基于PLC變頻調速的恒壓供水系統(tǒng)論文

1、基于基于 plcplc 變頻調速的恒壓變頻調速的恒壓 供水系統(tǒng)供水系統(tǒng) 目目 錄錄 摘摘 要要.1 前前 言言.1 第第 1 1 章章 常見的變頻恒壓常見的變頻恒壓供供水概況水概況.1 1.1 plc 控制的變頻恒壓供水.1 1.2 常見的供水方式 .1 1.3 變頻恒壓調節(jié)的基本原理 .1 1.4 變頻驅動方式和調節(jié)方式以及壓力傳感變送器的使用 .3 1.4.1 恒壓供水系統(tǒng)的驅動方式 .3 1.4.2 恒壓供水調節(jié)方式 .3 1.4.3 關于壓力傳感變送器的使用 .4 第第 2 2 章、恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計章、恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計.5 2.1 plc、變頻器控制的恒壓供水系統(tǒng)方案 .5

2、 2.1.1 方案特點 .5 2.1.2 變頻-工頻雙回路恒壓供水方案優(yōu)點 .6 2.1.3 設備選型 .6 2.2 模擬供水系統(tǒng)的擬定 .6 2.3 主電路設計 .7 2.4 電氣控制系統(tǒng)接線原理圖及說明 .8 2.5 控制流程圖 .9 2.6 輸入輸出元件與 plc 地址對照表 .11 2.7 plc 程序設計.12 第第 3 章、恒壓供水系統(tǒng)的軟件設計章、恒壓供水系統(tǒng)的軟件設計.13 3.1 水泵的轉速與其揚程 h、流量 q 及功率的關 系14 3.2 pid 控制及其調 節(jié).15 總總結結.16 致致 謝謝.21 參考文獻參考文獻.22 基于基于 plcplc 變頻調速的恒壓供水系統(tǒng)變

3、頻調速的恒壓供水系統(tǒng) 摘要摘要： 隨著我國社會經濟的發(fā)展，住房制度改革的不斷深入，人民生活水平的不 斷提高，城市建設發(fā)展十分迅速，同時也對基礎設施建設提出了更高的要求。 城市供水系統(tǒng)的建設是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經濟性 直接影響到用戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了供水管理水平的提高。傳統(tǒng) 供水廠，特別是中小供水廠所普遍采用的恒速泵加壓供水方式存在效率低、可 靠性不高、自動化程度低等缺點，難以滿足當前經濟生活的需要。隨著人們對 供水質量和供水系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，需要利用先進的自動化技術、控 制技術以及通訊技術，要求設計出高性能、高節(jié)能、能適應供水廠復雜環(huán)境的 恒壓供水系

4、統(tǒng)成為必然趨勢。最后，從分析該恒壓供水變頻供水的可靠性，改 造理論、技術、經濟可行性等方面進行多次實驗分析；其次分別從確定變頻器 的參數，設計變頻主電機、變頻電機的運行模式、控制模式及流程。在此基礎 上，對中小供水變頻電機的選型、安裝、調試和運行各步驟加以詳細地闡述。 然后歸納和分析了安裝運行中的問題和注意事項。通過變頻恒壓供水系統(tǒng)的試 運行，對該系統(tǒng)在實際供水中所取得的節(jié)約電耗、恒定壓力等實際效果進行了 總結，指出變頻技術在供水領域所取得的成果及應用中局限性。 關鍵詞關鍵詞：恒壓供水，變頻調速，plc 前 言 隨著社會經濟的迅速發(fā)展，人們對供水質量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷 提高，再加上目前

5、能源緊缺，利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術， 設計高性能、高節(jié)能、能適應不同領域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。 本設計是針對居民生活用水/消防用水而設計的。由變頻器、plc 及 pid 調節(jié)器組成控制系統(tǒng)，調節(jié)水泵的輸出流量。電動機泵組由三臺水泵并聯(lián)而成， 由變頻器或工頻電網供電，根據供水系統(tǒng)出口水壓和流量來控制變頻器電動機 泵組之間的切換及速度，使系統(tǒng)運行在最合理的狀態(tài)，保證按需供水。 本文介紹了采用 plc 控制的變頻調速供水系統(tǒng)，由 plc 進行邏輯控制， 由變頻器進行壓力調節(jié)。在經過 pid 運算，通過 plc 控制變頻與工頻切換， 實現(xiàn)閉環(huán)自動調節(jié)恒壓供水。運行結果表明，該系

