變頻恒壓供水系統的PID控制策略分析

葛勝升,陶玉貴

(蕪湖職業技術學院,安徽蕪湖241003)

變頻恒壓供水系統的PID控制策略分析

葛勝升,陶玉貴

(蕪湖職業技術學院,安徽蕪湖241003)

文章闡述了變頻恒壓供水系統的PID控制策略分析,分別介紹了PID算法常用的三種控制策略,即硬件型PID控制器控制、PLC內置軟件型PID控制、變頻器內置型PID控制,最后對以上三種控制策略進行歸納總結.

變頻恒壓;供水系統;PID算法;控制策略

變頻恒壓供水的應用現已經非常廣泛,在大多數應用中均采用PID控制算法,本文將討論PID控制算法常用的幾種控制策略并加以歸納總結.

1 硬件型PID控制器控制

該種控制形式指的是在變頻恒壓供水系統中采用通用型PID控制器(又稱為PID調節器)來實現PID控制的形式,PID控制器控制的系統框圖如圖1所示,由PID控制器實現對變頻器的控制,進而控制水泵機組的轉速,由壓力傳感器將實際管網的壓力反饋給輸入端,PID控制器通過反饋的管網壓力與給定壓力進行比較運算,進行閉環壓力調節控制.

圖1 PID控制器系統框圖

具體實現過程為：在PID控制面板上設定壓力給定值,由壓力傳感器將管網的實際壓力信號轉換為4-20mA的模擬電信號,反饋給PID控制器的輸入端,PID控制器將接收到的模擬電流信號經過濾波控制、A/D模數轉換控制,將模擬輸入信號轉換為數字信號,轉換后的數字信號可以通過顯示屏將具體的管網實際壓力數值顯示出來,同時該數字信號與壓力的給定值進行比較,經過數字PID控制算法運算后,得出一個數字運算結果,再經過A/D數模轉換控制,將該數字結果轉換為4-20mA模擬電流信號輸出,該電流輸出信號可以直接實現對變頻器的控制,通過調節變頻器來改變水泵機組的運行電源頻率,改變電機運行轉速,進而實現對管網水壓的控制.當實際的壓力值小于給定的壓力值時,PID控制器經過比較運算后,輸出最大值(20mA)的模擬電流信號,變頻器控制水泵電機轉速迅速上升,管網水壓便迅速提高,當實際壓力值大于給定壓力值時,PID控制器經過比較運算后,輸出值開始減少,即輸出的模擬電流信號減小,變頻器控制水泵電機轉速下降,水壓也逐漸下降,最后管網水壓會恒定在給定壓力值處.

目前使用較多的PID控制器多為數字式PID控制器,具有多種控制方式,如數字PID控制方式、模糊控制方式與位控方式;有的PID控制器還增加了很多特殊功能,如歐陸品牌800系列和富士品牌PWX系列等PID控制器還增加了自整定功能.PID控制器通常采用電流輸入輸出類型,這樣可以提高抗干擾能力,并且可以進行參數設置來調整輸入輸出類型.

2 PLC內置軟件型PID控制

軟件型PID控制形式指的用PLC的軟件來實現PID閉環控制,即設計者在可編程控制器PLC上利用PID控制算法(離散形式)來編寫PID算法程序,從而實現PID控制.此種控制方式充分使用了可編程控制器PLC的控制功能,如圖2所示.這也是在工業控制過程中,使用較為廣泛的一種形式,通常能夠得到比較滿意的效果.

根據式1中PID控制遞推形式,可進行公式轉換如下：

圖2 軟件型PID控制系統框圖

采用軟件型PID控制實現對恒壓供水控制的控制形式優點主要有:由于是軟件設計,所以實際接線、布線工作量較少,可靠性大大提高,調試簡單,調節性能較好,信號對該系統的干擾較小,并且當調節過程結束后,壓力是非常穩定的.缺點是：編程的工作量增加了,調試時應注意設置的變頻器的上升、下降時間,應盡量短些.

在應用中,將比例、微分控制取消,只保留積分控制,一般情況下也能滿足要求,這樣控制就大為簡化了,積分控制增量參數可根據具體的需要來確定.當實際壓力低于設定值時,增量參數取正;當實際壓力高于設定值時,增量參數取負.但是在具體控制過程中,由于增量參數的設置會產生一些問題,如果增量參數過大,系統穩定時偏差量較大;增量參數過小,動態調整的時間較長.為了解決這些問題,可以改善控制方式：當管網壓力值小于給定值的90%時,可編程控制器最大值輸出,控制變頻器以最大頻率運行(50HZ),水泵電機轉速迅速上升,管網壓力也隨之上升;當管網壓力值大于或等于給定值的90%時,可編程控制器輸出一個經驗值,再調用中斷程序控制增量參數.待壓力值基本恒定后,再將經驗值替換為給定值.

3 變頻器內置型PID控制

內置型PID控制指的是利用變頻器內置的PID控制功能來實現PID控制,現在很多變頻器生產廠家都將變頻器內置了PID控制功能,特別是通用變頻器內置了PID功能,這對控制來說能夠有效的節省成本,具體控制過程為：將控制過程的反饋值輸送到變頻器的輸入端,只要將變頻器的相關參數設置好,無需添加任何硬件,就可以進行PID運算得出運算結果,進而實現PID控制.

在進行變頻器的內置PID功能設定時,首先要將PID功能設置為有效,再將PID調節器的輸入類型確定,如果變頻器有反饋信號輸入,那么設定值信號必須要有,可以采用面板設定值或者外部信號設定值.

采用變頻器內置的PID功能進行控制形式優點主要有：控制性能指標較好,成本大大降低,設置的參數也比較少,抗干擾性能強.缺點有：壓力的顯示與設置不是很直觀,響應較慢,調試時也應將變頻器的上升、下降時間設置較短.

4 總結

將以上三種控制策略歸納總結,第一種硬件型通用PID控制器,簡單方便,操作容易,對PID控制的基本原理與過程能夠較快的掌握,便于理解;第二種軟件型PID控制器是基于PLC的軟件來實現PID閉環控制,使用PLC的指令程序進行編程來實現PID控制器,能設計出較好效果的PLC優化控制程序,完全發揮了可編程控制器軟件部分PID運算模塊的功能優勢,系統可靠性較高,經濟性較好,在實際的工業控制應用中,已經證實具有比較滿意的效果;第三種內置型PID控制器,節省了大量的成本,也充分使用了變頻器.以上是三種比較常用的PID控制策略,在實際的控制過程中還會有更多形式的PID控制器.

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［責任編輯張燦邦］

The Analysis of the PID Control Strategy in Water Supply System Based on Constant Pressure and Frequency Conversion

GE Sheng-sheng,TAO Yu-gui
(Wuhu Institute of Technology,Wuhu 241003,China)

This article expounds the analysis of the PID control strategy in the water supply system based on constant pressure and frequency conversion,respectively introduces three kinds of control strategies that the PID algorithm commonly used,that is,the PID controller of hardware type、the PLC built-in software type PID controller,the inverter with PID controller,finally,the paper summarizes the above three kinds of control strategies.

Constant pressure and frequency conversion；The water supply system；PID algorithm；The control strategy

TM921.51

A

1008-9128(2015)05-0038-02

2014-09-14

安徽高校省級質量工程教學研究項目(2012jyxm646);蕪湖職業技術學院科學研究項目(Wzyzr201502);安徽高校省級質量工程名師工作室(2014msgzs173);安徽高校省級質量工程校企合作實踐教育基地(2014sjjd074).

葛勝升(1984-),男,安徽蕪湖人,講師,碩士,技師,研究方向：控制工程。