【正文】 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)的理論分析 根據(jù)工藝的要求，供水系統(tǒng)可分為信號檢測系統(tǒng)、控制機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)三大部分，具體為： (1)信號檢測系統(tǒng)：在系統(tǒng)的控制過程中， 有很多 需要檢測的信號 ，主要 包括 對水池液位、管網(wǎng)水壓 和報警 等 信號 的檢測 。 (3)執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由兩組水泵構(gòu)成的。在 本 次 設(shè)計中 ，會 采用 變頻循環(huán)式來控制兩臺加壓泵 。 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)品在工程實際中 已經(jīng) 得到了廣泛的應(yīng)用 。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。 (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上面做 PID 控制器。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào) 節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 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)計的核心內(nèi)容。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。 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。 (4)積分作用引入有利有弊。 PID 控制算法及特點 （ 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） 將偏差進行比例 （ P） 、積分（ I）和微分 (D)運算，并經(jīng)線性組合后構(gòu)成相應(yīng)的控制量，對受控對象來進行控制。用 PI 進行控制時，能夠消除因改變目標(biāo)值與外來擾動等等帶來的偏差。 利用比例動作消除偏差的作用與利用微分抑制振蕩作用，結(jié)合積分動作便構(gòu)成了PID 控制，該系統(tǒng)就是采用了此種方式。 三臺電 動 機分別為 M M M3。當(dāng) 1電機運行，由于 某種原因（如水池已達超高水位、系統(tǒng)電路有故障時等）按下停止按鈕 SBS1，線圈KM1 失電釋放 ,1電機 停止運行。當(dāng) 2電機過載時，熱繼電器 FR2的常閉觸點斷開， 2電機停止運行，起到了保護電機的作用，同時當(dāng) 2電機過載時，指示燈 HL6 點亮。 此時，按下運行按鈕 SB1，線圈 KM1 得電吸合 ， 使其主觸點在主回路吸合，而且 常開觸點閉合，使得在松開運行按鈕 SB1時，線路自鎖， 1電機啟動 。 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。在此種場合，為使比例動作振蕩衰減與系統(tǒng)穩(wěn)定，可使用比例為分進行控制。 僅用 P進行控制時，不能完全的消除偏差。若只有一個調(diào)節(jié)器的參數(shù)可調(diào)整，那么只能滿足其中一個品質(zhì)的指示，通常取衰減比當(dāng)作指標(biāo)。 ② 依據(jù)以往的經(jīng)驗，把 IT 和 DT 置于適當(dāng)?shù)臄?shù)值，再主要對 cK 值完成湊試，得到最合宜的數(shù)值。如果控制系統(tǒng)的壓力傳感器的測量范圍原來是 0~ MPa，改為0~1MPa， cK 則應(yīng)降到原來的 3/5。 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。 (2)在使用計算機、 PLC或單片機實現(xiàn)時，等效的 TI和 TD可在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)自由選擇，但是在模擬式的調(diào)節(jié)器中，因為線路與元件在性能上的限制，可以調(diào)整的范圍要小得多。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 (1)比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。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。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(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。 根據(jù) 變頻器拖動第二組執(zhí)行機構(gòu)中，加壓水泵運行 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 。 其中， 控 制器是整個 供水 系統(tǒng)的核心。 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 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 實現(xiàn) PLC和 PID 等的功能。一般主要由異步電動機驅(qū)動加壓水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把水泵和電機做成一體，通過變頻器參數(shù)調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，從而控制加壓泵出水量來實現(xiàn)恒壓供水。 