PID調(diào)節(jié)器在變頻恒壓給水設備中的性能與此作用
PID調(diào)節(jié)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(diào)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(tǒng)一般用戶較多且用水時間不確定,管網(wǎng)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(shù)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(yè)用水供水系統(tǒng)中,使用基于ＰＩＤ控制的變頻調(diào)速供水時,存在不同程度的超調(diào)或震蕩現(xiàn)象。對于供水系統(tǒng)的非線性、高階次、大滯后、參數(shù)易變異及其數(shù)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(jīng)驗總結(jié)成若干條法則,并依據(jù)人腦的模糊推理過程,確定推理法則,計算機根據(jù)現(xiàn)場采集的信息,按照控制規(guī)則做出模糊控制決策,發(fā)出控制指令,以實現(xiàn)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(tài)響應好,上升時間快,超調(diào)小等優(yōu)越性。
雖然模糊控制具有許多傳統(tǒng)控制方法無法比擬的優(yōu)點，如不需建立數(shù)學模型，符合人們思維特點以及良好的動態(tài)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(tǒng)的靜態(tài)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(tài)誤差，但動態(tài)響應慢;比例控制的作用是提高動態(tài)響應速度;比例積分控制的作用是既能獲得較高的靜態(tài)精度，又具有較快的動態(tài)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(tài)性能的一條途徑。參數(shù)自整定模糊-ＰＩＤ復合控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的方案,利用模糊參數(shù)自整定技術,對ＰＩＤ輸出進行再調(diào)整,使動態(tài)響應好的Ｆｕｚｚｙ控制與穩(wěn)態(tài)特性好的ＰＩＤ控制相結(jié)合,實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。
含PID調(diào)節(jié)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(tǒng)的基本控制策略是: 根據(jù)流體力學的基本原理,水泵消耗功率(軸功率)與轉(zhuǎn)速的三次方成正比.即 ，降低轉(zhuǎn)速，消耗功率即可大幅度下降。由電動機原理可知，電動機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，頻率越低，轉(zhuǎn)速越低。本系統(tǒng)通過壓力傳感器周期性地采集管網(wǎng)壓力,將管網(wǎng)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(jù)壓差信號能很快計算出壓力誤差變化率;經(jīng)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(tǒng)設定值進行遷移,并把遷移后的值送入常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié),然后與積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)一起來實現(xiàn)對變頻器輸出頻率的控制,從而達到控制變速泵的轉(zhuǎn)速和輸出的目的，使整個系統(tǒng)運行在高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。
模糊控制器的設計
在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實現(xiàn)的簡易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結(jié)構形式。這類控制器都是以系統(tǒng)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(guī)PID控制器的作用.采用該類模糊控制器的系統(tǒng)有可能獲得良好的動態(tài)特性，而靜態(tài)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(wěn)態(tài)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(tǒng)的變頻恒壓給水設備的不足之處，國外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如ABB公司的ACS600、ACS400系列產(chǎn)品，富士公司的G11S/P11S系列產(chǎn)品,北京菱科LK600P系列。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi)，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(qū)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(nèi)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(fā)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(diào)節(jié)器輸入口AI2+、AI2-，而壓力設定既可以使用變頻器的鍵盤以數(shù)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(shù)，并經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試校正，設備就可以正常運行了。
由于PID運算在變頻器內(nèi)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(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)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(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。該設備自1997年10月在該生活小區(qū)運行以來，一直保持良好的運行狀態(tài)，管網(wǎng)水壓非常穩(wěn)定，受到了小區(qū)用戶的一致好評
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