【正文】 行判別如圖 35 表示。圖 35 用于壓力判斷的回滯環(huán)如果變頻器的輸出為上限頻率，只有當(dāng)實(shí)際的供水壓力比設(shè)定壓力小△Pd/2 的時(shí)候才允許進(jìn)行機(jī)組增加。如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當(dāng)實(shí)際的供水壓力比設(shè)定壓力大△P d /2 的時(shí)候才允許進(jìn)行機(jī)組的增加?；販h(huán)的應(yīng)用提供了這樣一個(gè)保障，即如果切換的判別條件滿足，那就說明此時(shí)實(shí)際供水壓力在當(dāng)前機(jī)組的運(yùn)行狀況下滿足不了設(shè)定的要求。但這個(gè)判別條件的滿足也不能夠完全證明當(dāng)前確實(shí)需要進(jìn)行機(jī)組切換，因?yàn)橛袃煞N情況可能使判別條件的成立有問題:實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場(chǎng)的干擾使實(shí)際壓力的測(cè)量值有尖峰，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)比較短的時(shí)間內(nèi)滿足，造成判斷上的失誤，引起機(jī)組切換的誤操作。這兩種情況有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即創(chuàng)門維持的時(shí)間短，只能夠使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)瞬間滿足。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在判別條件中加入延時(shí)的判斷就顯得尤為必要了。所謂延時(shí)判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進(jìn)行機(jī)組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時(shí)間，比如一、兩分鐘，如果在這段延時(shí)的時(shí)間內(nèi)切換條件仍然成立，設(shè) 定 壓 力 實(shí) 際 壓 力Δ Pd/2減 泵 下 限 頻 率增 泵 設(shè) 定 壓 力 實(shí) 際 壓 力上 限 頻 率廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)22則進(jìn)行實(shí)際的機(jī)組切換操作。如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作 [17]。經(jīng)過上面的討論，將實(shí)際的機(jī)組切換的實(shí)際條件定為：增泵條件： f = 并且延時(shí)判別成立UP2dsfP???減泵條件： f = 并且延時(shí)判別成立LOWdSf?? 本章小結(jié)本章首先分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，給出了恒壓供水的理論模型及近似的數(shù)學(xué)模型。確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程及工作原理。最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件。 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 23第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。 PID 控制及其控制算法在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 Proportional（比例） 、Integral（積分） 、Derivative（微分）控制方式，稱之為 PID 控制。PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有以下優(yōu)點(diǎn)：理論成熟，算法簡(jiǎn)單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。 模擬 PID 控制及算法PID 控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值 r(t)和實(shí)際輸出值 y(t)之間的偏差 e(t)[18][19]： （41）????etryt??經(jīng)比例（P） 、積分（ I）和微分（D）運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量 u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。系統(tǒng)由擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 41。圖 41 PID 控制系統(tǒng)原理框圖圖中 u(t)PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。 PID 控制規(guī)律為： （42 ）p1()u(t)=K[()]DdetettT??式（42）中，K p 表示比例系數(shù)；T 1 表示積分時(shí)間常數(shù)；T D 表示微分時(shí)間常數(shù)。相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式： （43 ）1())pUsGKTSE??比 例 P微 分 D積 分 I 驅(qū) 動(dòng) 被 控 對(duì) 象 r(t)e(t) u(t) d(t) y(t) 廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)24PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下。（1）比例環(huán)節(jié)；成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號(hào)的作用，偏差 e (t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前變化的一種反映。