6、統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結構簡單， 工作可靠操作方便等優(yōu)點。 隨著科學技術的不斷發(fā)展和進步，plc、變頻器以其優(yōu)異的性能將越來越 多的被應用于各個行業(yè)中。 第 1 章 常見的變頻恒壓供水概況 1.1 plc 控制的變頻恒壓供水 變頻供水的一種典型方式是變頻恒壓供水。變頻恒壓供水時使用扁平器的 調速功能通過調節(jié)供水的水泵的轉速，以維持供水始端壓力，變使之保持相對 的恒定，故又稱恒壓供水。現(xiàn)在變頻供水以逐步滲透到各種行業(yè)，品種也從單 一簡單的變頻恒壓供水向專業(yè)多功能和高級的變頻、變壓供水及職能化控制的 方向發(fā)展。 基于觸摸屏和 plc 作為控制變頻器作為驅動調速的恒壓供水技術，相對于 傳統(tǒng)的技術而言具有節(jié)

7、能效益明顯、控制和保護功能完善、可實現(xiàn)機組的軟啟 軟停機、輸入電壓范圍寬、電磁沖擊小、泵機運行組合切換靈活方便等優(yōu)越性， 目前廣泛應用于水廠送水泵站、二次加壓站、工業(yè)鍋爐供水、小區(qū)和高樓給水、 其他工業(yè)供水等領域。 觸摸屏和 plc 在對現(xiàn)場系統(tǒng)和設備的自動控制上顯示出令人鼓舞的優(yōu)勢，現(xiàn)代的供水 系統(tǒng)已隨著微型計算機及電力電子技術的發(fā)展，在傳統(tǒng)的供水基礎上將觸摸屏、plc 和變 頻器等應用到其中，不斷的提高供水的質量以及整個供水系統(tǒng)的自動化程度。 1.2 常見的供水方式 生產和生活中的供水方式有多種，常見的供水方式通常會設一臺或多臺泵； 有多臺泵時會根據不同的用水量啟動不同數量的泵運行，供水水

8、壓式波動的。 要保證供水質量，穩(wěn)定供水出口（或管網）的壓力，變頻恒壓供水是最好的方 式之一。 1.3 變頻恒壓調節(jié)的基本原理 變頻恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓的工作過程和原理：安裝于供水母管或主管道 上的壓力傳感變送器將供水管網壓力轉換成 420ma（020ma、010v）的標準 電信號，送到 pid 調節(jié)器（或過程控制器、plc、dcs 等），經過運算處理后仍 以標準電信號直接送到具有內置 pid 調節(jié)功能的變頻器；變頻器根據調速的給 定信號或對壓力傳感變送器的標準電信號進行運算處理后，決定其輸出頻率實 現(xiàn)對驅動典動機的轉速調節(jié)，從而實現(xiàn)對供水的水量及供水壓力調節(jié)，最終實 現(xiàn)了對供水管網的壓力調節(jié)，

9、即實現(xiàn)恒壓供水。 實際應用中，除了要實現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的 pid 調節(jié)功能外，還需配備 外圍輔助電路及 plc 和觸摸屏控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)切換選擇等自動控制功能，以 保證自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時刻通過人工調節(jié)方式維持系統(tǒng)運行，保證連續(xù)生 產。 plc變頻器電機 / 壓力傳感器 x信號繼電器 頻率 壓力信號反饋 設定值 + - 圖 1-1 控制原理示意圖 水泵選擇的一般性原則 1.供水系統(tǒng)的水泵應盡量選用先進的低噪音、節(jié)能型水泵，不可采用淘汰 產品。 2.根據實際流量、揚程選泵?？紤]因磨損等原因造成水泵出力下降，可按 計算所得的揚程值乘以 1.051.1 后選泵，應能保證水泵工作在高效區(qū)。 3.對

