【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 中。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(lái)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)。第二組執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由兩臺(tái)加壓水泵組成的，都是從水池取水，進(jìn)而將水供給用戶。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(lái)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)。當(dāng)用戶用水量不同時(shí)，用戶管網(wǎng)的壓力不同，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(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)滿足用戶要求，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。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。變頻循環(huán)式就是變頻器拖動(dòng)任意一臺(tái)加壓水泵作為變頻調(diào)速泵，當(dāng)這一臺(tái)加壓水泵運(yùn)行的頻率達(dá)到工頻50Hz時(shí)，此時(shí)的供水量仍不能滿足用戶用水的要求，變頻器會(huì)給電機(jī)一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)之后，這臺(tái)電機(jī)脫出變頻器的控制，工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器在變頻軟啟動(dòng)第二臺(tái)加壓水泵；變頻固定式就是變頻器拖動(dòng)任意一臺(tái)加壓水泵作為變頻調(diào)速泵，當(dāng)這一臺(tái)加壓水泵運(yùn)行的頻率達(dá)到工頻50Hz時(shí)，此時(shí)的供水量仍不能滿足用戶用水的要求，系統(tǒng)會(huì)直接變頻軟啟動(dòng)另外一臺(tái)加壓水泵，此時(shí)變頻器對(duì)第一臺(tái)加壓泵不做任何切換。在本次設(shè)計(jì)中，會(huì)采用變頻循環(huán)式來(lái)控制兩臺(tái)加壓泵。同時(shí)，恒壓供水系統(tǒng)作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警部分也一個(gè)很重要的組成部分。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。同理，為了防止由于水泵電機(jī)故障或者過(guò)載、變頻器故障、多臺(tái)電機(jī)突然啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電流過(guò)大的沖擊、供水水源突然中斷等造成故障，供水系統(tǒng)必須對(duì)各種可能的故障均設(shè)有有相應(yīng)的指示燈或者電鈴進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)對(duì)警報(bào)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，在顯示的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，以免造成不必要的損失。 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。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)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(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。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。而PID主要應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中，自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)兩類。(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(méi)有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。(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(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)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(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過(guò)不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒(méi)有眼睛，就沒(méi)有了反饋回路，也就成了一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。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(lái)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。PID控制和模糊控制是目前使用的兩種主要方法。PID控制是通過(guò)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(lái)，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(guò)使用PID功能去實(shí)現(xiàn)控制作用使偏差基本為零。即是使反饋量和設(shè)定值相同的一種通用的控制方式。它更適用于流量的控制、壓力的控制、溫度的控制等過(guò)程量的控制。在供水系統(tǒng)中常見的PID控制實(shí)現(xiàn)的方法主要有兩種：(1)硬件型通用PID控制器，當(dāng)使用時(shí)只需進(jìn)行線路之間的連接及P、I、D參數(shù)和設(shè)定值的設(shè)定便可。(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控制的原理和特點(diǎn)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。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。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或者得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制，實(shí)際中也有P、I、D、PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制偏差量進(jìn)行控制的。(1)比例（P）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。(2)積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。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。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。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。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。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(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。(3)微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。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。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。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(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。離散控制特點(diǎn)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(diǎn)：(1)P、I、D三個(gè)作用是相互獨(dú)立的，可分別整定，若沒(méi)有調(diào)節(jié)器參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)問(wèn)題，則不需要考慮到干擾系數(shù)。(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。(3)積分和微分控制作用某些改進(jìn)，較之常規(guī)的調(diào)節(jié)器更為靈活。 