【正文】 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(hù)電機的作用，同時當(dāng) 2電機過載時，指示燈 HL6 點亮。此時 HL3指示燈點亮。 同理， 2電機的工作原理同 1電機的相同。當(dāng) 1電機運行，由于 某種原因（如水池已達(dá)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。 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 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 23 補水部分的工作原理 合上隔離開關(guān) QS1，系統(tǒng)通上 三 相電，之后合上隔離開關(guān) QF QF QF QF4， 3臺電機得電， 同時 控制回路通電，指示燈 HL1點亮。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 22 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) 補水部分的控制回 路如 上 圖 所示 。 三臺電 動 機分別為 M M M3。 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。 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。該種控制方式適用于產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)時間較長的負(fù)載系統(tǒng)效果比較好。 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。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(jìn)行控制。當(dāng)偏差較小時，比例動作的作用就減小。對有積分的元件負(fù)載的系統(tǒng)可以單獨的使用比例動作進(jìn)行控制。用 PI 進(jìn)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。 僅用 P進(jìn)行控制時，不能完全的消除偏差。 ③ 微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏 差信號的變化趨勢 (變化速率 )，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期的修正信號，以加快系統(tǒng)中的動作的速度，減小調(diào)節(jié)時間 Ts。 簡單來說，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 e(t)，若偏差一旦產(chǎn)生，則控制器會立即產(chǎn)生的控制作用以便減小誤差。 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(jìn)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(jìn)行控制。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)。 (5)對于含噪音的過程，不適宜引入微分作用，否則的話高頻分量放大得厲害。一般情況下取 2IT ?? 或 ? ? ~ 1IPTT? （ PT 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 40 ，幅值的比例增加少于 20%。 (4)積分作用引入有利有弊。 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。 (3)在 P、 I、 D 三個作用中，比例作用經(jīng)常是最基本的控制作用。根據(jù)經(jīng)驗上 經(jīng)常取 iT 是 2? 左右， dT 是 5? 左右。 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。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。下面列舉一些簡單的準(zhǔn)則： (1)若廣義對象的傳函是 000/( 1)sK e T s?? ? ， 比例增益是 cK ，那么整個系統(tǒng)的總開環(huán)增益就是 0cKK，若在其他因素都相同的情況下，當(dāng) 0K 較大時，cK 就應(yīng)該稍微小一些， 0K較小的時候， cK 就應(yīng)該稍微大一些。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)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩 ， 記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù)。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(jìn)行最后調(diào)整與完善。 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。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。 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。 (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。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。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，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 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)。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(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。 PID 控制，實際中也有 P、 I、 D、PI和 PD 控制。它 由于 結(jié)構(gòu)簡單、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。 (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。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。 PID 控制是 通過壓力變送器等檢測和變送的裝置將被控的變量檢測出來，并且將其與設(shè)定的值進(jìn)行比較，如果有偏差，則需要通過使用 PID 功能去實現(xiàn)控制作用使偏差基本為零。 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)實際的壓力值之間的偏差大小 來控制的，使變頻器根據(jù)實時的情況調(diào)節(jié)加壓水泵投入使用的數(shù)量。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)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。 (2)閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出被控制量會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。 (1)開環(huán)控制系統(tǒng) 開環(huán)控制系統(tǒng)是指被控對象的輸出 的 被控制量對控制器的輸出沒有影響。 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 。控制器的輸出經(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。 PID參數(shù)的 整定 PID 及其發(fā)展史的介紹 目前 ， 工業(yè) 自動化 的 水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。為了保證系統(tǒng) 可靠、平穩(wěn)、安全 的運行， 在每臺電機安全、正常的啟動時候，均有相應(yīng)的指示燈指示。在 本 次 設(shè)計中 ，會 采用 變頻循環(huán)式來控制兩臺加壓泵 。 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 。 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 來改變變頻器的頻率，進(jìn)而 控制加壓水泵 的 轉(zhuǎn)速、此時電機該變頻還是工頻運行甚至確定此時啟動加壓水泵的臺數(shù) 。三臺潛水泵都是 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。 (3)執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由兩組水泵構(gòu)成的。 其中， 控 制器是整個 供水 系統(tǒng)的核心。除此之外， 為 了提高 系統(tǒng)的可靠性， 在液位傳感器設(shè)定的限位開關(guān)對供水水池 液位顯示的同時，能利用此信號啟動或者停止電機的運行，而且在 還需 要壓力變送器進(jìn)行水位的檢測，將檢測結(jié)果送給變頻器，作為數(shù)字量輸入 ；報警信號 作為開關(guān)量信號， 反映 的是系統(tǒng)是 否 在 正常運行， 變頻器是否故障，潛水泵或者加壓水泵是否過載或者故障等 。當(dāng)水池液位的信號有效的時候，要對控制系統(tǒng)實施保護(hù)，來防止?jié)撍贸槿胨剡^多的水或者水池?zé)o水時，加壓 水泵空抽進(jìn)而 損壞 加壓水泵 ； 管網(wǎng)水壓信號 是變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的主要反饋信號，是 反映 用水 用戶管網(wǎng)的水壓值。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 13 第三章 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 。 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。 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù) ，選擇 有供水基板的變頻器 ，加壓 水泵機組 、 壓力 變送器的方案來控制 。 控制方案的確定 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有變頻器、壓力變送器、加壓水泵機組、恒壓控制單元以及低壓電器組成。 圖 恒壓供水系統(tǒng)方框圖 水壓由壓力傳感器的 420mA信號送入變頻器 ，內(nèi)部 PID 模塊 與 最初 設(shè)定的壓力值比較， 算出給定值與反饋值之間的偏差 ， 將結(jié)果轉(zhuǎn)換為 調(diào)節(jié)頻率的 信號，以調(diào)整 加壓 水泵的頻率，從而實現(xiàn) 調(diào)節(jié)加壓 水泵轉(zhuǎn)速 ，實現(xiàn)恒壓供水 。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。 根據(jù)水池水位的不同，根據(jù)給液位傳感器的信號不同，在 米到 4米之間的水位設(shè)定為上上限 ,稱為高水位，此時不需要啟動任何一臺潛水泵，在液位傳感器設(shè)定參數(shù)，使水位達(dá)到超高水位時，系統(tǒng)進(jìn)行報警 ； 米到 米之間的水位設(shè)定為上限，稱為內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 11 高水位， 根據(jù)液位傳感器的開關(guān)動作， 啟動 1電機 對水池進(jìn)行補水； 米到 米之間的水位設(shè)定為下 限，稱為低水位，根據(jù)液位傳感器的開關(guān)動作，繼續(xù)啟動 2電機對水池進(jìn)行補水； 米以下的水位設(shè)定為下下限，稱為超低水位，根據(jù)液位傳感器的開關(guān)動作，在繼續(xù)啟動 3電機對水池進(jìn)行補水同時發(fā)出報警。用戶用水的需求間接的決定了水池的水位。由于對供水水壓的要求很高， 同在白天或某一用水高峰期時，系統(tǒng)供水時電機的負(fù)荷很大，常常需要滿載甚至超載運行；但在深夜或用水低峰期的時候，所需用水量就會很小，但電機會仍然處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)，這樣既造成資源的浪費，又會對電機的損耗很大，還有可能會損壞水管和設(shè)備。 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，采用了變頻調(diào)速 來供水 以后，水泵的 使用 壽命將大大延長 。此外，由于 在 工作過程中平均轉(zhuǎn)矩 的 減小、水泵平均轉(zhuǎn)速 也 下降 很多 ，使 得 : (1) 軸承的磨損大為減小。 當(dāng)系統(tǒng) 采用了變頻調(diào)速 方式以后，可以通過預(yù)置升速時間 來延長啟動 的 過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩 在很大程度上有所 減小，在停機 制動 過程中， 停機過程的延長 同樣可以通過 預(yù)置降速時間來 實現(xiàn) ，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，從而 從根本上 消除了水錘效應(yīng)。 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。 同時，在直接停機 的 時 候 ，供水系統(tǒng)的 水龍 頭 部分 將克服電動機的 強大慣性強制 使 系統(tǒng)急劇地停止。 水錘效應(yīng) 由于壓強過高， 具有極大的破壞性 能 引起管道 壁 的破裂，反之，壓強過低時， 又會導(dǎo)致管道的癟塌。由于水的 不可壓縮性， 還具有動量， 因此，在極短時間內(nèi) ， 流量 發(fā)生 的巨大變化 會直接 引起對管道的 過高或過低的 壓強沖擊，并 由此 產(chǎn)生空化現(xiàn)象。 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(jìn)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) 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 8 常見供水系統(tǒng)的安全性問題 對供水 的 電機和電網(wǎng) 進(jìn)行 的