（精密仪器及机械专业论文）汽车发动机实验室恒压供水测控系统的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

ab s t r a c t acc o rd ing toth e 明u i rem ent o f w a t e r s u p p 1 y inau t o m o b i l e engi ne l abo r a t o ryo f c h inaf a wg r o u p c o 即0 r a t 1 0 na s eto f auto m atic s ystem o f c o n s t a n t pr e s s ure w ater s u p p 1 y b y us in g v ariab lefr e q u en cyan d rern ot e m omt o ri n g an d co n t r o n mg， w h ich i s c o m p o s edo f p lc， t r a n s d u c er，p r e s s ure s ens 0 r，p u m p s and e l ectro一o t ors， c o m p ut er 朋 d mod em i s d e s i gne d tot h atend . t hi s s ato f s ys t em h asth e fo n c ti o nslike aut0 m atic c o ns t a n t p re s s ur eope r a t i on b yusin gv anabl e丘 e q u ency，a ul o m at i cw o rk fr e q u ency oper atio n ， 胡d th e fu n c t i o n o f l o n g 一 r ang e 印n 打 o l b y 五 and and the on. t h e 一 spo t c o n tr o l b y b an d etc. the s ystem h ass o lv ede ffic i entl y the p r o b 1 em exi s ti ngi n th e tr a d 1 t i o n a 1 w ayo f w at e r s u p p l y，w h i c hh asv 幼o u s s upp l eine ni ary fu n c t i o nstos tr e n 邵 h enthe re l i abi l i ty. thes ys t e mh asan o rg a n 1 cc o m b 1 n at i o nw i thcompul erandp r o m ot e s the s yste m a t i c 。 v e r a l l p er fo rmance inthe l i ght o f th atthe exc i sem ath。 刀 at 1 c alm o d e l o f w a t ers u p p 1 y s y s t e mi s di fi c u it to伽d and n o m o rer e q u est for 奴 c o n t r 0 1 p r ec is i on，this p aperp u t fo rwar d s a f u z z y . p id d es i gn fo r w at ers 叩pl yu n d e r c onst ant pres sure . 人 刀 dal so s 如ul ate th es yst em with mat l ab， th es i m u 1 at i o nre s u l ts h o w sth atthisc o m p 0 u n dc o n t r o ls yst em h as more s i gmfi c ant ro b usin e s s . mo re o v er， the s yst em u s ed 硒s u a 1 c 一 tod e s i gn th e moni to r s ysteln. b y re se archi n g t h e c o n u 刀 u n l c ation a gr e e r n ent b e 。 万 晰 t h e com p u t e r and p l c， 而s p aperh asfi n i s h eds e t t i n g 印the com ll 九 盯 i c ationb e 。 