变频恒压供水系统的PID控制策略分析

葛胜升,陶玉贵

(芜湖职业技术学院,安徽芜湖241003)

变频恒压供水系统的PID控制策略分析

葛胜升,陶玉贵

(芜湖职业技术学院,安徽芜湖241003)

文章阐述了变频恒压供水系统的PID控制策略分析,分别介绍了PID算法常用的三种控制策略,即硬件型PID控制器控制、PLC内置软件型PID控制、变频器内置型PID控制,最后对以上三种控制策略进行归纳总结.

变频恒压;供水系统;PID算法;控制策略

变频恒压供水的应用现已经非常广泛,在大多数应用中均采用PID控制算法,本文将讨论PID控制算法常用的几种控制策略并加以归纳总结.

1 硬件型PID控制器控制

该种控制形式指的是在变频恒压供水系统中采用通用型PID控制器(又称为PID调节器)来实现PID控制的形式,PID控制器控制的系统框图如图1所示,由PID控制器实现对变频器的控制,进而控制水泵机组的转速,由压力传感器将实际管网的压力反馈给输入端,PID控制器通过反馈的管网压力与给定压力进行比较运算,进行闭环压力调节控制.

图1 PID控制器系统框图

具体实现过程为：在PID控制面板上设定压力给定值,由压力传感器将管网的实际压力信号转换为4-20mA的模拟电信号,反馈给PID控制器的输入端,PID控制器将接收到的模拟电流信号经过滤波控制、A/D模数转换控制,将模拟输入信号转换为数字信号,转换后的数字信号可以通过显示屏将具体的管网实际压力数值显示出来,同时该数字信号与压力的给定值进行比较,经过数字PID控制算法运算后,得出一个数字运算结果,再经过A/D数模转换控制,将该数字结果转换为4-20mA模拟电流信号输出,该电流输出信号可以直接实现对变频器的控制,通过调节变频器来改变水泵机组的运行电源频率,改变电机运行转速,进而实现对管网水压的控制.当实际的压力值小于给定的压力值时,PID控制器经过比较运算后,输出最大值(20mA)的模拟电流信号,变频器控制水泵电机转速迅速上升,管网水压便迅速提高,当实际压力值大于给定压力值时,PID控制器经过比较运算后,输出值开始减少,即输出的模拟电流信号减小,变频器控制水泵电机转速下降,水压也逐渐下降,最后管网水压会恒定在给定压力值处.

目前使用较多的PID控制器多为数字式PID控制器,具有多种控制方式,如数字PID控制方式、模糊控制方式与位控方式;有的PID控制器还增加了很多特殊功能,如欧陆品牌800系列和富士品牌PWX系列等PID控制器还增加了自整定功能.PID控制器通常采用电流输入输出类型,这样可以提高抗干扰能力,并且可以进行参数设置来调整输入输出类型.

2 PLC内置软件型PID控制

软件型PID控制形式指的用PLC的软件来实现PID闭环控制,即设计者在可编程控制器PLC上利用PID控制算法(离散形式)来编写PID算法程序,从而实现PID控制.此种控制方式充分使用了可编程控制器PLC的控制功能,如图2所示.这也是在工业控制过程中,使用较为广泛的一种形式,通常能够得到比较满意的效果.

根据式1中PID控制递推形式,可进行公式转换如下：

图2 软件型PID控制系统框图

采用软件型PID控制实现对恒压供水控制的控制形式优点主要有:由于是软件设计,所以实际接线、布线工作量较少,可靠性大大提高,调试简单,调节性能较好,信号对该系统的干扰较小,并且当调节过程结束后,压力是非常稳定的.缺点是：编程的工作量增加了,调试时应注意设置的变频器的上升、下降时间,应尽量短些.

在应用中,将比例、微分控制取消,只保留积分控制,一般情况下也能满足要求,这样控制就大为简化了,积分控制增量参数可根据具体的需要来确定.当实际压力低于设定值时,增量参数取正;当实际压力高于设定值时,增量参数取负.但是在具体控制过程中,由于增量参数的设置会产生一些问题,如果增量参数过大,系统稳定时偏差量较大;增量参数过小,动态调整的时间较长.为了解决这些问题,可以改善控制方式：当管网压力值小于给定值的90%时,可编程控制器最大值输出,控制变频器以最大频率运行(50HZ),水泵电机转速迅速上升,管网压力也随之上升;当管网压力值大于或等于给定值的90%时,可编程控制器输出一个经验值,再调用中断程序控制增量参数.待压力值基本恒定后,再将经验值替换为给定值.

3 变频器内置型PID控制

内置型PID控制指的是利用变频器内置的PID控制功能来实现PID控制,现在很多变频器生产厂家都将变频器内置了PID控制功能,特别是通用变频器内置了PID功能,这对控制来说能够有效的节省成本,具体控制过程为：将控制过程的反馈值输送到变频器的输入端,只要将变频器的相关参数设置好,无需添加任何硬件,就可以进行PID运算得出运算结果,进而实现PID控制.

在进行变频器的内置PID功能设定时,首先要将PID功能设置为有效,再将PID调节器的输入类型确定,如果变频器有反馈信号输入,那么设定值信号必须要有,可以采用面板设定值或者外部信号设定值.

采用变频器内置的PID功能进行控制形式优点主要有：控制性能指标较好,成本大大降低,设置的参数也比较少,抗干扰性能强.缺点有：压力的显示与设置不是很直观,响应较慢,调试时也应将变频器的上升、下降时间设置较短.

4 总结

将以上三种控制策略归纳总结,第一种硬件型通用PID控制器,简单方便,操作容易,对PID控制的基本原理与过程能够较快的掌握,便于理解;第二种软件型PID控制器是基于PLC的软件来实现PID闭环控制,使用PLC的指令程序进行编程来实现PID控制器,能设计出较好效果的PLC优化控制程序,完全发挥了可编程控制器软件部分PID运算模块的功能优势,系统可靠性较高,经济性较好,在实际的工业控制应用中,已经证实具有比较满意的效果;第三种内置型PID控制器,节省了大量的成本,也充分使用了变频器.以上是三种比较常用的PID控制策略,在实际的控制过程中还会有更多形式的PID控制器.

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[3]张玉宏,刘平郁,葛鑫.PID参数自整定在恒压供水控制器中的应用[J].信息技术,2009(2):34-35.

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［责任编辑张灿邦］

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

安徽高校省级质量工程教学研究项目(2012jyxm646);芜湖职业技术学院科学研究项目(Wzyzr201502);安徽高校省级质量工程名师工作室(2014msgzs173);安徽高校省级质量工程校企合作实践教育基地(2014sjjd074).

葛胜升(1984-),男,安徽芜湖人,讲师,硕士,技师,研究方向：控制工程。