【正文】 PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是： (54)當上述控制算法公式只包含第一項時，稱為比例(P)作用，只包含第二項時。：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。其控制規(guī)律為： （52）或 （53）式中：KP—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti—調(diào)節(jié)器的積分時間；Td—調(diào)節(jié)器的微分時間；e—調(diào)節(jié)器的偏差信號；δ—比例帶，它是慣用增益的倒數(shù)；u—輸出。使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器或（單片機）上做PID控制器。即通用PID控制器，在使用時只需要進行線路的連接和P、I、D參數(shù)及設(shè)定值的設(shè)定即可。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。 PID控制原理圖通過傳感器等檢測、變送裝置將被控變量檢測出來，并將其與設(shè)定值進行比較，若有偏差，則通過PID功能的控制作用使偏差為零。PID控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制方式之一。第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計 變頻恒壓供水系統(tǒng)中的PID調(diào)節(jié)變頻恒壓供水系統(tǒng)的核心是恒壓控制，它是根據(jù)水壓給定值與供水管道中實際壓力值的偏差大小，來控制變頻器輸出頻率，使變頻器實時調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)管路中壓力的變化。 ⑵控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計含有主電路設(shè)計、控制電路設(shè)計以及主要硬件的選型與配置。主要概括如下: ⑴變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器、工控機以及接觸器、控制柜等構(gòu)成。變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，改變水泵性能曲線來實現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。在本設(shè)計中將采用壓阻式壓力傳感器。力學傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。 變送器的選取監(jiān)控技術(shù)是依靠變送器等設(shè)備來檢測信息的，根據(jù)系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集裝置，來自生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程參數(shù)經(jīng)過變送器測量變送后變?yōu)? ~20mA的標準儀表信號，經(jīng)電纜傳送至儀表室的PLC，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號。其特點為：采用富士電機獨自開發(fā)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制方式，%；具有包括自整定功能在內(nèi)的許多方便功能；小型、全封閉防護結(jié)構(gòu)(22KW)，～400KW，機種規(guī)格齊全。功率大于75KW以上的，有自帶直流電抗器，可以使用延伸電纜選件，可簡單地實現(xiàn)遠方操作。輸入和輸出均有余量，可以滿足日后系統(tǒng)擴充的要求。系統(tǒng)中PLC的選型包括一個CPU266主模塊，兩個EM222擴展模塊，一個EM235模擬量擴展模塊。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉(zhuǎn)換，標準輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長（16bit）的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個字長（16bit）的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標準輸出信號。此外，為了方便的將水位信號、電機頻率信號和同相比較信號傳輸給PLC，經(jīng)比較計算后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號，選擇了EM235模擬量擴展模塊。在附屬小泵開啟后，壓力達不到設(shè)定壓力，則經(jīng)過一定的延時后，關(guān)掉附屬小泵，開啟調(diào)速泵進行控制，工作過程同 4。