10、單位及小規(guī)模的供水系統(tǒng)因盡量減少泵的臺數，以一用一備為宜，且 配小型氣壓罐；當一臺運行能滿足要求時，則不宜采用多臺泵并聯(lián)方式；若必 須采用多臺并聯(lián)運行或大小泵搭配方式時，其型號不宜太雜，臺數不宜過多， 型號一般不宜超過兩種，泵的揚程范圍應相同；并聯(lián)運行時仍能保證每臺泵在 高效區(qū)范圍內運行 4.對于水廠及供水規(guī)模較大的供水系統(tǒng)及用水不均勻，且流量變化大的供 水系統(tǒng)，則宜采用多臺 水泵組合供水，群泵運行時，可按 1 或 2 臺進行變頻調 速其余為工頻恒速的方式運行。 5.同一供水系統(tǒng)所配水泵的揚程要相同，主供水泵之間的流量宜相同或相 近，補壓泵流量和主供水泵流量的流量之比以不小于 1/3 為宜。

11、6.應注意的問題：抽水揚程越低，電機負荷越小這是種錯誤的認識。 1.4 變頻驅動方式和調節(jié)方式以及壓力傳感變送器的使用 1.4.1 恒壓供水系統(tǒng)的驅動方式 通常在同一路供水系統(tǒng)中，設置多臺常用泵，供水量大時多臺泵全開，供 水量小時開一臺或兩臺。在采用變頻調速進行恒壓供水時，就有兩種方式，其 一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根 據壓力反饋信號，通過 pid 運算自動調整變頻器輸出功率，改變電動機轉速， 最終達到管網恒壓的目的，就是一個閉環(huán)回路，較簡單，但成本高。前種方法 成本低，性能不比后種差，但控制程序較復雜，是未來的發(fā)展方向。從節(jié)省投 資的角度來考慮，可以采

12、用“一拖二”或一拖三“等的驅動方式，即只用一個 變頻器，其額定功率按需進行變頻驅動的群泵中最大的額定功率考慮。本案例 為”一拖二“的驅動方式。 1.4.2 恒壓供水調節(jié)方式 為了保持供水管道的壓力恒定，使用的恒壓供水控制方式以單級 pid 調節(jié) 為主要手段，也有的采用了模糊控制等現(xiàn)代控制理論方法。 一般情況下，pid 的調節(jié)方式就能夠滿足恒壓供水管網壓力的穩(wěn)定調節(jié)。 然而，這種類型的閉環(huán)系統(tǒng)也存在著一些難以解決的問題。如在系統(tǒng)的動態(tài)運 行過程中，水泵電動機會出現(xiàn)速度超調甚至不穩(wěn)定的現(xiàn)象，對整個的供水設備 具有很大的破壞性，還會減小整個系統(tǒng)的效率。通常，這些問題是通過選用優(yōu) 化的 pid 算法來

13、解決，具體的說，最好是使用專業(yè)的智能儀表、過程控制器等。 一般來說，專業(yè)的智能儀表、過程控制器的 pid 調節(jié)功能要比變頻器內置的 pid 功能強。 1.4.3 關于壓力傳感變送器的使用 壓力傳感變送器的信號是弱電信號，其傳輸距離通常不易太長，同時不易 與強電電纜近距離并行；傳輸距離太長及與強電電纜并行會使信號衰減，同時 容易受干擾，不能反映真實的數據，還易出現(xiàn)故障。對于較小范圍的供水系統(tǒng) 及單位供水系統(tǒng)等，在對供水壓力的控制精度無特殊要求的情況下，常用供水 母管或供水出口的壓力作為反饋壓力，這樣做比較簡單，壓力傳感器的信號的 傳輸距離也不長，也便于應用；而對于大型及整個供水管網的壓力控制則選

14、擇 供水管網中的多點壓力或是終端壓力等作為反饋壓力，傳輸距離很長的會采用 高級的信號傳輸系統(tǒng)，以保證信號的準確性；當然，對于大型的整個供水管網 的壓力控制調節(jié)也不是簡單的單級 pid 調節(jié)，這種調節(jié)會更為復雜。 第第 2 2 章、章、恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計 2.1 plc、變頻器控制的恒壓供水系統(tǒng)方案 通常，生產和生活中常見的供水系統(tǒng)的控制并不復雜，但是對供水系統(tǒng)的質 量及可靠性卻有較為嚴格的要求。根據該供水系統(tǒng)的設備配置情況及供水系統(tǒng) 的特點做如下方案：該自動供水系統(tǒng)的控制核心采用 plc，并配置常規(guī)電氣配 電控制系統(tǒng)。 恒壓供水系統(tǒng)組成及主要自控設備的作用如下： 1.