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù) K 的增大而減少。比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對(duì)時(shí)間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)。直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) T1，T 1 越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。（3）微分環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率）做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。但過大的 TD 對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力卻將減弱。PID 的三種作用是相互獨(dú)立，互不影響。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。然而，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。數(shù)字 PID 控制算法 [20][21]自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn) PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字 PID 控制算法是通過對(duì)式（ 42）離散化來實(shí)現(xiàn)的。用一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代表連續(xù)時(shí)間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到 PID 位置控制算法表達(dá)式： （44 ）0(){()()[()1)]}kDDpjukKeeke?????式(44) 中，T 表示采用周期，k 表示采用序號(hào)，e(k)表示第 k 時(shí)刻的偏差信號(hào)，e(k1)表示第 k1 時(shí)刻的偏差信號(hào)，u(k)表示第 k 時(shí)刻的控制量。PID 位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計(jì)算本次與上次的偏差信號(hào)e(k)，e(k1)，而且還要把歷次的偏差信號(hào) e(j)相加，計(jì)算繁鎖，占用內(nèi)存大；另一方面計(jì)算機(jī)輸出的控制量 u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，u(k)可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。為此實(shí)際控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表達(dá)式為 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 25()(1)ukuk??? （45 ）1[())][2(2)]p DKekKee?????式()中， 表示調(diào)節(jié)器輸出的控制增益， 。u?IDIT=KpP，增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的控制增量 Δu (k)僅與最近幾次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，必要時(shí)可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)過程 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)過程分析變頻調(diào)速恒壓供水的目的就是要保證供水能力 QG 適應(yīng)用水 QU 需求變化。當(dāng)供水能力 QG 和用水需求 QU 之間不能平衡時(shí)，必然引起壓力的變化。因此，可根據(jù)壓力的變化，來實(shí)現(xiàn)對(duì)供水流量的調(diào)節(jié)，維持供水能力 QG 和用水需求QU 之間的乎衡。在供水系統(tǒng)中，變頻器、PID 調(diào)節(jié)器、壓力變送器、電機(jī)、水泵等構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以對(duì)供水能力實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。其實(shí)現(xiàn)方法是，首先據(jù)用戶對(duì)水壓的要求，給 PID 調(diào)節(jié)器預(yù)置一個(gè)目標(biāo)壓力值，管道中的實(shí)際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成 4～20mA 的模擬電流信號(hào)反饋給變頻器內(nèi)置的 PID 調(diào)節(jié)器，PID 調(diào)節(jié)器根據(jù)目標(biāo)壓力值和實(shí)際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使供水量適應(yīng)用水量的變化，取得動(dòng)態(tài)平衡，維持水壓不變。其具體調(diào)節(jié)過程如下 [22]：(1) 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行當(dāng)供水能力 QG=用水需求 QU，目標(biāo)壓力信號(hào)和壓力反饋信號(hào)相等，偏差e=yr，PID 輸出的控制增量 ΔU=0，變頻器輸出頻率不變，水泵轉(zhuǎn)速不變，處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。