刀 e e n u p p erand fo w ercomput er， 助d a l soh asd eve l oped c o m p ut erm omt o ri n g p r o gr 即 叮tore a l i z e t h e r e r o o t e r n o n l t o ri n g and fault r epo rt in g for w a t ers u p p 1y s ystem t hr 0 u ghmod e mb y p s t n 价ywo r d s : p l c ， c o ns tant pr e s s u r e w a t e r- s u p p l y， 、 乞 ri abl e v e l o c i tyv anabl e fr e q u enc y，f uz习户 p i dc o n tr o l ， r e m o t e mo n i t orin g and c ontrol 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已 经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均己 在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 20 07 年 明介 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅或 上网 公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究 生 签名:孤 抖 、 20 07年 明了 日 1绪论 随着社会经济的迅速发展， 水对人民生活与工业生 产的影响日 益加强， 人们对 供水的 质量和供水系统可靠性的要求不断提高。 把先进的自 动化技术、 控制技术、 通讯及网络技术等应用到供水领域， 成为对供水系统的新要求。 变频恒压供水系统 集变频技术、电气技术、 现代控制技术于一体。 采用该系统进行供水可以 提高 供水 系统的稳定性和可靠性， 方便地实现供水系统的 集中管理与监控;同时系统具有良 好 的 节 能 性， 这 在 能 量日 益 紧 缺的 今 天 无为 重 要 ， 所以 研 究 设 计 该 系 统 ， 对 于 提 高 企业效率以及人民的生活水平、降 低能耗等方面具有重要的现实意义。 l l国内 外研究现状 传统的供水方式主要有:恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水。 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的 压力做出 及时的反应， 水泵的增减都依赖人 工进行手工操作，自 动化程度低， 而且为保证供水， 机组常处于满负荷运行， 不但 效率低、 耗电量大， 而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态， 爆损现象 严重，电机硬起动易产生水锤效应， 破坏性大，目前较少采用。水塔高位水箱供水 具有控制方式简单、 运行经济合理、 短时间维修或停电 可不停水等优点， 但存在基 建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电 机为硬起动，启动电流大等缺点，频 繁 起 动 易 损 坏 联 轴 器， 目 前 主 要 应 用 于 高 层 建 筑. 气 压 罐 供 水具 有 体 积 小 、 技 术 简 单、 不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对 电 器设备要求较高、 系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数， 停泵压力往往 比 较高， 致使水泵工作在低效段，同时出水压力无谓的增高， 也使浪费加大， 从而 限 制了 其发展tl . 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在效率低、 可靠性差、自 动化程 度不高等缺点，难以 适应当前经济生活的需要。 随着交流电机变频调速技术的日 臻 完善， 变频调速恒压供水方式可以 很好地克服传统供水方法的缺点成为一种很有发 展前途的供水方式。 变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。 在早期，由 于国 外生产的 变频器的功能主要限定在频率控制、 升降速控制、正反转控制、 起制动控 制、 压频比 控制及各种保护功能。 应用在变频恒压供水系统中， 变频器仅作为执行 机构， 为了 满足供水量大小需求不同时， 保证管网 压力恒定，需在变频器外部提供 压力控制器和压力传感器， 对压力进行闭环控制。 随着变频技术的发展和变频恒压 供水系统的稳定性、 可靠性以及自 动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被 大家发现和认可后， 国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能 的 变 频 器幻 ， 像日 本s amco公司， 就 推出 了 恒压供 水 基 板， 备有“ 变频 泵固 定 方 式” ， “ 变频泵循环方式” 两种模式。它将p d 调节器和p l c可编程控制器等硬件集成 在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现p lc 和p id 等电控系统的功能， 只 要搭载配套的恒压供水单元， 便可直接控制多个内 置的电 磁接触器工作， 可构成最 多7 台电 机 ( 泵) 的供水系统。 