15、在主系統(tǒng)中配置一臺變頻器分別驅動兩臺泵，使兩臺均為雙主回路（變 頻-工頻）的驅動方式。 2.控制系統(tǒng)有壓力傳感器、pid 調節(jié)器、壓力開關、液位控制器、plc 與觸 摸屏及電氣自動控制系統(tǒng)等組成。 1） 壓力傳感器。用來測量供水水壓。 2） pid 調節(jié)器。用來實現(xiàn)恒壓控制。 3） 壓力開關。作為水泵啟動后能否投入供水系統(tǒng)運動的信號。 4） 液位控制器。用來臨視并向 plc 傳遞供水水箱的液位信號。 plc 電氣控制系統(tǒng)用來完成整個供水系統(tǒng)的自動控制。 2.1.1 方案特點 1.該供水系統(tǒng)控制方案可以在原有的供水系統(tǒng)的基礎上改造，也可以作為 新建供水系統(tǒng)的控制方案。 2.采用 plc 為控制核

16、心，利用變頻器調速，控制面板采用常規(guī)的按鈕開關 控制。 3.保護配置： 1） 水泵電動機在工頻狀態(tài)運行時，受熱繼電器（過載）和空氣斷路器（短 路、過電流）保護。 2） 水泵電動機在變頻狀態(tài)運行時，受變頻器（過載、短路、過電流、過電 壓、缺相）保護。變頻器又受空氣斷路器（短路、過電流）保護。 2.1.2 變頻-工頻雙回路恒壓供水方案優(yōu)點 1.具有自動調節(jié)及控制功能。 2.可設置跳躍頻率避開管路的瑞振點。 3.變頻系統(tǒng)與工頻控制系統(tǒng)互為備用，合理利用現(xiàn)有設備。 4.系統(tǒng)保護功能完善，如電機過電流、過載、過熱；電源缺相，過、欠電壓； 電機接地故障；系統(tǒng)水壓過高、水壓過低；管網泄漏、堵塞等。 5.可設

17、變頻、工頻自動切換任務。 系統(tǒng)組成結構：傳感器、變頻器、plc 與觸摸屏及電氣自動控制系統(tǒng)等組成。 2.1.3 設備選型 1.可編程控制器 整個控制系統(tǒng)的核心是 plc，選用日本三菱 fx2n-32mr-001 可編程控制器。 fx2n 系列是 fx 系列 plc 家族中最先進的系列。由于 fx2n 系列具備如下特點： 最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界 各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，fx2n 系列三菱 plc 可 以為你的工廠自動化應用提供最大的靈活性和控制能力。 2.變頻器 變頻器連續(xù)調速功能是使用變頻器的追蹤速度模擬給定信號來改變輸出

18、頻 率功能，在此選擇的變頻器主要從其所驅動的負載特性、穩(wěn)定性、品牌、價格 及用戶的要求幾個方面來考慮，本文選用三菱 fr-a540-2.2kw-ch 型變頻器。 其他 開關電源、繼電器、接觸器、變壓器、斷路器等設備均應選用性能穩(wěn)定、 質量優(yōu)良的產品。 2.2 模擬供水系統(tǒng)的擬定 本系統(tǒng)以六層樓宇供水為例，系統(tǒng)設水泵兩臺，供水由兩臺主、鋪泵交替 循環(huán)運行、壓力正常時用變頻器驅動一臺泵運行，壓力低是用一臺工頻運行加 一臺變頻運行，壓力恢復正常時又切斷工頻只留一臺變頻運行、這樣按照先開 先停，后開后停的方式切換水泵、使水泵的壽命平衡。用一臺壓力傳感器來檢 測誰的壓力，把壓力信號傳給變頻器的內置 pi

