PID調節器在變頻恒壓給水設備中的性能與此作用
PID調節器在變頻恒壓給水設備中的性能與此作用
近幾年來,基于ＰＩＤ控制算法和ＰＬＣ的變頻調速恒壓供水技術得到了廣泛的應用,被認為是一種理想的供水方式。但由于供水系統一般用戶較多且用水時間不確定,管網水壓波動較大,而且控制對象具有非線性和一定的滯后特性,所以很難建立精確的數學模型。因此,在實際當中,特別是在一些控制精度要求較高的工業用水供水系統中,使用基于ＰＩＤ控制的變頻調速供水時,存在不同程度的超調或震蕩現象。對于供水系統的非線性、高階次、大滯后、參數易變異及其數學模型難以確定等特點,適宜于采用模糊控制。所謂模糊控制,就是把操作者的經驗總結成若干條法則,并依據人腦的模糊推理過程,確定推理法則,計算機根據現場采集的信息,按照控制規則做出模糊控制決策,發出控制指令,以實現模糊控制。模糊控制在處理不確定對象時,用建立一個模擬不確定對象的模糊模型的方法來解決實際控制問題,具有動態響應好,上升時間快,超調小等優越性。
雖然模糊控制具有許多傳統控制方法無法比擬的優點，如不需建立數學模型，符合人們思維特點以及良好的動態性能，但是也有其自身的局限性。比如，模糊控制恒壓供水系統的靜態性能較差。在線性控制理論之中，積分控制的作用是消除靜態誤差，但動態響應慢;比例控制的作用是提高動態響應速度;比例積分控制的作用是既能獲得較高的靜態精度，又具有較快的動態響應。因此把PID控制引入模糊控制中組成Fuzzy -PID復合控制，是改善模糊控制靜態性能的一條途徑。參數自整定模糊-ＰＩＤ復合控制的變頻恒壓供水系統的方案,利用模糊參數自整定技術,對ＰＩＤ輸出進行再調整,使動態響應好的Ｆｕｚｚｙ控制與穩態特性好的ＰＩＤ控制相結合,實現系統的最佳控制。
含PID調節器的變頻恒壓給水設備
變頻恒壓給水設備主要是由ＰＬＣ、變頻器、模糊PID控制器（Fuzzy-PID）、壓力傳感器、多組繼電器和接觸器的電氣動力控制線路以及3臺水泵等組成。
變頻恒壓給水設備控制系統的基本控制策略是: 根據流體力學的基本原理,水泵消耗功率(軸功率)與轉速的三次方成正比.即 ，降低轉速，消耗功率即可大幅度下降。由電動機原理可知，電動機轉速與電源頻率成正比，頻率越低，轉速越低。本系統通過壓力傳感器周期性地采集管網壓力,將管網壓力與設定壓力進行比較后,其壓差信號送入模糊控制器,PLC根據壓差信號能很快計算出壓力誤差變化率;經控制器模糊運算處理后,在模糊控制表中查詢到相應的模糊控制量,再把模糊控制量通過解模糊運算輸出一個精確的控制量Δu,對系統設定值進行遷移,并把遷移后的值送入常規PID調節器的比例環節,然后與積分環節、微分環節一起來實現對變頻器輸出頻率的控制,從而達到控制變速泵的轉速和輸出的目的，使整個系統運行在高效節能的最佳狀態。
模糊控制器的設計
在一般的模糊控制系統中，考慮到模糊控制器實現的簡易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結構形式。這類控制器都是以系統誤差e和誤差變化率ec為輸入語句變量，因此具有類似于常規PID控制器的作用.采用該類模糊控制器的系統有可能獲得良好的動態特性，而靜態性能不令人滿意。因此，把PID控制策略引入模糊控制器，構成模糊PID復合控制，是改善模糊控制器穩態性能的一種途徑。
新型變頻恒壓給水設備的解決方案
針對傳統的變頻恒壓給水設備的不足之處，國外不少生產廠家近年來紛紛推出了一系列新型產品，如ABB公司的ACS600、ACS400系列產品，富士公司的G11S/P11S系列產品,北京菱科LK600P系列。這些產品將PID調節器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略微高一點，但功能卻強很多，所以我們在山東文登曲軸廠新建的生活小區中就采用了這種新型的設計方案。在這套變頻恒壓給水設備中，我們采用了ABB公司的ACS601-0011-3帶內置PID功能的變頻器，可編程控制器選用西門子S7-214-1BC10-0XB0型，具體原理框圖如圖2所以示。圖2中M1～M2為電機，P1～P2為水泵，JC1～JC4為電機起、停、互相切換的交流接觸器。
該變頻恒壓給水設備采用2臺水泵，一用一備，由可編程控制器定時切換。若用水量大，變頻器也可以通過可編程接口向可編程控制器發出信號，由可編程控制器控制兩臺泵同時工作，一臺變頻運行，一臺工頻運行。圖2中傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的PID調節器輸入口AI2+、AI2-，而壓力設定既可以使用變頻器的鍵盤以數字量的形式設定，也可以采用一只電位器以模擬量的形式送入AI1+、AI1-。這樣通過變頻器的控制面板，在變頻器的PID選項中選擇合適的PID參數，并經過現場調試校正，設備就可以正常運行了。
由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。由于變頻器內部自帶的PID調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。該設備自1997年10月在該生活小區運行以來，一直保持良好的運行狀態，管網水壓非常穩定，受到了小區用戶的一致好評
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