【正文】 ...................................................................................... 20 PID控制器參數(shù)整定 .............................................................................................. 23 PID控制及其控制算法 ................................................................................... 23 PID的參數(shù)整定 ............................................................................................. 25 結 論 ................................................................................................................................ 28 致 謝 .................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 國內外研究概況 高層樓宇恒壓供水控 制系統(tǒng)的發(fā)展得益于 變頻 調速技術的發(fā)展。直至 1968年，丹佛斯公司（丹麥 ）發(fā)明并首家生產了面向多臺設備的 變頻 器之后， 變頻 技術的歷史性革新發(fā)展及 變頻 恒壓供水控制系統(tǒng)體現(xiàn)出來的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度高等優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果才被大家發(fā)現(xiàn)和認可。因此，在實際使用時其范圍依然受到諸多的限制。 即使目前變頻調速還存在諸多短處，變頻 調速依然是目前優(yōu)于以往任何一種 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 緒論 2 調速方式 (如調壓調速、串級調速、變極 調速等 )的控制系統(tǒng)，變頻調速已成為當今世界上一項性能最好、效益最高、應用最廣、最有發(fā)展前途的電機調速技術。管網(wǎng)水壓信號檢測的是用戶管網(wǎng)的水壓值，他是整個系統(tǒng)的主要反饋信號。液位傳感器通常安裝于水池中；報警信號 是當工作組機構運行有錯誤時輸出信號， 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)整體設計 4 系統(tǒng)進行相應的開關控制以此保護整個系統(tǒng)。 根據(jù)實時用水情況的不同，變頻器可以有兩種工作方式：變頻固定式和變頻循環(huán) 式。由于本系統(tǒng)適用范圍廣泛，所以為了保證系統(tǒng)能 夠安全、可靠、平穩(wěn)的運行，系統(tǒng)必須具有對各種警報量的檢測功能，檢測量會直接送至 PLC，并由 PLC 判斷報警類別，進行相應的動作控制，以免造成不必要的損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結構框圖如圖 ： P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C 圖 制系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng)的壓力變送器安裝于用戶供水管道上，并實時檢測監(jiān)測點的水壓，以 4— 20mA 的電信號傳送至 PLC，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關鍵參數(shù)。 (2) 當用水量增加導致管網(wǎng)水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號會減小，偏差變大， PLC 的輸出信號變大，變頻器的將增大輸出頻率，從而使水泵的轉速增大，供水量增大，最終水 泵的轉速將相對穩(wěn)定在一個轉速值。如果供水量持續(xù)增加，變頻器的輸出頻率也已經達到頻率的最高上限 50Hz，但壓力卻仍沒有達到初始設定值時，控制系統(tǒng)的終端就會傳送警報信號，主機發(fā)出水壓超限報警，此時供水系統(tǒng)已經達到設計的最大負荷。那么怎么才能使系統(tǒng)既能有效的工作在額定供水壓力范圍內，又能避免上訴情況的出現(xiàn)，同時又使機組不過于頻繁的切換呢 ? 由于我國電網(wǎng)的固定傳輸頻率是 50HZ，因而變頻器和電機工作頻率受到限制，因 此 50HZ 成為頻率調節(jié)的上限頻率。在實際應用中這個頻率就是電機運行的下限頻率。 當水泵機組的輸出頻率達到上限頻率時，管網(wǎng)的實際供水壓力會趨于穩(wěn)定在某一壓力值。所以在系統(tǒng)構建之初就要考慮相關的解決方案，一旦出現(xiàn)此情況系統(tǒng)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，水泵機組的使用壽命也會大大縮短，頻繁使用的閥門和水泵等相關器件也會很快磨損，造成設備維護成本的上升。主要設備選型如表 所示： 表 本系統(tǒng)主要硬件設備清單 主要設備 型號及其生產廠家 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機組 SFL 系列水泵 3臺（ 上海 熊貓機械有限公司） 壓力變送器及顯示儀表 普通 壓力表 Y100、 XMT1270 數(shù)顯儀 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26(淄博丹佛斯 公司 ) PLC 及其擴展模塊的選型 PLC 是整個系統(tǒng)的核心部件，它需要完成很多任務，如：輸入號的采集、輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)、對外的數(shù)據(jù)交換等。 SIEMENS公司的產品可擴展性好，可靠性高，有豐富的通信指令，通信協(xié)議簡單；工控計算機與 PLC 建立連接后，控制系統(tǒng)就可以實現(xiàn)監(jiān)測控制。此模塊由 4個模擬輸入 (AIW)， 1個模擬輸出 (AQW)信號總共 5個通道組成。接觸器 KM KMKM5 分別控制 M M M3的工頻運行；接觸器 KM KM KM6 分別控制 M MM3 的變頻運行； FR FR FR3 為熱繼電保護器，分別為三臺水泵電機過載保護；QS QS QS QS4為隔離開關； FU 為熔斷器，用來保護主電路。當電機工頻運行時，隔離開關及變頻器輸出端的接觸器與變頻器之間斷開，工頻運行的接觸器與隔離開關之間閉合。當電動機處于工頻運行狀態(tài)時，接觸器的觸點會自動斷開。系統(tǒng)開始初始運行時，必須先觀察電動機的轉向，確保轉向正常。