这类设备虽微化了电 路结构，降低了设备成本， 但 其输出接口 的扩展功能缺乏灵活性， 系统的动态性能 和稳定性不高， 与别的监控系 统 ( 如b a系统) 和组态软件难以实 现数据通信，并且限制了带负载的容量， 因 此 在实际使用时其范围 将会受到限制。 目 前 国内 有 不少公司 在 做 变 频 恒压 供水的 工 程iij ， 大多 采用国 外的 变频 器 控 制 水 泵 的 转 速 ， 水 管 管 网 压 力 的 闭 环 调 节 孕 多 台 水 泵 的 循 环 控 制 ， 有 的 采 用 可 编 程 控 制器 ( p lc) 及相应的软件予以 实现; 有的采用单片机及相应的软件予以实现。 这 两种控制方案， 从可靠性方面讲， p 比 优于单片机， 从经济性方面看， 单片机优于 p lc。在变频与工频电源的切换技术上，多数采用主电路串接软启动器的方法进行 降压 起动， 也有采用切换时封锁变频器的控制脉冲使变频器输出为零， 切换到工频 电源上。这两种方法，前者容易实现软启动器一般为成品部件，但设备投资较大; 后者设备投资少，但频率波动大，易引起水管管网压力不稳定。系统的动态性能、 稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所 有用户的要求。原深圳华为 ( 现己更名为艾默生)电 气公司和成都希望集团 ( 森兰 变频器) 也推出了 恒压供水专用变频器 (5.5 kw一 22kw) ， 无需外接p l c 和p d调节 器， 可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭 环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现， 但其输出接口限制了带负 载容 量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量， 控制要求不高 的 供 水 场 所 l 。 可以看出，目 前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适 应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术的变频恒压供水系统的 水 压闭 环控制研究得不够。因 此， 有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能， 使其能被更好的应用于生活、生产实践. 同时随着计算机技术的发展， 计算机已渗透到了 各行各业的应用之中， 但在 传 统的 小区供水系统中， 基本没 有采用计 算机来进行监控和管理的。 随着计算机 价 格 的不断下降， 在整个供水系统中的所占比 例越来越低。 因此在将来的供水系统设 计 中引入计算机技术也是发展的必然趋势。 计 算机 远 程监 控是国内 外研究的 前 沿 课题， 国 内 外 都 展开了 积极的 研究那 ， 。 1 9 97 年1 月， 首届基于internet的远程监控诊断工作会议由 斯坦福大学和麻省理工学院 联合 主办. 会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、 诊断信息规程、 传输协议及对 2 用户的 合法限 制等， 并对未 来技术发 展作了 展望。由 斯坦福大学 和麻省理工学院合作 开发 基于 ihte m e t 的下一 代远程监控诊断 示范系统， 这项工作同 时 也得到了 制造业、 计 算 机 业 和 仪 器 仪 表 业 的 s u 。 、 hp 、 *施 、 * 、 ford 等 1 : 家 大 公 司 的 热 情 支 持 和通力 配合。 之后， 由 这些公司共同 推出了 一个实 验性的系统 testbed。 t es th 目 用嵌入 式 w e b组网 、 用实 时 j a v a b ayeslan n et初 步 形 成 在 玩 抚 m e t 范 围内 的 信息监 控和诊 断推理。 另 外， 许多国 际组织加m imo s a、 s m f p t、 c o m a d e m等， 也纷纷通过网 络 进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。 许多 大公 司 也 在 他们的 产品 中 加 入了 inte m et的 功能 ， 如 b e ntly 公 司的 计 算机在线设 备 运行 监测系统 d ataman a g e r z o 00可以 通过网 络动态数 据交换 ( n e t d d e )的方式向 远 程终端发送设备运行状态信息; 著名的 n a ti o n a ! i n s tr 叨 田 韶 公司也在它的产品l a b win d ow式vi以 及l ab v iew中加入了 网 络通讯处理模块伪 ，因 而可以 通过 www、 f l 下 等 方 式 在 网 络 范 围 内 进 行 监 控 数 据 的 传 送 、 法 国“ a l a r m ， 研 究 组 对 生 产 过 程 的 智 能 报警和监控系统进行了长期研究， 并在多个项目 中进行了应用. 国 内 对于 远 程监控技术也开 展了 积极 的 研 究囚 。 