19、 來調節(jié)變頻器的輸出，從而改變 水泵的轉速來控制供水壓力。 主水泵：選擇 is50-32-160a。主要參數為：流量 q=14m3/h，揚程 h=22m； 配電動機型號 y90l-2，功率 p=2.2kw。 鋪助水泵：選擇 is50-32-160a。主要參數為：流量 q=14m3/h，揚程 h=22m；配電動機型號 y90l-2，功率 p=2.2kw。 2.3 主電路設計 在硬件系統(tǒng)設計中，采用一臺變頻器連接2臺電動機，每臺水泵電機都有變 頻工頻兩種工作狀態(tài)，每臺電機都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出 電源相聯(lián)如圖（7-1）。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關，來實現(xiàn)電 機、變頻器的過

20、流過載保護接通，空氣開關的容量依據大機的額定電流來確定。 對于有變頻工頻兩種狀態(tài)的電動機，還需要在工頻電源下面接入兩個同樣的 自動空氣開關，來實現(xiàn)電機的過流過載保護接通，空氣開關的容量依據小機的 額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據電動機的容量適當選擇。 圖 2-1 主電路 2.4 電氣控制系統(tǒng)接線原理圖及說明 1.端子 sd、se 和 5 為輸出信號公共端，這些端子不要接地（見圖 7-2）。 2.控制回路端子的接線應使用屏蔽線或雙絞線，而且必須與主回路，弱電 回路（含 200v 繼電器程序回路）分開布線。 3.由于控制回路的頻率信號是微小信號，所以在接點輸入場合，為了防止 接觸不良，微小

21、信號接點應使用兩個并聯(lián)接點或合用雙生接點。 4.控制回路的接線建議選用 0.3mm2-0.75mm2的電纜。 ac mm 水泵m1水泵m2 sb1 準備 sb2 啟動 sb3 停止 kh1 kh2 km1 km2 km3 km4 km5 l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 l8 l9 l0 km1 km2 km3 km4 km5 com 15 16 17 18 com 213 2n 222 壓 壓力 力信 信號 號 stf str res r u s v t w au sd 10 se run fu ol a c am 5 hz stf str sd kh1 kh2 214 215 2

22、5 4 213 113 電源24v l1 l2 l3 n x0 x1 x2 x3 x6 x10 x11 x12 com y0 y1 l10 com1 y2 y3 y4 y5 y6 y7 y10 y11 y12 x13 m1手動 m2手動 a c 方式選擇 fx2n-32mr-001 com2 214 215 com2 fu ol x4 x5 run 15 16 17 18 觸摸屏 got1000 rs-485 fr-a540 圖 2-2 電氣控制系統(tǒng)接線原理圖 2.5 控制流程圖 準準備備 同同時時打打開開電電磁磁閥閥變變 頻頻器器得得電電 開開始始 m1變變頻頻運運行行 m1變變頻頻斷斷開開

23、，發(fā)發(fā)出出stop給給變變頻頻器器， 延延時時閉閉合合km3（m1工工頻頻）、合合 km4，給給變變頻頻器器發(fā)發(fā)start信信號號m2變變頻頻 運運行行 m1工工頻頻斷斷開開 m2變變頻頻繼繼續(xù)續(xù)運運行行 斷斷開開km4，發(fā)發(fā)出出stop，m2停停止止運運 行行，延延時時合合km5，合合上上km2，發(fā)發(fā)出出 start，m1變變頻頻運運行行 斷斷開開km5 m1繼繼續(xù)續(xù)變變頻頻運運行行 準準備備好好 頻頻率率f35hz 頻頻率率f50hz 頻頻率率f35hz 頻頻率率f50hz 圖 2-3 控制流程 2.6 輸入輸出元件與 plc 地址對照表 為實現(xiàn)以 plc 為主的控制系統(tǒng)能很好的實現(xiàn)自動控