當采用手動控制時，必須采用自耦變壓器降壓啟動或軟啟動 的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動器。 如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。如果變頻器想進行復頻控制，只需要通過中間繼電器的觸點即可。單刀雙擲開關 SA 打至 1端時開啟手動控制模式，此時可以通過開關分別控制三臺水泵電機在工頻下的運行和停止。 （ 2）自動控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。同理， 3水泵的控制原理也是如此。 (2) 在供水量小的情況下，如果同一臺水泵運行時間超過 3h，則要切換至下一臺水泵，此舉就是通常所說的“倒泵功能”，這是為了避免同一臺水泵工作時間過長導致的使用壽命下降。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報警功能。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設計 15 本系統(tǒng)由 1 個模擬量輸出信號和 11 個數(shù)字量輸出信號組成。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 系統(tǒng)的軟件設計 16 4 系統(tǒng)的軟件設計 系統(tǒng)軟件設計分析 硬件連接完成并整體檢測通過之后，系統(tǒng)的控制功能就要通過軟件來得以實現(xiàn)，結合樓宇水泵站的實際要 求，對水泵站軟件設計做了如下分析： (1) 處于“恒壓”要求的水泵工作組數(shù)量管理 為了保持恒定的水壓，在水壓降低時水泵電機需要提高工作頻率來獲得更多的提升力，在一臺水泵機組不能滿足要求的時候還需要另一臺水泵的介入。 (2) 多泵組泵站泵組交互管理 由于設計之初水泵工作組之間希望全部實現(xiàn)軟啟動，并 且實現(xiàn)水泵之間的交替使用，所以在運行時需要有管理規(guī)范。 (3) 程序的結構及功能實現(xiàn) 在對模擬量單元及 PID 進行調節(jié)之前，需要將編制程序初始化并且中止系統(tǒng)程序運行，本系統(tǒng)程序大致可分為主程序、子程序、中斷程序三部分。由于白天、夜間兩種模式的給定管網(wǎng)壓力值不相同，需要事先將兩個恒定值是通過數(shù)字方式直接設定于程序 中。語句表 (STL)語言類似于計算機常用語言中的的匯編語言，計算機領域的工程技術人員特別適用于此語言，用戶程序由指令助記符實現(xiàn)，屬于直接面向機器硬件的機器語言，屬于 最基礎的編程語言。 控制系統(tǒng)主程序設計 PLC 主程序主要由系統(tǒng)的初始化程序、水泵電機變頻 /工頻切換程序、水泵電機起動程序、水泵電機換機程序、模擬量 (壓力、頻率 )比較計算程序和報警程序等模塊構成。初始化完成后，緊接著系統(tǒng)需要重新設定白天、夜間兩種供水模式下給定水壓值和變頻泵泵號和工頻泵投入臺數(shù)等。 當只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進行判斷，超過 3h則自動倒泵變頻運行。由于各水泵工頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以 1水泵為例進行說明。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點亮。由于在圖 中并未對各臺水泵的變頻和工頻運行控制做詳細介紹，因此圖 和圖 對其作了完整的補充。假設所選變頻器的輸出頻率范圍為0~100HZ，則上下限給定值分別為 16000 和 6400。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 系統(tǒng)的軟件設計 21 圖 初始化子程序 SBR_0 梯形圖 (2) PID 控制中斷子程序 首先將由 AIW0 輸入的采樣數(shù)據(jù)進行標準化轉換，經過 PID 運算后，再將標準值轉化成輸出值，由 AQW0 輸出模擬信號。此控制系統(tǒng)是目前國際上連續(xù)控制系統(tǒng)中技術最廣泛、應用最穩(wěn)定的控制方式。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 系統(tǒng)的軟件設計 24 r ( t )e ( t )比 例積 分++++u ( t )水 泵 管 網(wǎng)y ( t )－實 際 壓 力給 定 壓 力頻 率轉 速壓 力 變 送 器微 分 圖 PID控制原理框圖 PID 控制規(guī)律為： 1 ( )( ) ( ) ( )pdid e ty t K e t e t d t TT d t??? ? ?????? （ ） 式中： Kp 比例系數(shù)； Ti積分時間常數(shù)； Td微分時間常數(shù)。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 自從計算機進入控制系統(tǒng)領域以來，數(shù)字計算機在可靠性和靈活性的優(yōu)勢逐漸取代了傳統(tǒng)的模擬調節(jié)器來實現(xiàn) PID 控制算法。 PID 的參數(shù)整定 控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來可分為兩大類：理論計算整定法和工程整定法，常用的工程整定法有：動態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法和現(xiàn)場經驗整定法，本設計選用的是動態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程（包括調節(jié)閥 WV(s)、被控對象 WO(s)和測量變送 Wm(s)）階躍響應特性進行近似計算的方法。 攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 系統(tǒng)的軟件設計 26 當 ??? 時， 81TT?? ????? () ? () 計算的： 3?? ， 240IT? PI 控制器的傳遞函數(shù)為 ： 1 1 2 4 0 1( ) 13 2 4 0 7 2 0C sWs ss ???? ? ????? 用 matlab 軟件仿真，編程如下： s1=tf(2,[300,1])。 step(s)。在這次畢業(yè)設計中有如下認識： 在高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)中，三臺水泵工況的調節(jié)是通過調節(jié)變頻器的頻率來改變來改變電機的轉速 n，從而改變水泵的滿載工作率得以實現(xiàn)的。 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機、 遠傳壓力表以及接觸器控制柜等構成。 團隊精神很重要：在本次設計中，我們組的成員在一起共同討論，一起研究，一起相互提問，相互學習，有時有些同學不經意間的話語都對設計有很大幫助。 在歷時將近兩個月的時間，終于將該論文完成，在寫作過程中遇到了不少困難和障礙，但都在老師和同學的幫助下順利的度