如圖 42 中的 0～t1 段（2）用水量增加時(shí)當(dāng)用水量增加，用水需求 QU供水能力 QG，水壓下降，壓力反饋信號(hào) y 減少，偏差 e=yr0，PID 輸出的控制增量 Δu0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉(zhuǎn)速升高，增加供水能力，最后達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，在達(dá)到新的平衡狀態(tài)之前，壓力反饋信號(hào) y、偏差 e，控制增量 Δu 均處于變化之中，其變化過程如圖 42 中的 tl～t3 段，其中 t2～ t3 段為增加用水量后新的平衡狀態(tài)。廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)26（3）用水量減少時(shí)當(dāng)用水量減少，用水需求 QU供水能力 QG，水壓上升，壓力反饋信號(hào) y 增大，偏差 e=yr0，PID 輸出的控制增量 Δu0，變頻器輸出頻率下降，水泵轉(zhuǎn)速降低，降低供水能力，最后達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。這一動(dòng)態(tài)變化過程，如圖 42 中的 t3～t4 段，其中 t4 段以后為減少用水量后新的平衡狀態(tài)。0000流量Q水壓PP I D輸出控制增量Δ u輸出頻率 f（ 轉(zhuǎn)速 ） nttttt 1t 2 t 3t 4 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 27圖 變頻調(diào)速恒壓供水 PID 調(diào)節(jié) 變頻器 PID 控制功能參數(shù)設(shè)置變頻器 PID 控制功能代碼有 HH21 、H2H2H2H25 共 6 個(gè)，通過對(duì)功能代碼的設(shè)定來保證合理的 PID 運(yùn)行。圖 43 PID 模式PID 模式預(yù)置H20 用以設(shè)置 PID 模式。設(shè)定值 0：不動(dòng)作；1：正動(dòng)作；2：反運(yùn)行。其關(guān)系如圖 43。在供水系統(tǒng)中，當(dāng)壓力增大（即用水量減少） ，水泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)下降，即變頻器輸出頻率與被控量（水壓）的變化趨勢(shì)相反，所以選取模式 2。反饋方式預(yù)置系統(tǒng)采取的是電流輸入反動(dòng)作，設(shè)定 H21 為 2。壓力目標(biāo)值的預(yù)置壓力目標(biāo)值是一個(gè)比值，它和允許的管道壓力大小及選用的傳感器有關(guān)。其關(guān)系為: 壓力目標(biāo)值= （管道允許壓力／壓力表量程）100%。根據(jù)城區(qū)供水管網(wǎng)情況及水壓需要，確定總出水口水壓大小為 ，選用的遠(yuǎn)傳壓力表量程是 0～1MPa，則目標(biāo)值為 40%。選擇 X1 端子功能，設(shè)定“E01 ”為 II，通過變頻器鍵盤面板操作直接輸入確定的壓力目標(biāo)值。P、I 、D 參數(shù)預(yù)置P、I、D 參數(shù)通過 H2H23 、H24 來設(shè)定。其中 H22 用以設(shè)定 P 增益，設(shè)定范圍：～10 倍；H23 用以設(shè)定積分時(shí)間，設(shè)定范圍 ～3600s；H24 用以設(shè)定微分時(shí)間，設(shè)定范圍 ～ 。由于 P、I、D 的取值與系統(tǒng)的慣性大小有很大的關(guān)系，需經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)試，可按以下總體原則來進(jìn)行整定。H22（增益 P） ，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；H23（積分時(shí)間 I） ，在不發(fā)生振蕩條件下減小其值；H24（微分時(shí)間 D） ，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；10%0%PID輸 出最 高頻 率 正 動(dòng) 作 反 動(dòng) 作變 頻 器 輸 出 頻 率廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)28用示波器監(jiān)視壓力表輸出電壓波形，根據(jù)波形情況做參數(shù)調(diào)整。常見有下面幾種情況。圖 44 PID 參數(shù)調(diào)整（1）抑制超調(diào)增大 H23（積分時(shí)間） ，減小 H24（微分時(shí)間） ，如圖 44 a。（2）允許小量超調(diào)前提下加快響應(yīng)速度減小 H23（積分時(shí)間） ，增大 H24（微分時(shí)間） ，如圖 44 b。（3）抑制比 H23（積分時(shí)間）長(zhǎng)的周期性振蕩增大 H23（積分時(shí)間） ，如圖 44 c。（4）抑制大約和 H24（微分時(shí)間）同樣長(zhǎng)周期的振蕩減小 H24（微分時(shí)間） 。設(shè)定 0 時(shí)，若仍有振蕩時(shí)，減小 H22（增益） ，如圖 d。在 PID 功能有效且完成參數(shù)預(yù)置后，變頻器完全按用戶設(shè)定的 P、I、D 調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)行，其工作特點(diǎn)是：（1）變頻器的輸出頻率只根據(jù)水壓實(shí)際壓力大小與設(shè)定的目標(biāo)壓力的偏差進(jìn)行調(diào)整，與被實(shí)際水壓大小并無對(duì)應(yīng)關(guān)系。（2）變頻器的升、降速時(shí)間完全取決于由 P、I、 D 值所決定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。（3）變頻器的輸出頻率始終處于調(diào)整狀態(tài)，因此，其顯示的數(shù)值常不穩(wěn)定。水 壓 P0 d調(diào) 整 前調(diào) 整 后 t調(diào) 整 后 調(diào) 整 前水 壓 P t水 壓 P tac b水 壓 P調(diào) 整 前調(diào) 整 后調(diào) 整 前調(diào) 整 后 t000