24、制，需要將現(xiàn)實中的外 部設備與 plc 中的軟元件相連接，其輸入輸出元件與 plc 得對照如表 7-1 所示。 （表 7-1） 輸入輸入 輸入 i/o 口輸入元件符號輸入元件說明 x0sb1 啟動前準備 x1sb2 啟動 x2sb3 停止 x3kh1 水泵 m1 故障 x4 壓力下降，變頻器滿頻率 運行 x5 壓力上升，變頻器頻率下 降 x6sb6 方式選擇開關 x10sb7 水泵 m1 手動工頻運行 x11sb8 水泵 m2 手動工頻運行 x12kh2 水泵 m2 故障 x13 變頻器故障指令 輸出輸出 輸出 i/o 口輸出元件符號輸出元件說明 y0l10 停止指示燈 y1km1 準備 y2

25、km2 m1 變頻控制繼電器 y3km3 m1 工頻控制繼電器 y4km4 m2 變頻控制繼電器 y5km5 m2 工頻控制繼電器 y6l8 m1 手動工頻指示燈 y7l9 m2 手動工頻指示燈 y10l0 變頻器故障指示燈 y11l6 水泵 m1 故障指示燈 y12l7 水泵 m2 故障指示燈 2.7 plc 程序設計 plc 是整個系統(tǒng)的核心，而 plc 也要相應的程序驅動，該系統(tǒng)的程序如下： 第 3 章、恒壓供水系統(tǒng)的軟件設計 3.1 水泵的轉速與其揚程 h、流量 q 及功率的關系 揚程：是指泵單位質量的液體通過泵后所獲得的能量，通常稱之為揚程。 用 h 表示。 流量：流量是泵在單位時間

26、內所抽送液體的數量，常用的流量是體積流量， 用 q 表示，其單位是 m3 /h。 根據流體力學原理可知，當水泵的轉速發(fā)生變化時，其揚程 h、流量 q 及 水泵功率 p 也隨之變化，他們之間有以下關系： q2/q1=(n2/n1) h2/h1=(n2/n1)2 p2/p1=(n2/n1)3 即流量 q 與轉速 n 的一次方成正比；揚程 h 與轉速 n 的平方成正比；水泵功率 p 與轉速 n 的立方成正比。下面表 1-1 可較為直觀的理解。 表 3-1 離心水泵在不同轉速（頻率）下的流量、揚程及軸功率離心水泵在不同轉速（頻率）下的流量、揚程及軸功率 頻率 f（hz）轉速 n%流量 q%揚程 h%軸

27、功率 p% 50100100100100 4590908172.9 4080806451.2 3570704934.3 3060603621.6 2550502512.5 根據水泵的揚程 h、流量 q 及功率與水泵轉速（頻率）的關系式及表 1-1 可知改變水泵的轉速就可改變水泵的功率。 3.2 pid 控制及調節(jié) pid控制是一種負反饋控制，它所組成的控制系統(tǒng)由pid控制器和被控對象 組成，具有一般閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的結構，通過負反饋作用使被控系統(tǒng)趨于穩(wěn) 定。常規(guī)pid控制系統(tǒng)原理框圖如圖5-1所示。 xx 比例（p) 微分（d) 積分（i)被控對象 + + + + + +- - r(t) r(

28、t) e(t) e(t) u(t) u(t) y(t) y(t) 圖3-2 pid控制器原理 pid控制器綜合了關于系統(tǒng)過去(i)、現(xiàn)在(p)和未來(d)三方i面的信息，對 動態(tài)過程無需太多的預先知識，控制效果能夠滿足要求。pid控制器是一種線性 控制器，它根據給定值r(f)與實際輸出值y（t）構成的控制偏差 e(t)=y(t)-r(t) （5-1） 將偏差p(r)的的比例(proportion)、積分(integral)和微分(differential)， 通 過線性組合構成控制器，對被控對象進行控制，故稱pid控制器。其理想的控制 規(guī)律為 u(t)=ke(t)+1/t1e(t)dt+tdd

