作用如下： ① 比例環(huán)節(jié)：成比例地反應(yīng)出控制系統(tǒng)偏差信號(hào) e(t)，若偏差一旦產(chǎn)生，則控制器會(huì)立即產(chǎn)生的控制作用以便減小誤差。 僅用 P進(jìn)行控制時(shí)，不能完全的消除偏差。對(duì)有積分的元件負(fù)載的系統(tǒng)可以單獨(dú)的使用比例動(dòng)作進(jìn)行控制。在此種場(chǎng)合，為使比例動(dòng)作振蕩衰減與系統(tǒng)穩(wěn)定，可使用比例為分進(jìn)行控制。該種控制方式適用于產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的負(fù)載系統(tǒng)效果比較好。 上述幾種離散型 PID 算法中，工業(yè)上最常采用的是增量型算法。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 22 圖 某村鎮(zhèn)供水廠 基于 電氣及儀表控制的 恒壓供水系統(tǒng) 補(bǔ)水部分的控制回 路如 上 圖 所示 。 此時(shí)，按下運(yùn)行按鈕 SB1，線圈 KM1 得電吸合 ， 使其主觸點(diǎn)在主回路吸合，而且 常開觸點(diǎn)閉合，使得在松開運(yùn)行按鈕 SB1時(shí)，線路自鎖， 1電機(jī)啟動(dòng) 。 同理， 2電機(jī)的工作原理同 1電機(jī)的相同。當(dāng) 2電機(jī)過載時(shí)，熱繼電器 FR2的常閉觸點(diǎn)斷開， 2電機(jī)停止運(yùn)行，起到了保護(hù)電機(jī)的作用，同時(shí)當(dāng) 2電機(jī)過載時(shí)，指示燈 HL6 點(diǎn)亮。此時(shí) HL3指示燈點(diǎn)亮。當(dāng) 1電機(jī)運(yùn)行，由于 某種原因（如水池已達(dá)超高水位、系統(tǒng)電路有故障時(shí)等）按下停止按鈕 SBS1，線圈KM1 失電釋放 ,1電機(jī) 停止運(yùn)行。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 23 補(bǔ)水部分的工作原理 合上隔離開關(guān) QS1，系統(tǒng)通上 三 相電，之后合上隔離開關(guān) QF QF QF QF4， 3臺(tái)電機(jī)得電， 同時(shí) 控制回路通電，指示燈 HL1點(diǎn)亮。 三臺(tái)電 動(dòng) 機(jī)分別為 M M M3。 離散 PID控制算法主要分為兩類，第一類叫位置型算法，第二類叫增量型算法，第三類叫速度型算法。 利用比例動(dòng)作消除偏差的作用與利用微分抑制振蕩作用，結(jié)合積分動(dòng)作便構(gòu)成了PID 控制，該系統(tǒng)就是采用了此種方式。當(dāng)偏差較小時(shí)，比例動(dòng)作的作用就減小。用 PI 進(jìn)行控制時(shí)，能夠消除因改變目標(biāo)值與外來擾動(dòng)等等帶來的偏差。 ③ 微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏 差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率 )，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期的修正信號(hào)，以加快系統(tǒng)中的動(dòng)作的速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間 Ts。 PID 控制算法及特點(diǎn) （ 1） PID 控制 算法的一般形式 PID 控制器是根據(jù)設(shè)定值 r(t)和反饋值 c(t)構(gòu)成的控制偏差： ( ) ( ) ( )e t r t c t?? （ 31） 將偏差進(jìn)行比例 （ P） 、積分（ I）和微分 (D)運(yùn)算，并經(jīng)線性組合后構(gòu)成相應(yīng)的控制量，對(duì)受控對(duì)象來進(jìn)行控制。 (5)對(duì)于含噪音的過程，不適宜引入微分作用，否則的話高頻分量放大得厲害。 (4)積分作用引入有利有弊。 (3)在 P、 I、 D 三個(gè)作用中，比例作用經(jīng)常是最基本的控制作用。 00/T? 的值越大，系統(tǒng)越不容易穩(wěn)定，所以 cK 應(yīng)該盡量小一些。下面列舉一些簡(jiǎn)單的準(zhǔn)則： (1)若廣義對(duì)象的傳函是 000/( 1)sK e T s?? ? ， 比例增益是 cK ，那么整個(gè)系統(tǒng)的總開環(huán)增益就是 0cKK，若在其他因素都相同的情況下，當(dāng) 0K 較大時(shí)，cK 就應(yīng)該稍微小一些， 0K較小的時(shí)候， cK 就應(yīng)該稍微大一些。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 17 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào) 節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 PID 控制，實(shí)際中也有 P、 I、 D、PI和 PD 控制。 (2)軟件型 離散形式的 PID 控制的算法在可編程控制器或單片機(jī)上面做 PID 控制器。 PID 控制是 通過壓力變送器等檢測(cè)和變送的裝置將被控的變量檢測(cè)出來，并且將其與設(shè)定的值進(jìn)行比較，如果有偏差，則需要通過使用 PID 功能去實(shí)現(xiàn)控制作用使偏差基本為零。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。 (2)閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出被控制量會(huì)反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。 到現(xiàn)在為止，各種各樣的 PID控制及其控制器或智能儀表 的 產(chǎn)品在工程實(shí)際中 已經(jīng) 得到了廣泛的應(yīng)用 。 PID參數(shù)的 整定 PID 及其發(fā)展史的介紹 目前 ， 工業(yè) 自動(dòng)化 的 水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。在 本 次 設(shè)計(jì)中 ，會(huì) 采用 變頻循環(huán)式來控制兩臺(tái)加壓泵 。 根據(jù)壓力變送器反饋到變頻器的參數(shù) 與 起初變頻器的給定 值進(jìn)行比較，得出 的偏差值 來改變變頻器的頻率，進(jìn)而 控制加壓水泵 的 轉(zhuǎn)速、此時(shí)電機(jī)該變頻還是工頻運(yùn)行甚至確定此時(shí)啟動(dòng)加壓水泵的臺(tái)數(shù) 。 (3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由兩組水泵構(gòu)成的。除此之外， 為 了提高 系統(tǒng)的可靠性， 在液位傳感器設(shè)定的限位開關(guān)對(duì)供水水池 液位顯示的同時(shí)，能利用此信號(hào)啟動(dòng)或者停止電機(jī)的運(yùn)行，而且在 還需 要壓力變送器進(jìn)行水位的檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果送給變頻器，作為數(shù)字量輸入 ；報(bào)警信號(hào) 作為開關(guān)量信號(hào)， 反映 的是系統(tǒng)是 否 在 正常運(yùn)行， 變頻器是否故障，潛水泵或者加壓水泵是否過載或者故障等 。