在這種情況下，若實際壓力低于設(shè)定壓力，則延時后開啟附屬小泵進行補水，附屬小泵開啟后，若實際壓力高于附屬小泵的工作壓力(設(shè)定壓力+附屬小泵啟停壓力誤差)，則關(guān)掉附屬小泵。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下一臺變頻泵運行為止。當最后一臺水泵投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻率50Hz時，壓力仍未達到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。當用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率50Hz 時，若此時用戶管網(wǎng)的實際壓力還未達到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件時，在變頻的控制方式下，系統(tǒng)將電機 1 水泵切換至工頻電網(wǎng)供電后，1 水泵恒速運行，同時使2 水泵投入變頻器并變速運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到設(shè)定值為止?？刂屏鞒倘缦拢合到y(tǒng)上電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動調(diào)速水泵，通過恒壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以達到控制調(diào)速泵轉(zhuǎn)速的目的，當輸出壓力達到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值。通常采用手動控制。此信號來自在安裝于水源處的小浮球式液位傳感器。⑵液位信號：它反映水泵的進水水源是否充足。 控制電路圖 信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和消防信號：⑴水壓信號：它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。嚴禁出現(xiàn)一臺電動機同時接在工頻電源和變頻電源的情況，同時要求變頻器始終只與一臺電動機相連。在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了實現(xiàn)系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護系統(tǒng)，延長系統(tǒng)的使用壽命，提高系統(tǒng)工作的可靠性。在整個控制系統(tǒng)中，所有控制電機、閥門、接觸器的動作，都是按照PLC的程序邏輯來完成的。接觸器KMKMKMKM9分別控制MMMM4的工頻運行；接觸器KMKMKMKM8分別控制MMMM4的變頻運行；FRFR FR FR4分別為四臺水泵電機過載保護用的熱繼電器；QF1 、QF QF QF4 、QF5分別為變頻器和四臺泵電機主電路的隔離開關(guān)。另外為了改善變頻器的功率因素，還需配置相應(yīng)的DC電抗器，變頻器的[P1，P+]端子是連接DC電抗器之用。一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻/工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。電流表安裝在控制柜上，可以方便地觀察電機的三相工作電流，便于操作人員監(jiān)測電機的工作狀態(tài)。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當選擇。 系統(tǒng)硬件設(shè)計 主電路設(shè)計在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，采用一臺變頻器連接4臺電動機，每臺電機通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。如果變頻器不能正常工作，則如上所述轉(zhuǎn)入工頻運行；如果其中一臺水泵發(fā)生故障，則切除該泵，其它泵正常運行。該運行方式下，水泵只有工頻運行和停止兩種工作狀態(tài)。 如果變頻器不能正常工作，系統(tǒng)采用全自動工頻運行方式，泵1先工作在工頻狀態(tài)，壓力變送器采樣后送給PLC，看是否在控制區(qū)間內(nèi)，是的話，系統(tǒng)狀態(tài)不變；否則改變狀態(tài)，超過區(qū)間上限則切除一個泵，超過下限則工頻啟動一個泵，系統(tǒng)繼續(xù)壓力信號采樣，重新建立監(jiān)控區(qū)間。按下全自動按鈕，系統(tǒng)開始運行，PLC給變頻器RUN信號，然后判斷變頻器能否工作正常，正常的話采用全自動變頻恒壓控制方式，反之采用全自動工頻運行方式。PLC是上位機，變頻器是下位機。系統(tǒng)開始運行后，PLC給變頻器啟動信號，轉(zhuǎn)速信號和復位信號，變頻器則給PLC提供變頻器故障信號，PLC根據(jù)故障信號進行處理，監(jiān)控變頻器的運行。而變頻器則主要是負責控制當前電機轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速的變化能跟隨用水量的變化。 