目 前， 西 安 交 大、 华中 科技大学 、 哈尔滨工业大学、 南京理工大学等高 校己 取得了 较为先进的 研究成果， 如西安交通大 学研制的“ 大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统 r m m d ”、华中科技 大学开发的“ 汽轮机工况监测和诊断系统仙g m d 片、 哈尔滨工业大学的 “ 微计算机 化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s ” 等。 l z 本文工作内 容 变频技术自8 0年代在工业推广应用以 来， 显示出了强劲竞争力，供水行业是 该技术的成功应用领域之一。近年来变频技术在我国取得一定的进展， 但与发达国 家尚 有 很 大 差 距， 变 频 技 术 在 我 国 具 有 很 大 的 发 展 空间 。 由 于 远 程 通 信 技 术 、 计 算 机网络技术和故障诊断技术的发 展， 计算机网 络技术、 通信技术和故障诊断技术进 入工业控制领域， 使各种设备除了完成它们原先的功能以 外， 还具有远程通信功能 和故障诊断功能， 使其功能更加完善， 更加稳定可靠。 远程监 控系统的出 现使人们 能够在远方实 现对控制系统的远 程测试和远程 控制， 避免了 人们为了 监视设备而处 于非常恶劣的 环境中， 其优点是显而易见的。 本课题源于一汽集团 汽车发动机实验 室供水系统， 采用了 变频技术实 现了 供水系统的 恒压控制， 采用远程通信技术实现 了控制现场的远程监控。本文的主要内容为: (l ) 在 对课 题进行分 析和 研 究的 基 础上， 提出 了 系统的 设 计 方案和思路， 确定 论文主要的研究内容和研究方法。 (2 )通过仿真实验， 研究采 用参数自 调整模糊p m技术实时检侧系统实际压力 情况，自 动调整控制参数， 实 现最 佳控制的 技术可行性。 (3 )分析供水系统基本模型及基本 特性， 对恒压供水系统中 采用转速调节法和 阀门 控制法作了比 较，详细分 析变频调速方式在恒压供水系统中的节能原 理和效果。在此基础上论文就变频调速恒压供水控制系统的设计做了 详细 的 分 析 和 研 究 。 详 细 分 析 全自 动 变 频 恒 压 运 行 方 式 水 泵 运 行 的 转 换 过 程 ， 提出 供水系统控制程序的功能 模块和设计方案。 ( 4 )学习并掌握m o dbus协议， 确定 现场控制计算机与p lc 的通信方法。 (5 )分 析了 现 场计 算 机与 远程计 算 机的 通 信方 法， 实 现了 基 于ps翎 电 话网 络 的通信。 (6 )监控软件的编制。 2系统设计方案 2. 1总体设计思路 整个系统主要包括现场设备级和远程监控级两个部分。系统的总体结构如图 2 1 . 1 所示。 现场设备级处于系统的最底层，由 现场总线实现现场计算机与 p lc 之间的通 信，同时 现场的执行设备、 检测设备又与p l c 相连，组成了整个系统的 控制核心。 通过各种硬件设备的连接及相应软件通讯规则的设置， 实现了整个现场设备级的通 信; 通过程序控制算法的编写，实现了 整个系统的自 动化控制。 远程监控级在网络层级上要高于现场设备级，主要借助 mo d e n l 通过公用电话 网来实现控制现场的远程监控. 图2. l i系 统总体结 构 2. 2控制现场设计方案 控制现场是整个系统的核心部分， 主要由p lc、 变频器、 水泵电 机、 压力变送 器和现场监控计算机组成。 2. 2. 1控制现场工作原理 现场供水控制系统采用一台 变频器拖动两台 大功率电 动机， 可在变频和工频两 种方式下运行， 一台 低功率的电 机， 作为辅助泵电 机。 系统开始运行时， 通过安装 在出水管网上的压力变送器检测管道压力，并把出口 压力变成 0 s v或4 2 伪 11 a 的 模拟信号， 送入p lc 的模拟量 扩展模块e m 235 的a i w o 作为实际 压力 值. p l c 接收到压力信号之后与给定压力信号进行比 较. 然后通过控制算法， 计算出 控制量 由e m 2 3 5 的a q w o 输出 幅 值为。 s v 或。 l o v的 电 压 信 号 给 变 频 器， 变 频 器 依 据输入电压信号的大小， 控制水泵进行调速运行，从而控制供水压力。 当 用水量较小时， 一台泵在变频器的 控制下稳定 运行， 当用水量大到水泵全速 运行也不能保证网管的压力稳定时， p lc 给定的压力下限信号与变频器的高速信号 同时 被p lc 检测到， p lc 自 动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，以 保 持压力的连续性，同时将下一台泵用变频器启动后投入运行，以 加大网管的供水量 保证压力稳定。 若2 台泵运转仍不能满足压力的要求， 则依次将变频工作状态下的 泵投入到工频运行， 再将一台备用泵投入变频运行。 当用水量减少时， 首先表现为 变频器已工作在最低速信号有效， 这时压力上限信号如仍出 现， p l c首先将最先工 频 运行的 泵停掉，以 减少 供水量。 当 上述2 个信号 仍 然存在时， p lc 再停掉第2 台 工频运行的电 机，直到最后一台 泵用变频恒压供水。 