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。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。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(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。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。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)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?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。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(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。 PID參數(shù)整定的相關(guān)原則針對(duì)一個(gè)較為具體的系統(tǒng)，具體的設(shè)置及調(diào)整PID參數(shù)，以使調(diào)節(jié)的過(guò)程達(dá)到用戶滿意的品質(zhì)，我們稱之為參數(shù)整定，無(wú)論是用常規(guī)的調(diào)節(jié)器還是用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，都統(tǒng)稱之為調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。下面列舉一些簡(jiǎn)單的準(zhǔn)則：(1)若廣義對(duì)象的傳函是，比例增益是，那么整個(gè)系統(tǒng)的總開環(huán)增益就是，若在其他因素都相同的情況下，當(dāng)較大時(shí)，就應(yīng)該稍微小一些，較小的時(shí)候，就應(yīng)該稍微大一些。比如，變更了變送器的量程之后，調(diào)節(jié)器的就應(yīng)該按一定比例調(diào)整。如果控制系統(tǒng)的壓力傳感器的測(cè)量范圍原來(lái)是0~ MPa，改為0~1MPa，則應(yīng)降到原來(lái)的3/5。(2)在動(dòng)態(tài)參數(shù)的方面，可取作為特征值。的值越大，系統(tǒng)越不容易穩(wěn)定，所以應(yīng)該盡量小一些。與此同時(shí)，和也應(yīng)該取到適當(dāng)?shù)臄?shù)值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)上經(jīng)常取是左右，是左右。因此，如果有的估計(jì)值，那么和值就不難決定出來(lái)了。(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。從這一點(diǎn)出發(fā)，可從兩條途徑其中一個(gè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的湊試:①先用單純的比例作用，選出適當(dāng)?shù)牡闹?，作為基礎(chǔ)，再適當(dāng)?shù)囊牒停瑢⑴c值進(jìn)行挑選。②依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，把和置于適當(dāng)?shù)臄?shù)值，再主要對(duì)值完成湊試，得到最合宜的數(shù)值。以上兩條途徑從表面上來(lái)看是截然相反的，但是它們都是以承認(rèn)比例作用作為主體、作為前提的。(4)積分作用引入有利有弊。我們必須盡可能的發(fā)揮它能夠消除余差的好處，盡量縮小它的弊端。一般情況下取或（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，幅值的比例增加少于20%。在引入積分作用后，應(yīng)比單純比例作用時(shí)減小10%左右。(5)對(duì)于含噪音的過(guò)程，不適宜引入微分作用，否則的話高頻分量放大得厲害。(6)在控制品質(zhì)的方面，穩(wěn)定性要求是前提。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)。若兩個(gè)參數(shù)可調(diào)整，可在衰減比之外，另外添加一個(gè)指標(biāo)。 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： （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(lái)進(jìn)行控制。它的控制規(guī)律是： （32）或 （33）式中：KP—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti—調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；Td—調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間；e—調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)；δ—比例帶，它是慣用增益的倒數(shù)；u—輸出。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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。②積分環(huán)節(jié)：主要用在消除靜差，提高系統(tǒng)無(wú)差度，積分作用強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，TI越小，積分作用則越強(qiáng)。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調(diào)節(jié)器的傳函是： (34)當(dāng)控制算法的公式只包含其中的第一項(xiàng)時(shí)，稱之為比例作用，若只包含其中的第二項(xiàng)時(shí)，稱之為積分作用，但如果只包含其中的第三項(xiàng)是單純微分作用，一般是不采用的，因?yàn)樗鸩坏绞贡豢刈兞口呄蛴谠O(shè)定值的效果，若只包含第一和第二項(xiàng)的則是PI作用，若只包含第一和第三項(xiàng)則是PD作用，若同時(shí)包含三項(xiàng)則是PID作用。僅用P進(jìn)行控制時(shí)，不能完全的消除偏差。為了能消除殘留的偏差，一般都采用增加I的P+I的控制。用PI進(jìn)行控制時(shí)，能夠消除因改變目標(biāo)值與外來(lái)擾動(dòng)等等帶來(lái)的偏差。但是，積分動(dòng)作過(guò)強(qiáng)的時(shí)候，對(duì)于快速變化的偏差響應(yīng)較遲緩。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。對(duì)于比例微分控制，當(dāng)發(fā)生偏差的時(shí)候，很快的產(chǎn)生了比單獨(dú)微分的動(dòng)作較大的操作量，以便來(lái)抑制偏差不斷的增加。當(dāng)偏差較小時(shí)，比例動(dòng)作的作用就減小?？刂频膶?duì)象含積分元件的場(chǎng)合，僅比例動(dòng)作起到控制，有的時(shí)候由于該積分元件作用，系統(tǒng)便發(fā)生了振蕩。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。也就是說(shuō)這種控制方式適用在過(guò)程本身沒(méi)其它有制動(dòng)作用的負(fù)載。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)采用PID控制時(shí)比較其它組合的控制效果會(huì)要好，基本上就能夠獲得無(wú)偏差、系統(tǒng)穩(wěn)定和精度高的控制過(guò)程。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。（2）離散PID控制算法在用單片機(jī)、計(jì)算機(jī)、PLC等等作為控制裝置進(jìn)行直接數(shù)字控制的時(shí)候，對(duì)于各個(gè)被控制變量的離散處理在直接數(shù)字控制的特點(diǎn)就是采樣控制，而且將每個(gè)被控制變量的測(cè)量值隔與設(shè)定值定時(shí)進(jìn)行比較，按預(yù)定的控制算法取得輸出值，通常把它保留直到下一個(gè)采樣時(shí)刻。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。位置型算法如下： （35）上式可該寫為： （36）增量算法如下： （37）上面各式中：T—采樣周期；e(k) —第k次采樣時(shí)的誤差值；e(k1) —第k1次采樣時(shí)的誤差值；Kp—比例系數(shù)；—積分系數(shù)；—微分系數(shù)。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。 補(bǔ)水部分的設(shè)計(jì) 硬件電路圖某村鎮(zhèn)供水廠基于電氣及儀表控制的恒壓供水系統(tǒng)補(bǔ)水部分的主電路如上圖31所示。三臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別為MMM3。QS1是使系統(tǒng)三相電通電的隔離開關(guān)，QFQFQF3分別為控制3臺(tái)電動(dòng)機(jī)通電的空氣開關(guān)，起到短路保護(hù)的作用，KMKM KM3分別為三臺(tái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)接通的接觸器；KM