PLC負責按鈕、模擬信號和其他開關(guān)量信號的輸入，以及發(fā)出信號去控制接觸器、變頻器等電氣元件，進而控制水泵的運轉(zhuǎn)及整個系統(tǒng)的正常運行。⑼ 應(yīng)該做到系統(tǒng)無故障運行時，基本上可以做到無人自動恒壓變頻無級別調(diào)速運行。PLC要能夠和上位機進行通訊，從而對各泵站進行遠程監(jiān)控。⑸ 要對變頻器的運行情況進行監(jiān)測，還有供水池的水位、水泵的轉(zhuǎn)速、管網(wǎng)壓力都要進行監(jiān)控，對于危險情況要設(shè)置報警信號，并自動作出反應(yīng)，切除危險源，防止危險擴大。變頻器應(yīng)該能夠?qū)λ眠M行變頻器過載、失速、過電流、過電壓、欠電壓、輸入缺相、電動機過載、變頻器過熱、變頻器內(nèi)散熱板過熱及其它一些常規(guī)保護。在本系統(tǒng)中，水壓參數(shù)SP是根據(jù)泵房出口處的水路的水壓設(shè)定的，取SP=。⑶ 管網(wǎng)水壓參數(shù)的設(shè)定。⑵ 要對管網(wǎng)水壓進行實時數(shù)據(jù)采樣，信號直接送往變頻器，從而實現(xiàn)對管網(wǎng)壓力的閉環(huán)控制。在全自動方式下，按下啟動按鈕，系統(tǒng)就能自動賦初值，根據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和運行臺數(shù)，確定每臺泵的具體工作狀態(tài)，使其達到最優(yōu)配置。任意時刻的停泵要求系統(tǒng)都應(yīng)該響應(yīng)，否則不能滿足緊急情況下的停泵要求。在手動方式下，可以對控制水泵中的任意一臺進行啟動和關(guān)閉操作，該方式主要用于系統(tǒng)設(shè)計初期的測試，方便任一時期的檢修，以及緊急情況下的水泵控制。 功能設(shè)定⑴ 運行方式分為手動、全自動兩種。在此基礎(chǔ)之上對系統(tǒng)的控制方式進行了簡介，并大概講述了恒壓供水系統(tǒng)的概況。 本章小結(jié)本章簡單介紹了變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，以及其實現(xiàn)方法。由于本供水系統(tǒng)要求進行壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)和水泵機組的變頻運行與工頻運行的同步切換，所以，為了保證系統(tǒng)的安全、可靠、平穩(wěn)運行，防止因超調(diào)、過電壓、過電流、缺水造成故障，因此對主電路的電壓、電流等進行監(jiān)測，通過檢測變送裝置，由PLC判別報警類別，進行顯示和保護動作控制。同步切換控制的核心部分是鎖相環(huán)路能夠進入捕捉帶，在捕捉范圍內(nèi)不斷進行頻率的閉環(huán)調(diào)節(jié)，達到同步鎖定狀態(tài)，即變頻器輸出頻率與工頻電源頻率相同，且二者相位基本相同。鎖相環(huán)同步控制器是一個等效的鎖相環(huán)路。由于大容量供水系統(tǒng)中管網(wǎng)敷設(shè)復雜、彎管多，管阻特性存在嚴重的非線性，且水泵進行工頻運行與變頻運行的切換時，出現(xiàn)水壓壓力波動較大的情況，為了實現(xiàn)對管網(wǎng)壓力的閉環(huán)控制，保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應(yīng)的要求，控制器采用PID算法。 泵站供水原理系統(tǒng)圖主要控制單元說明如下:⑴ 壓力閉環(huán)控制管網(wǎng)壓力的閉環(huán)控制系統(tǒng)由遠傳壓力表、PLC、變頻器、接觸器組、水泵機組和供水管網(wǎng)組成。變頻器則具體地微調(diào)當前水泵的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速變化跟隨管網(wǎng)壓力變化(實際上是跟隨用戶用水量的變化)。供水系統(tǒng)由四臺泵組成，由一臺可編程控制器和一臺變頻器切換控制任一臺電機調(diào)速。該方式下，系統(tǒng)的所有動作和變頻器無關(guān)，完全是由PLC根據(jù)輸入的壓力信號在PLC內(nèi)部進行比較處理后，直接給控制工頻運行的四個交流接觸器賦ON或者OFF信號，從而控制四臺泵的投入或切除。沒有了變頻微調(diào)，該方式下的恒壓只是近似恒壓。特別需要說明的是該方案只是一種后備方案，系統(tǒng)絕大部分時間都應(yīng)該運行在變頻恒壓運行方式。管網(wǎng)水壓恒壓控制采用PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，管網(wǎng)水壓信號通過壓力變送器轉(zhuǎn)化為420mA的電流信號，經(jīng)PLC送入給變頻器，通過PID調(diào)節(jié)等一系列處理后去控制水泵轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)供水管網(wǎng)水壓。實際上，系統(tǒng)的大部分時間應(yīng)該是工作在1變頻的狀態(tài)，其它泵要么工頻運行，要么停止，僅僅由一臺泵微調(diào)轉(zhuǎn)速跟隨供水管網(wǎng)壓力的變化。