從水源井群中抽出來的水先儲存在水池中再通過加壓泵組恒壓供給每一個用戶。 所以水錘效應(yīng)產(chǎn)生的根本 原因是在啟動和制動過程中動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大。 表 電機直接啟動和變頻調(diào)速軟啟動的對比 表 電機直接啟動和變頻調(diào)速軟啟動的對比 對比內(nèi) 容 直接啟動 變頻調(diào)速啟動 啟動電流 額定電流的 5～ 7倍 在額定電流以下 啟動對電網(wǎng)的沖擊 巨大 無 啟動對變壓器的沖擊 巨大 無 啟動對開關(guān)、接觸器等電器的沖擊 巨大 無 啟動對電纜的沖擊 巨大 無 啟動對電機的沖擊 巨大 無 啟動對聯(lián)結(jié)軸的沖擊 巨大 無 啟動對變速箱的沖擊 巨大 無 啟動和運行的可靠性 低 高 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 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 在進行全電壓啟動時，異步電動機只需要 就可以從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速狀態(tài) 。 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 揚程 H與流量 Q之間的關(guān)系 H f (Qc )。 (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。 根據(jù)上述的控制要求，進行系統(tǒng)方案整體的設(shè)計。當(dāng)水位為超高水位的時候，應(yīng)停止所有的潛水泵；當(dāng)水位為高水位的時候，只啟動一臺潛水泵，當(dāng)水位為低水位的時候，啟 動兩臺潛水泵，當(dāng)水位為超低水位的時候，同時啟動三臺潛水泵。 (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)。 (2)20世紀 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 。我國 國有企業(yè) 和民 營 企業(yè)所占比重僅 僅 為 33%。它在系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用，集檢測、顯示、觀察與控制為一體的控制器。系統(tǒng)的動態(tài)性 能 、穩(wěn)定性及抗擾性等方面，還遠遠沒有達到用戶的要求。所以，設(shè)計基于變頻調(diào)速的恒壓供水系統(tǒng)，在滿足人民的生活需求的基礎(chǔ)上，降低了耗能， 具有廣闊的應(yīng)用前景和顯著的經(jīng)濟效益與社會效益。 變頻器 是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電 子技術(shù) 的集中技術(shù)電氣 ，通過改變 電機 工作 頻率 方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備 ，擁有強大且多 種 內(nèi)置功能 。 蓄水池包含三臺潛水泵電機控制水位，依據(jù)水位的不同，啟動不同臺數(shù)的潛水泵，功率大一臺的應(yīng)采用降壓啟動。先把水源井中的水注入加壓站的蓄水池中，然后 由加壓泵從蓄水池通過變頻調(diào)速控制為用戶供水。 自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù) 在實際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。利用變頻恒壓供水系統(tǒng)進行供水不僅可以提高供水系統(tǒng)的 穩(wěn)定性和可靠性，易于實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；而且有良好的節(jié)能性，同時提高供水效率。 這樣的變頻器 雖有了重大的突破 ，但還有很多的缺點，它 輸出接口的擴展功能 不 靈活，系統(tǒng)的 整體 性能不好， 允許 帶負載的容量也受到了限制，與 網(wǎng)絡(luò)、計算機、通訊設(shè)備等 系統(tǒng)很難 實 現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的通訊，在實際 應(yīng)用中， 范圍 在很大程度上 受到了限制。 給排水的常用儀表及其作用 在供水，排水等系統(tǒng)中，儀表是不可或缺的儀器。 但在這 行 業(yè) 領(lǐng)域 中，外 企 的 優(yōu)勢 更為 明顯，比重達到 了 67%。 它的 的發(fā)展大體經(jīng)歷了 以下 四個階段： (1)壓力變送器 在早期 采用大位移式 的 工作原理，精度低 、而 且 本身 笨重。 (2)出現(xiàn)了 自診斷功能 ， 在接通電源時 將會自動 進行自檢 ,在工作中實現(xiàn) 了 運行檢查。補水的時候根據(jù)水池水位對 3 臺潛水泵內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 5 進行控制，在水池水位設(shè)超高、高、低、超低 4 個水位，潛水泵控制應(yīng)能根據(jù)水池水位的高低控制所啟動的潛水泵臺數(shù)，從 3 眼井組成的水源井群中抽水注入加壓站的蓄水池中。 