所有的水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由 变频器来控制， 实现带载软启 动， 避免了启动大电流给水泵电机带来冲击， 相对延长了电机的使用寿命。 同时， 系 统供水采用变频泵循环方式， 以“ 先开先关” 的顺序关泵， 工作泵与备用泵不固定死， 这样， 既保证供水系统有备用泵， 又保证系统泵有相同的运行时间， 有效的防止因为 备用泵长期不用发生绣死现象，提高了设备的综合利用率。 2. 2. 2控制现场功能 制定 1 .系统运行方式分为手动、 全自 动两种. 它们可以由 一个按钮操作， o n为自 动方 式， o f f为手动。在手动方式下， 可以 对控制水泵中的 任意一台进行启动和关 闭操作，该方式主要用于系统设计初期的测试，方便任一时期的检修，以 及紧 急情况下的水泵控制。 而整个系统本身正常状态下的运行主要采用全自 动方式， 使供水系统高度自 动化，这也是系统开发的目 的之一。 在全自 动方式下， 按下 启动按钮，系统就能自 动赋初值，根据用水量的变化自 动调节水泵转速和运行 台数，确定每台泵的具体工作状态，使达到最优配置。 2 .要对管网水压进行实时数据采样，信号经刃d转换后送p lc ，从而实现对管网 压力的闭 环控制。 采样点 选择在水泵的出口 管道处。 3 . 变频器运行时，要对变频器当前控制的水泵的运行情况进行监控.变频器应该 能够对水泵进行变频器过载、失速、过电流、过电压、欠电压、输入缺相、电 动机过载、 变频器过热变频器内 散热板过热及其它一些常规保护。 变频器只 对 当前工作在变频态的水泵负责。 4 . 要对变频器的运行情况进行监测，还有水泵的转速、管网压力都要进行监控， 对于危险情况要设置报警信号，并自 动作出反应。 5 . 有友好的人机界面，要能够完成简单的人机交流，如系统的 运行状况监控、初 值的 改 变、 参数的改变等， 另可 通过监 控软件修改工作参数。 6 . 应该做到系统无故障运行时，基本上可以 做到无人自 动恒压变频无级别调速运 行石 2. 3监控系统设计方案 2. 3. 1 现场监控系统设计方案 在工业控制领 域中 ， p l c 作为一 种稳定可靠的 控制器得到 广泛的应用。 但它也有 自 身的 一些缺点: 数据的计算和管理功能较弱， 不能给用户提供良 好的界面等。 而计 算机 恰好能弥补 p l c 的不足， 它不但有很强的数据处理和管理能 力， 而且能给用户提 供 非常美观而又易于操作的界面。 将p lc与p c 结合， 可使系统达到既能及时地采集、 存 储数 据， 又可处理和使用好数据回 。 为了 实 现管理人员直观的了 解控制状况， 并方 便 与 远程监控系统的 通信， 设计了 一套现场监控系统， 通过现场监控计算机监控运行 状 况， 必要时可进行手动控制， 从而提高故障应急处理能力， 可进一步保障了 供水的 可 靠性。 计算机和p lc结合的关键是它们之间 通信功能的实现。 由 于串行通信具有线路简 单、 应用灵活、 可靠性高等优点， 并且普通计算机上均有串行口， 所以本系统采用了 串行通信的方式来实现现场监控计算机与p lc之间的通信。 开发监控软件的工具有很多， 如visu alc 一、 visu alb as ic 、 l abv iew等等。由 于 v i s u a 1 c +功能强大、使用灵活， 其开发的应用程序执行效率高， 所以， 在本系统中 采用了 vis ual c + + 来开发监控系统的 软件。 2. 3. 2远程 监控系统设计方案 目 前， 实现远程监控的方法有很多. ， intetnet 是全球最大的、 开放的、由众多网络 互联而成的计算机互联网， 全世界采用开放系统协议的计算机都能互相通讯， 但是这 种方法要求现场具有可用的网 络资源， 而一般情况下现场不具备网络资源， 这就使该 法的 应用受到限制。 g s m网络是目 前我国 应用范围最广的 数字移动通信系统， 信号较 稳定 ， 无同 频干扰， 保密性好， 可处理大 量的 短消息、 数据和传真传送等业务功能， 但 是一次性投入太大。 基于p s t n 电 话网的远程监控是目 前较为可靠的方法， 其基本方 法是利用m odeln将两台计算机通过p s t n 电 话网相连接进而实现相互通讯， 交换数据。 这种方法的 最大优点是设置灵活， 价格低廉。 通过己 经存在的电 话线和m o d 。 旧 只需简 单设置即 可连接两台计算机。 两台计算机只在交换数据时处于连接状态， 其他时间 处 于断开 状态， 因 而只需花费 连接时间的电 话费。 而且由 于目 前电 话网 络十分发达因 而 7 两台计算机的位置可以很灵活的设置。 由于远程监控系统并不需要长时间 运行， 仅在需要时通过自 动或人工电 话拨号 建立现场计算机与远程计算机的联系， 从而传输数据或指令。因此采用基于p s t n 电话网的 远程监控方案具有可以 充分利用现有的电 话网络资源， 降低了系统运行成 本的优势。故本系统采用基于p s i n电话网的远程监控方案。 3控制算法设计 变频调速恒压供水系统由 水泵、电 机、 变频器等多个环节所组成， 整个系统涉 及较多的参数， 其中部分参数难以 准确测定， 部分参数在系统运行过程中是变化的。 水泵工作特性具有很强的非线性， 管路 水头的 变化以 及电力负载及其特性的变化等 都 将导 致水泵运行工况点的 改 变， 从 而改变了 系 统参数侧网。 