PID调节器在变频恒压给水设备中的性能与此作用

      近几年来,基于ＰＩＤ控制算法和ＰＬＣ的变频调速恒压供水技术得到了广泛的应用,被认为是一种理想的供水方式。但由于供水系统一般用户较多且用水时间不确定,管网水压波动较大,而且控制对象具有非线性和一定的滞后特性,所以很难建立精确的数学模型。因此,在实际当中,特别是在一些控制精度要求较高的工业用水供水系统中,使用基于ＰＩＤ控制的变频调速供水时,存在不同程度的超调或震荡现象。对于供水系统的非线性、高阶次、大滞后、参数易变异及其数学模型难以确定等特点,适宜于采用模糊控制。所谓模糊控制,就是把操作者的经验总结成若干条法则,并依据人脑的模糊推理过程,确定推理法则,计算机根据现场采集的信息,按照控制规则做出模糊控制决策,发出控制指令,以实现模糊控制。模糊控制在处理不确定对象时,用建立一个模拟不确定对象的模糊模型的方法来解决实际控制问题,具有动态响应好,上升时间快,超调小等优越性。

      虽然模糊控制具有许多传统控制方法无法比拟的优点，如不需建立数学模型，符合人们思维特点以及良好的动态性能，但是也有其自身的局限性。比如，模糊控制恒压供水系统的静态性能较差。在线性控制理论之中，积分控制的作用是消除静态误差，但动态响应慢;比例控制的作用是提高动态响应速度;比例积分控制的作用是既能获得较高的静态精度，又具有较快的动态响应。因此把PID控制引入模糊控制中组成Fuzzy -PID复合控制，是改善模糊控制静态性能的一条途径。参数自整定模糊-ＰＩＤ复合控制的变频恒压供水系统的方案,利用模糊参数自整定技术,对ＰＩＤ输出进行再调整,使动态响应好的Ｆｕｚｚｙ控制与稳态特性好的ＰＩＤ控制相结合,实现系统的最佳控制。

含PID调节器的变频恒压给水设备

      变频恒压给水设备主要是由ＰＬＣ、变频器、模糊PID控制器（Fuzzy-PID）、压力传感器、多组继电器和接触器的电气动力控制线路以及3台水泵等组成。

      变频恒压给水设备控制系统的基本控制策略是: 根据流体力学的基本原理,水泵消耗功率(轴功率)与转速的三次方成正比.即 ，降低转速，消耗功率即可大幅度下降。由电动机原理可知，电动机转速与电源频率成正比，频率越低，转速越低。本系统通过压力传感器周期性地采集管网压力,将管网压力与设定压力进行比较后,其压差信号送入模糊控制器,PLC根据压差信号能很快计算出压力误差变化率;经控制器模糊运算处理后,在模糊控制表中查询到相应的模糊控制量,再把模糊控制量通过解模糊运算输出一个精确的控制量Δu,对系统设定值进行迁移,并把迁移后的值送入常规PID调节器的比例环节,然后与积分环节、微分环节一起来实现对变频器输出频率的控制,从而达到控制变速泵的转速和输出的目的，使整个系统运行在高效节能的最佳状态。

模糊控制器的设计

      在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式。这类控制器都是以系统误差e和误差变化率ec为输入语句变量，因此具有类似于常规PID控制器的作用.采用该类模糊控制器的系统有可能获得良好的动态特性，而静态性能不令人满意。因此，把PID控制策略引入模糊控制器，构成模糊PID复合控制，是改善模糊控制器稳态性能的一种途径。

新型变频恒压给水设备的解决方案 

　　针对传统的变频恒压给水设备的不足之处，国外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如ABB公司的ACS600、ACS400系列产品，富士公司的G11S/P11S系列产品,北京菱科LK600P系列。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但功能却强很多，所以我们在山东文登曲轴厂新建的生活小区中就采用了这种新型的设计方案。在这套变频恒压给水设备中，我们采用了ABB公司的ACS601-0011-3带内置PID功能的变频器，可编程控制器选用西门子S7-214-1BC10-0XB0型，具体原理框图如图2所以示。图2中M1～M2为电机，P1～P2为水泵，JC1～JC4为电机起、停、互相切换的交流接触器。 

　　该变频恒压给水设备采用2台水泵，一用一备，由可编程控制器定时切换。若用水量大，变频器也可以通过可编程接口向可编程控制器发出信号，由可编程控制器控制两台泵同时工作，一台变频运行，一台工频运行。图2中传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口AI2+、AI2-，而压力设定既可以使用变频器的键盘以数字量的形式设定，也可以采用一只电位器以模拟量的形式送入AI1+、AI1-。这样通过变频器的控制面板，在变频器的PID选项中选择合适的PID参数，并经过现场调试校正，设备就可以正常运行了。  

　　由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。该设备自1997年10月在该生活小区运行以来，一直保持良好的运行状态，管网水压非常稳定，受到了小区用户的一致好评