本設(shè)計中有 1個貯水池， 3臺 潛 水泵， 2臺加壓泵，變頻器 根據(jù) 供水 管網(wǎng) 的 壓力 ， 自動控制各個水泵之間 、不同水泵之間的工、變頻 切換，并 且 根據(jù) 當(dāng)前 壓力檢測值和給定值之間 的 偏差進行 PID 運算， 結(jié)果 輸出給變頻器 的端子，作用他的輸出頻率，調(diào)節(jié) 供水的 流量，使供水 的 壓力恒定。 (3)水泵的電氣控制柜，同時具有遠程和就地控制的功能，數(shù)據(jù)通訊接口能與控制信號或者軟件相連，對供水的實時數(shù)據(jù)進行傳送，以便實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、監(jiān)控以及報表的打印等功能。 若管路中 閥門開度和 加壓 泵轉(zhuǎn)速都 恒定 不變， 此時 流量的大小主要取決于 實時用水用戶 的多少 和 用水 的 情況 ，因此， 用水流量 Q(u)和 揚程 H之 間的關(guān)系 反映的是 揚程特性。 變頻恒壓 供水系統(tǒng) 中， 電機直接啟動與變頻 調(diào)速軟 啟動的對比如表 所示。也 會引起水錘效應(yīng) 和壓力沖擊 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 研究對象 圖 村鎮(zhèn)供水廠簡單流程 如圖 ，是某 村鎮(zhèn)供水廠簡單流程 。 水池變頻恒壓供水部分 水池變頻恒壓供水系統(tǒng)部分主要由加壓水泵、變頻器、管道、壓力傳感器和閥門等構(gòu)成。 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 很 簡單， 系統(tǒng)集成化程度很高。 (2)控制機構(gòu)：供水 系統(tǒng) 的設(shè)備大部分都安裝在 控制柜中， 主要包括 控制器 和變頻器兩 大 部分。 當(dāng)用戶用水量不同時，用戶管網(wǎng)的壓力內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 14 不同，水池的壓力變送器顯示出相應(yīng)的壓力值，變頻的改變加壓電機的轉(zhuǎn)速來滿足用戶要求，實現(xiàn)恒壓供水 。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu) 和 輸入輸出接口。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。即是使反饋量和設(shè)定值相同的一種 通用的控制方式。 PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制 偏 差內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 16 量進行控制的。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步 減小，直到等于零。 離散控制特點 將離散的 PID算法與模擬的 PID算法相比較，它具有以下優(yōu)點： (1)P、 I、 D三個作用是相互獨立的，可分別整定，若沒有調(diào)節(jié)器參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)問題，則不需要考慮到干擾系數(shù)。二是工程整定方法， 它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。比如，變更了變送器的量程之后，調(diào)節(jié)器的 cK 就應(yīng)該按一定比例調(diào)整。 從這一點出發(fā)，可內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 18 從兩條途徑其中一個進行現(xiàn)場的湊試 : ① 先用單純的比例作用，選出適當(dāng)?shù)?cK 的值，作為基礎(chǔ)，再適當(dāng)?shù)囊?IT 和 DT ，將 IT 與 DT 值進行挑選。 (6)在控制品質(zhì)的方面，穩(wěn)定性要求是前提。 PID 調(diào)節(jié)器的傳函是： ? ? ? ?111cDIG s T sT? ??? ? ????? (34) 當(dāng)控制算法的公式只包含其中的第一項時，稱之為比例作用，若只包含其中的第二項時，稱之為積分作用，但如果只包含其中的第三項是單純微分作用，一般是不采用的，因為它起不到使被控變量趨向于設(shè)定值的效果，若只 包含第一和第二項的則是 PI 作用，若只包含第一和第三項則是 PD作用，若同時包含三項則是 PID 作用?？刂?的對象含積分元件的場合，僅比例動作起到控制，有的時候由于該積分元件作用，系統(tǒng)便發(fā)生了振蕩。 位置型算法如下： ? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )k dp ji TTu k k e k e j e k e kTT???? ? ? ? ?????? （ 35） 上式可該寫為： ? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )kp i dju k K e k k e j K e k e k?? ? ? ? ?? （ 36） 增量算法如下： ( ) ( ) ( 1)u k u k u k? ? ? ? ? ? ? ?( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2)p i dK e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 37） 上面各式中： T— 采樣周期； e(k) — 第 k次采樣時的誤差值； e(k1) — 第 k1次采樣時的誤差值； Kp— 比例系數(shù)； /i p iK K T T? — 積分系數(shù)； /d p dK K T T? — 微分系數(shù)。 在控制回路里，將