变频调速恒压供水系 统 对水压的 调节是建立在转速调 节基础之上的， 管网 水压的变化相对于 转速改 变有 一个较长的滞后时间，是一个典型的大时滞系统。 对 于 这样复杂的 控制系 统， 常 规的b . 控 制 器由 于 采用固 定的 参数， 难以 保证 系统在任何工况条件下始终具有最佳的 控制性能。 模糊控制是建立在人工经验基础 之上， 无需知 道控制 对象的数学 模型， 它采 用语言 变量来描述系统特征， 并依 据系 统的动态信息和模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量， 具有对参数变化不敏 感和鲁棒性强等特点， 但控制精度却不太理想。 如果能实现p id 控制器的参数在线 自 调整， 那么p i d控制器就能更好的 适应控制系统的参数变化和工作条件变化。 研 究表明 阁 阴， 模糊控制和p id 控制的 结合是提高 控制性能的 有效手段。 为了 有效地 提高变频调速恒压供水系统的控制精度和鲁棒性， 本文通过对p d 控制器和模糊控 制器 进行分析， 设计了 一种参数自 适应的f u z z 尸id控制 器， 利用模糊逻辑对p id 参数进行在线调整， 对供水系统中的管网压力进行控制。 3. 1系统控制原理 如图3 . 1 . 1 所示， 恒压控制在控制理论上来讲是一种跟随控制系统。 系统管网 钓水压作为被控量，以压力设定作为给定量，以p id运算作为基本控制算法， 组成 一个单闭 环控制系统。 在控制上实现出口 总管网的实际供水压力跟随设定供水压力 变化而变化，并动态维持在设定水压上。 p l c 监控 当 通4 月压 系 而 腆葺而 鑫 蔽 蠢 蔽变 频 器 卜一叫水 泵 电 机 机 组 护 压力检蕊 图3 . l l恒压 控制原理图 从恒压控制的原理图可以 看出， 系统在运行过程中， 如果实际供水压力低于设定 压力， 控制系统将得到一个正的压力差， 这个差值经过计算和转换， 计算出 变频器输 出 频率的增加值， 将这个增量和变频器当 前的 输出值相加， 得到变频器当前应该输出 的 频率， 使变频泵转速增大， 从而提高管网的实际供水压力， 直至与设定压力相等为 止。如果实际供水压力高于设定压力， 控制系统将得到一个负的压力差， p id调节以 及变频器输出 频率的情况则刚好相反。 3. 2变频恒压供水的pid控制 p id 控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。它的原理 如图3 2 . 1 所示。 目标值 设定 值) + 口十 控制对象 反馈值 ( 洲量值) 图3 么i p d控制原理图 通过控制对象的传感器等检测过程变量 ( 反馈量) ， 将其与给定 值 ( 压力给定 值) 进行比 较。若有偏差 ( 给定值与过程变量的差) ， 则通过此功能的控制动作使 少 偏差为零。 也就是使反馈量与目 标值相一致的一 种通用控制方式。 它比较适用于流 量控制、 压力控制、 温度控制等过程量的 控制。 在恒压供水中常见的p id控制器的 控制形式主要有两种: 1 .硬件型，即通用p id控制器， 在使用时只需要进行线路的连接和p 、 1、d 参数及给定值的设定。 2 . 软件型， 使用离散形式的p id控制算法在可编程序控制器上做p id控制器。 由于本系统中的控制器为p l c ， 基于实际考虑， 采用第二种方式系统进行控制。 3. 2. i hd调节原理及特点 p d控制， 即 按偏差的比 例 伊 ) 、 积椒乃 、 微分 口) 控 制， 它 根 据给定值巾 ) 与 实 际 输出 值。 (t) 构 成 控 制偏 差e o 卜 诚 0 一 c (t)， 将 偏 差 的比 例 伊 ) ， 积 分 ( d ， 微分 口 ) 通 过 线 性 组 合 成 控 制 量 ， 对 被 控 对 象 进 行 控 渝 ， 故 称 p d 控 制 器 . ，。 p id控 制 器 根 据目 标 值 ( 给 定 值 减 t) 与 过 程 变量 ( 测量 值 )c (t) 构 成的 控 制偏 差: e ( t ) = r ( t ) 一 c ( t )( 3 1 ) 将 偏 差 的 比 例 (p ) 、 积 分 (d 和 微 分 (o通 过 线 性 组 合 构 成 控 制 量 ， 对 受 控 对 象 进 行控制。其控制规律为: 。 _ k 。 (e 十 李r 戈 司e dt十 几 丽) ( 3 2 ) 式中: u : 输出 凡 : 比例系数 ti : 积分时间 t 。: 微分时间 简单来说， p id控制器各校正环节的作用是这样的: 1比 例 环 节 : 即 时 成 比 例 的 反 应 控 剑 系 统 的 偏 差 信 号城 t)，偏 差 一 旦 产 生 ， 控 制器立即产生控制作用以减小误差。 2 . 积分环节: 主要用于消除静差， 提高系统的 无差度， 积分作用的 强弱取决于 积分时间常数t i ，ti越大，积分作用越弱，反之则越强。 3 . 微分 环节: 能反应偏差 信号的 变化趋势( 变化 速率) ， 并能在偏差信号值变得 太大之前， 在系统中引入一个有效的早期修正 信号，从而加快系统的动作速度， 减 小调节时间。 