基于PID控制的变频恒压供水系统设计

梁 栋，徐 锦（长安大学电子与控制工程学院，陕西西安，710021）

基于PID控制的变频恒压供水系统设计

梁 栋，徐 锦
（长安大学电子与控制工程学院，陕西西安，710021）

由于传统供水系统能源浪费严重、自动化程度低等特点，本文设计了一种基于PID控制的变频恒压供水系统。主要对该系统的原理、调节过程、水泵切换、数学模型及PID控制算法做了介绍，从而证明了变频恒压供水系统的前景和经济效益，具有很好的推广与研究价值。

PID；变频恒压；控制算法；数学模型

1　系统概述

变频恒压供水就是要时刻让供需达到平衡，若供需之间没有达到平衡，用户水压将发生变化。因而可根据水压变化实现对流量变化的控制，以确保供需之间的动态平衡。控制原理图如图1。

图1　闭环调节原理图

该变频恒压供水系统，主要由PID调节器、变频器、远传压力表以及水泵电机等组成。在该系统中通过远传压力表将水管出水处的压力值反馈给PID调节器，此处使用远传压力表主要是一方面可以将压力信号变为4～20mA电流信号，另一方面具有清晰的表盘显示功能，同时它的价格较便宜。PID调节器将反馈值与给定值做差，若所得偏差为零，则说明系统的运行状态满足此时的供水需求；若所得偏差不为零，则说明系统的运行转态不满足此时的供水需求，需要改变变频器的输出频率或者增减水泵数量来满足供水需求。

2　调节过程分析

该系统的运行状态分为三种，第一供需平衡状态，第二供小于需的状态，第三供大于需的状态。因系统运行状态的不同，所对应的调节过程也不尽相同，也具有三种不同的调节过程。

第一，供需平衡的调节。此时远传压力表的反馈信号与给定信号的差值等于零，PID调节器不进行调节，系统继续维持原有的工作状态。

第二，供小于需的状态。若用户需水量增大时，供水管网的水压降低，以至用户端水压降低，远传压力表反馈回去的压力信号与给定信号出现差值。PID调节器立刻进行调节（调节器中有限幅），调节器输出4～20mA的连续信号给变频器的模拟输入端子，通过变频器增大频率从而实现对输出电压的改变，最终使所带水泵电机的转速提高或增泵来弥补所需的水压，当达到给定值与反馈值相等时不再调节，系统到达新的工况点运行。

第三，供大于需的状态。若用户需水量减少时，供水管网的水压升高，以至用户端水压升高，远传压力表反馈回去的压力信号与给定信号出现差值。PID调节器立刻进行调节（调节器中有限幅），调节器输出4～20mA的连续信号给变频器的模拟输入端子，通过变频器去减小频率从而实现对输出电压的改变，最终使水泵电机的转速降低或减泵来减小水压，当达到给定值与反馈值相等时不再调节，从而系统到达新的工况点运行。

3　水泵切换分析

由上述分析可知，当供需不相等时需要进行水泵的切换，即加泵或减泵。且当输出频率达到设定频率的上下限时要进行水泵切换。

此处引入滞环思想进行判别，只有当实际的水压与给定水压差ΔP时才允许增减泵。若某一时刻满足了此判别条件，说明此刻的系统运行不满足供水需，即使满足需求也不能完全认为需要切换。因为系统短暂的扰动也可能造成某一时刻满足判别条件，这将造成判断失误，使机组切换失败。因此可使用延时判别来消除这种误差。

延时判别，指系统仅仅满足判别条件是不行的，若要进行切换，除了满足切换条件之外，还要能维持一段时间，若能达到这种要求，则进行机组切换。若不能满足，说明是瞬间扰动造成的，此时进行切换将可能引起误动作。

4　数学模型与控制算法分析

4.1数学模型。对于较为简单的控制对象，我们可以根据对象的具体工作原理和相关结构通过相应的计算与分析建立模型，对于较复杂的控制对象很难通过解析法建立模型，通常用现场实际测量与辨识相结合的方法获得。

分析该系统的数学模型有利于该系统的控制与调节，能更加方便的达到恒压的目的。又因为该变频恒压控制系统是动态变化、非线性的，所以只能写出近似的数学模型来代替。该系统的控制对象可以看成一个具有自衡能力的单容对象，且具有一阶大惯性环节。所以变频恒压供水系统是单容纯滞后模型，即

4.2控制算法。目前在工控系统中大多用PID控制，PID控制算法为：

由于计算机控制是采样控制，须首先对上式的模拟PID控制算法进行离散处理，使用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时上式的积分项和微分项可用求和增量式表示。因该系统需要进行手动与自动的切换，在切换时会产生冲击影响系统运行。在该系统中采用了增量式控制算法。该算法不产生积分失控，不需要累加，因而较易通过加权处理获得较好的控制效果。增量式控制算法为：

5　结束语

本文设计了一种基于PID控制的变频恒压供水系统。改进了传统供水方式的诸多不足，提高了供水效率和可靠性，更加接近了智能化。该系统可通过变频泵和工频泵的相互结合来连续调节，确保供水压力恒定。该系统主要特点为：

高效节能。可根据给定信号自动调节水泵电机的转速或加减泵，解决了不同用水量时出现大马拉小车问题和电机轻载或空载时的节能问题。

供水压力恒定。变频调速保证管网压力恒定的调节性能优越。

操作方便、简单。整个系统自动化程度高，不需专人值守，使用智能控制器，提高了系统灵活性，同时抗干扰能力也大幅度提高了。

［1］潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术.北京：电子工业出版社，2014.2

［2］何梅，张晓峰，刘西健.基于VB的小区变频恒压循环供水控制系统设计［J］.电子制作，2010.8

［3］方桂笋.基于PLC的变频恒压供水系统的设计（论文）.互联网文档资源，2012

Design of Variable Frequency Constant Pressure Water Supply System Based on PID Control

Liang Dong，Xu Jin
（School of electronic and control engineering， Chang'an University， Xi'an Shaanxi，710021）

Because the traditional water supply system is a serious waste of energy，low degree of automation，this paper designed a PID based control of variable frequency constant pressure water supply system.This paper introduces the principle of the system，the regulation process，the pump switch，the mathematical model and the PID control algorithm，which proves the prospect and the economic benefit of the variable frequency constant pressure water supply system，and has a good popularization and research value.

PID；frequency conversion；control algorithm；mathematical model