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PID調(diào)節(jié)器在變頻恒壓給水設(shè)備中的性能與此作用

2013/11/8 10:37:56??????點(diǎn)擊:

PID調(diào)節(jié)器在變頻恒壓給水設(shè)備中的性能與此作用

 

      近幾年來(lái),基于PID控制算法和PLC的變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用,被認(rèn)為是一種理想的供水方式。但由于供水系統(tǒng)一般用戶(hù)較多且用水時(shí)間不確定,管網(wǎng)水壓波動(dòng)較大,而且控制對(duì)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(xué)模型。因此,在實(shí)際當(dāng)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(shí),存在不同程度的超調(diào)或震蕩現(xiàn)象。對(duì)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(xué)模型難以確定等特點(diǎn),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(yàn)總結(jié)成若干條法則,并依據(jù)人腦的模糊推理過(guò)程,確定推理法則,計(jì)算機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)模糊控制。模糊控制在處理不確定對(duì)象時(shí),用建立一個(gè)模擬不確定對(duì)象的模糊模型的方法來(lái)解決實(shí)際控制問(wèn)題,具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,上升時(shí)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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),如不需建立數(shù)學(xué)模型,符合人們思維特點(diǎn)以及良好的動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)慢;比例控制的作用是提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此把PID控制引入模糊控制中組成Fuzzy -PID復(fù)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(fù)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(shù),對(duì)PID輸出進(jìn)行再調(diào)整,使動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的Fuzzy控制與穩(wěn)態(tài)特性好的PID控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。

 PID調(diào)節(jié)器在變頻恒壓給水設(shè)備中的性能與此作用

含PID調(diào)節(jié)器的變頻恒壓給水設(shè)備

      變頻恒壓給水設(shè)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(dòng)力控制線路以及3臺(tái)水泵等組成。

      變頻恒壓給水設(shè)備控制系統(tǒng)的基本控制策略是: 根據(jù)流體力學(xué)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(dòng)機(jī)原理可知,電動(dòng)機(jī)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(guò)壓力傳感器周期性地采集管網(wǎng)壓力,將管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力進(jìn)行比較后,其壓差信號(hào)送入模糊控制器,PLC根據(jù)壓差信號(hào)能很快計(jì)算出壓力誤差變化率;經(jīng)控制器模糊運(yùn)算處理后,在模糊控制表中查詢(xún)到相應(yīng)的模糊控制量,再把模糊控制量通過(guò)解模糊運(yùn)算輸出一個(gè)精確的控制量Δu,對(duì)系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器輸出頻率的控制,從而達(dá)到控制變速泵的轉(zhuǎn)速和輸出的目的,使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。

 

模糊控制器的設(shè)計(jì)

      在一般的模糊控制系統(tǒng)中,考慮到模糊控制器實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性和快速性,通常采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式。這類(lèi)控制器都是以系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec為輸入語(yǔ)句變量,因此具有類(lèi)似于常規(guī)PID控制器的作用.采用該類(lèi)模糊控制器的系統(tǒng)有可能獲得良好的動(dòng)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(gòu)成模糊PID復(fù)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(shè)備的解決方案 

  針對(duì)傳統(tǒng)的變頻恒壓給水設(shè)備的不足之處,國(guó)外不少生產(chǎn)廠家近年來(lái)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(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi),形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。這類(lèi)變頻器的價(jià)格僅比通用變頻器略微高一點(diǎn),但功能卻強(qiáng)很多,所以我們?cè)谏綎|文登曲軸廠新建的生活小區(qū)中就采用了這種新型的設(shè)計(jì)方案。在這套變頻恒壓給水設(shè)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(mén)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(jī),P1~P2為水泵,JC1~JC4為電機(jī)起、停、互相切換的交流接觸器。 

  該變頻恒壓給水設(shè)備采用2臺(tái)水泵,一用一備,由可編程控制器定時(shí)切換。若用水量大,變頻器也可以通過(guò)可編程接口向可編程控制器發(fā)出信號(hào),由可編程控制器控制兩臺(tái)泵同時(shí)工作,一臺(tái)變頻運(yùn)行,一臺(tái)工頻運(yùn)行。圖2中傳感器反饋的水壓信號(hào)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(shè)定既可以使用變頻器的鍵盤(pán)以數(shù)字量的形式設(shè)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(guò)變頻器的控制面板,在變頻器的PID選項(xiàng)中選擇合適的PID參數(shù),并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試校正,設(shè)備就可以正常運(yùn)行了。  

  由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部,這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)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(shí),為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值,可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù),同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算,使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。該設(shè)備自1997年10月在該生活小區(qū)運(yùn)行以來(lái),一直保持良好的運(yùn)行狀態(tài),管網(wǎng)水壓非常穩(wěn)定,受到了小區(qū)用戶(hù)的一致好評(píng)

 

 

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