僅僅由1號泵運行在變頻態(tài)，繼續(xù)調(diào)節(jié)水壓，逐漸使其穩(wěn)定在設(shè)定值。在用水量減少時(假設(shè)此時泵1， 2都工頻運行)，由于供水管網(wǎng)積水蓄壓，管網(wǎng)水壓升高，按照“先投先?！钡脑瓌t，控制系統(tǒng)使1號泵工頻切換為變頻運行，通過PID的調(diào)節(jié)作用，變頻器使1號泵轉(zhuǎn)速下降。如果管網(wǎng)水壓仍低于設(shè)定值，先延時切除2號泵的變頻運行，將2號泵轉(zhuǎn)換為工頻運行，同時將3號泵啟動為變頻運行。如果供水管網(wǎng)欠壓，其轉(zhuǎn)速由零逐步增加，管網(wǎng)水壓升高。系統(tǒng)投入時，一般用一至四臺泵供水即可滿足水壓要求。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方式簡介本系統(tǒng)采用全自動變頻恒壓運行和工頻運行兩種全自動控制方式（）。但是控制算法采用的是對象的局部線性模型，要在不同條件下都能獲得高性能指標是困難的。系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩個環(huán)路組成，內(nèi)環(huán)包括被控對象和一個普通的線性反饋調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器的參數(shù)由外環(huán)調(diào)節(jié)，外環(huán)則由一個遞推估計器和一個設(shè)計機構(gòu)組成。 自校正調(diào)節(jié)器原理框圖圖中輸出是水壓值，參考輸入是水壓設(shè)定值。國外有文獻針對供水系統(tǒng)進行了自適應(yīng)控制的實驗研究。但是常規(guī)模糊控制的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)不及PID控制，為此有不少文獻中將模糊控制與PID控制結(jié)合起來形成恒壓供水的自整定模糊PID控制，改善了供水系統(tǒng)的靜動態(tài)特性。但是供水系統(tǒng)是本質(zhì)非線性系統(tǒng)，當用水量變化較大時，系統(tǒng)的運行狀態(tài)變化范圍也較大，那么固定參數(shù)的PID控制是無法適應(yīng)這種變化的，因而控制品質(zhì)將變差，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。一般的變頻器均帶有PID控制單元，僅需將反饋量接入到變頻器的反饋端子或PLC的輸入端并設(shè)定好參數(shù)，即可投入使用。 PID控制法PID控制算法簡單并且實用，已成為標準算法。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)圖在此供水系統(tǒng)中，控制對象是水泵，控制目標是保持管網(wǎng)水壓恒定，控制方法是壓力信號的反饋閉環(huán)控制。 變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)工作原理簡述由自來水管網(wǎng)或其它水源提供的水進入蓄水池,經(jīng)加壓水泵進入用戶管網(wǎng)，通過壓力變送器檢測管網(wǎng)的壓力信號，傳送給變頻器的PID模塊，經(jīng)運算后輸出信號送給PLC，從而控制變頻器的輸出頻率，進而保持供水管道的壓力恒定?？傮w方案的確定是整個系統(tǒng)開發(fā)中最關(guān)鍵的部分，它的開發(fā)好壞直接決定了整個系統(tǒng)的性能。通過壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號，這個信號反饋給變頻器的PID模塊，經(jīng)PID運算，將信號輸出給PLC，PLC發(fā)出控制信號，控制水泵電機進行切換。第三章 變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器、工控機以及接觸器控制柜等構(gòu)成。在水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速是由于水泵的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式節(jié)能效果顯著。 本章小結(jié)本章分析了供水系統(tǒng)的基本特性。水泵的電氣控制柜，具有遠程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等。當出現(xiàn)意外的情況（如突然斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等）時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況自動進行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)?？梢?，多泵并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)有許多值得注意的地方， 如我們掌握好它的客觀規(guī)律， 就能