在程序中， 将需要的参数保存在回路中。 回路表包含9 个参数用来控制和监视p id 运算。 这些 参数 分 别是过程变量当 前 值 p v 拗， 过 程 变量 前 值 p v (k-1) ， 给定值 s p( k) ， 输 出 值 m 拗， 增 益k 。 ， 采 样时 间 几， 积 分时 间工 ， 微 分 时 间 tn和 积 分 项 前 值m x . 为了让p id运算以 预想的采样频率工作， p id子程序必须以一定频率被调用。 采样时 间必须通过回路表输入到p id运算中. 每个 p id回路有两个输入量， 给定 值s p( k) 和过程变量 p v 闪 . 给定值通常是一 个 固定的值， 比如设定的压力值。 过程变量是控制系统反馈的被控量测量值，比如实际 压力。 给定值和过程变量都是现实世界的值， 他们的大小、 范围 和工程单位都可能不 一样。 在对这些量进行运算以 前，必须把它们转换成浮点型实数， 并标准化为住 0 1 .0 之间的实数.下面的算式可以 用来标准化给定值或过程变量: r ， .= ( r r. . l s p a n ) + o ffse t( 3 .3 ) 其 中 : r ， ，为 标 准 化的 实 数 值 。 r 、为 没 有 标 准 化 的 实 数 值 或 原 值 o ffs et 在 单 极 性时 为 。 刀 ， 双 极 性时 为 0. 5 。 sp an 为 值 域 大小 ， 其 值 为 最 大 可 能 值 减 去 最 小 可 能 i i 值。 系统输出 值一般是控制变量， 同时， p id计算输出是。 刀 1 0 之间的标准化了的实 数值。 在回路 输出 驱动 模拟输出之前， 必须 把回路输出转换成相 应的实数值。 这一过 程是给定值或过程变量的标准化转换的反过程。公式如下: r . 。 二 伽(k ) 一 o ffset ) x s p a n(3 4) 其 中 :r ， ， 为 回 路 输出 的 实 际 值 。 为 了 适 应 不 同 被 控 对 象 和 系 统的 要 求， 解 决 过 程 计 算 机 控 制 中 的 一 些问 题， 改 善 系统品质，对p id算法进行某些改写，形成了非标准的控制算式。 在用计 算机、 单片 机、 p lc等作为 控 制 装置 进行 直接数字 控 制 田d c)时， 对 各 个 被控制变量的处理在时间上是离散进行的。 d d c 控制方式的特点是采样控制， 每个被 控制变量的 测量值隔一定时间与设定值比 较一次， 按照预定的 控制算法得到输出 值， 通常把它保留 到下一采样时刻。对上式离散化， 得到位置式p id算法，即离散p id算 法: u ( k ) = k p 唯) + k ， 艺 e(i ) + k . ie(k) 一 e 你 一 1 ) 1 (3， 5 ) 由 上式可得到增量式p id控制算式如下: 加 ( k ) = u ( k ) 一 u (k 一 1 ) ， ” k p e ( k ) 一 e( k 一 1 ) 1 + k ， e( k ) + k 。 f e ( k ) - 2 难一 1 ) + 雌一 2 ) 1(3 6 ) 其中: 朴: 城 k ) : 堆 一 1): kj二肠t 打 ko =k p t 。 理， 毛 由式3 . 6 得到: 比例系数 在第 k 次采样时刻的偏差值 在第 k 一 1 采样时刻的 偏差值( 偏差前项) : 积分系数 微分项的比例常数 采样时间 八 u ( k ) = a : e ( k ) + a z e (k一 1 ) + a ， (k一 2 )( 3 7 ) 式中: a 产k ， + k . + k 。 a : = 一 ( k p + z k 。 ) a ， ， kp 离散 p id算法与模拟p d算法相比 较， 它具有如下优点特点: 1 . p ， 1 ， d 三个作用是独立的， 可以 分别整定， 没有调节器参数间的关联问 题， 1 2 不需要考虑干扰系数; 2 在用计算机或 p lc实 施时， 等效的 ti 和 td可以 在更大的范围内自 由 选择， 但 在模拟式调节器中，由于线路和元件性能上的限制，可调范围要小得多; 3 .积分和微分 控制作用的某些改进， 较之常规调节器更为灵活多变. 考虑到离散的p id具有以 上的 优点， 同 时结 合本文研究的恒压供水系 统具有开 放数据通讯功能、良 好的人机界面以 及高的 性价比 等特点， 采用离散的p 】d对水压 进行恒定控制。 3. 2. 2 pid参数整定的相关原则 针 对 一个具体的 系 统， 设 置和 调 整p d参 数j 使 调节 过 程达到满 意的 品 质， 称 为参数整定，不管是用常规调节器还是数字p d调节器， 统称为调节器参数整定。 下面简单列举一些的准则: 1 . 如 果 广 义 对 象 的 传 递 函 数 是 k . e 一 ， /(l， + 1) ， 调 节 器 的 比 例 增 益 是kp，整 个 系 统总的开环增益是k p k o 。 在 其他因 素相同 的 情况下， 当ko大的时候， 儿应该小 一些， ko小的时 候， 肠应该大一些. 2 . 在 动 态 参 数 方 面 ， 可 取: . 风 作 为 特 征 值。 : . / to越 大， 系 统 越 不 易 稳 定 ， 因 此肠应该小一些。 同时， ti和td也应取 适当 的 数值。 经验上常取ti为z t 左右， td为0. 5 t 左右. 3 . 在 p 、 1 、 d三个作用中， p 作 用往往是最基本的 控制作用。由 这一点出 发， 可从两条途径之一进行现场凑试: (l ) 先用单纯的p 作用， 选出 合适的勒值， 作为基础， 然后适当引 入毛和孔， ti和td值进行挑选。 (2 ) 把t 泣 和td置于合适的 数值， 然后主 要对肠值进行凑试， 得出 最合宜的数 值。 以 上两条途径表面上看来截然相反， 但它们都是以 承认p 作用为主体作为前提 的。 4 . 积分( d 作用的引 入既 有利又有弊。 必 须尽量发 挥它能消除余差的利， 尽量缩 小 它 不 利 于 稳 定 的 弊 。 一 般 取 工 二 2 : 或 工 = (0 一 1) 弋 式 tp是 振 荡 周 期 )o 5 . 对于含有噪音的过程，不宜引入微分作用，否则高频分量放大得很厉害。 3. 2. 3 pid调节仿真结 果及分析 1 ， 供水控制系统的 近似模型 在三级泵房中 ， 水泵由 初始状态向管网供水的变频调速恒压系统， 一般可分为 零压过程和压力上升过程。 而零压过程中， 水泵把水从清水池送到管网中， 压力基本 上可以 认为保持为零， 是一个纯滞后过程; 压力上升过程中， 水泵把水充满整个管路， 压力逐渐增加直至达到稳定， 可以认为是一个一阶 惯性环节。 因此， 水泵管道系统的 数学模型可以等效为一个带纯滞后的一阶惯性环节， 系统中其它的控制和检测环节， 例如变频调节、继电器控制转换、压力检测等的时间常数和滞后时间， 与供水系统 水压上升或下降的时间常数和滞后时间常数相比， 可以忽略不计， 均可等效为比 例 环节。由 此可得供水系统的近似模型: g ( 5 ) = 竺e-t ts+ 1 ( 3 名 ) 式中: k 一一 系统的总增益 t 一一 系统的惯性时间常数 t 一一 系统滞后时间 根据柯恩一 库恩(c。 ho一 c o on)公式 计算出 被控对象 特征参数 k 取 对象 特征参 数的 c o hn. c oo n 公 式 如 下阴: k = 匀/ 份= (y 2 一 y ， )/ (rz一 叭 ) 、 t 、 t 从阶跃响应提 ( 3 9 ) t = 1 . 5 ( t . 砚一 t 。) : = 1 城 t 。一 t. 。 / 3) 式中: 匀 系统输出 响应; 占 系统阶跃输入; 饭 2 。 输出 响 应曲 线 对 应仓 28 y 时 的 时 间 ; 饥 63 2 输出响应曲 线对应住 6 32 y 时的 时间。 经过测试，得到各点数值如下: ri = 2 ，rz =6， y l =26， y2=8.8 ， 饭 2 . = 3 名 6 ， 饥 63 汗7 7 8 经过计算，得到被控对象的特征数值如下: k=1 . 5 5 ，t=5 名8 ，t =1 9 故被控对象的近似模型为: ( 3 . 1 0) ( 3 . 1 1 ) g( 5 )= - 1 竺 一 e 一 咖 5 . 8 8 5 +1 (3. 1 2 ) 2 . 系统仿真 借 助 于 m atl ab 中的 5 协 叹 几 i n k 进行 仿 真 叫， 在 手工 进行 p id参 数 整 定时， 经过 反 复试验得到的理想 p id参数分别为: 216 ， 6 4 ， 2. 1 ， 做为 p id控制 器勒， 幻， kn的 设 定值进行仿真。 图3 2. 2 p ll ) 控制仿真曲 线 上图的控制结果， 可以 满足一般场所的 供水要求， 但本系统用于对实验室的供水， 总体来讲存在以 下不足: 1 . 因为变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、 非线性的、 滞后的、 模型不稳定的对象，很难建立精确的数学模型，因 而p id参数整定困 难，并且最终的 参数不一定最优; 2 ，调节时间较长，超调量较大; 为了 使系统能 够更好的满 足实际的 要求， 在本系统中引 入了 另一种控制算法一 模 糊控制对p id参数进行整定。 3. 3模糊控制算法 在 工 业 过程中 ， 惯性带 有 滞后的 被 拉 对 象是 很普 遍的 ， 传 统的 p id控制在工 业 生 产虽然得到广泛的 应用，但对于大滞后、非线性的复杂系统， 常规p id控制很难保证 其控制效果始终处于最佳。 模糊控制不需要控制对象的精确数 学模型， 它是一种基于 规则的控制，通过查表就可以 得到控制量，实现简单， 控制效果好。 采用由 模糊数学语言描述的 控制规律( 控制规则) 来操纵系统的 工作方式。 按照 模糊控制律组成的 控制装置称为 模糊控制器。 在实际工程中， 许多系统和过程都十分 复杂， 难以 建立确切的数学模型和设计出 通常 意义下的 控制器， 只能由 熟练操作者凭 借经 验以 手动方式控制， 其控制规则常常以 模糊的 形式体现在控制人员的经验中， 很 难用 传统的 数学语言来描述。 使用语言 变量、 模糊条件语句和模糊算法等概念和方法， l 5 使得某些以 往只能用自 然语言的条件语句形式描述的手动控制规则可采用模糊条件 语句形式来描述， 从而使这些规则成为在计算机上可以实现的 算法. 模糊控制的 特点是不需要考虑控制对象的数学模型和复杂 情况， 而仅依据由 操作 人员经验所制定的控制规则就可构成。 凡是