29、e(t)/dt （5-2） 對上式作拉氏變換可得： u(s)=k(e(s)+t1e(s)/s+tdse(s) （5-3） pid 控制器的傳遞函數形式由式（5-4）描述。 。g(s)=u(s)/e(s)=kp(1+1/t1s)=kp+k1/s+kds (5-4) 式中 kp一稱為比例系數; k1=t/t1一稱為積分系數; kd=td/t一稱為微分系數 t1一為積分時間常數； td一為微分時間常數； pid控制器各個部分的作用及其在控制中的調節(jié)規(guī)律如下： （l）比例增益部分(p)用于保證控制量的輸出含有與系統(tǒng)偏差成線性關系 的分量 能夠快速反應系統(tǒng)輸出偏差的變化情況。由經典控制理論可知，比例環(huán)節(jié)

30、 不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數的增大而減少，但比例系數過大 將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 （2）積分部分(i)表明控制器的輸出不僅與輸入控制的系統(tǒng)偏差的大小有 關，還與偏差持續(xù)的時間有關，即與偏差對時間的積分成線性關系。只要偏差 存在，控制就要發(fā)生改變，實現(xiàn)對被控對象的調節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。因此 積分作用主要是用來消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，提高精度，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。 積分作用的強弱取決于積分時間常數z，正越大，積分作用越弱，反之則越強。 然而，單純的積分作用速度太慢，無法及時對系統(tǒng)的偏差變化做出快速反應。 （3）微分部分(d)可以對輸入的變化趨勢做出反應，即它的輸入與輸出的 大小無關，但與輸

31、入量的導數成線性關系。它是用來控制被調量的振蕩，減小 超調量，使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，減小調節(jié)時間，用來改善系統(tǒng)的動態(tài)特特性。由于 微分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)。 傳遞函數中引入了一個零點，如果使用不當會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 pid的三種作用是各自獨立的，互不影響的。改變一個調節(jié)參數，只影響一 種調節(jié)作用，不會影響其他的調節(jié)作用。顯然，對于大多數系統(tǒng)來說，單獨使 用上面任意一種控制艦律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作 適當的配合，可以使調節(jié)器快速、平穩(wěn)、準確的運行，從而獲得滿意的控制效 果。一般來說，系統(tǒng)是使用它們的組合，如pi控制算法，pd控制算法和pid控制 算法。 為了更好的理解 pid 的工作流程，

32、設 xt 為設定值，xf 為系統(tǒng)反饋值，他們 的關系見圖 5-2。 開始 設定目標信號xt值 其大小與所求的 管道壓力目標相 對應 反饋信號xf值 壓力傳感器的反饋 值 x0=xt-xf xfxt x0=xt-xf0 xf0 xfxt 頻率 fx 轉速n 壓力下降同 時流量減少 xf=xt 頻率fx 轉速n 水壓上升同 時流量增加 xf=xt fx不變 維持目標值 變頻輸出頻率fx的大小 由合成信號（xt-xf） 決定 反饋信號大于目標 信號則合成信號小 于0 變頻輸出頻率下 降 水泵電動機轉速下 降 說莫供水量 大于用水量 反饋信號是否與 目標信號相等 保持供水流量等 于用水流量 反饋信號小

33、于目標信 號則合成信號大于0 變頻輸出頻率上升 水泵電動機轉速上升 說明用水量小于供水量 反饋信號是否與目 標信號值相等 0 0 是 否否 是 =0 圖 3-3 pid 控制的基本工作過程 總結 用水泵的出口水壓作為采樣信號，轉換成電量信號后送至調節(jié)調節(jié)器，調節(jié) 器將該信號與設定值進行比較（pid）運算后輸出一信號至變頻器，決定變頻器 的輸出頻率，以達到改變水泵的轉速并節(jié)能的目的。 變頻系統(tǒng)的初次投資容易給投資者一種投資高、風險大的感覺，這主要是 對變頻節(jié)能效果不很了解或將變頻系統(tǒng)的初次投資于傳統(tǒng)的一些如液力耦合、 滑叉電機、變級等調速裝置的初次投資在為充分考慮節(jié)能效果及變頻器功能的 情況下進

34、行比較，以及對變頻器的質量、穩(wěn)定性、售后服務等還不太了解；變 頻節(jié)能系統(tǒng)（裝置）在各類調速系統(tǒng)中使用時，其節(jié)能效果對于單臺設備可做 到 5%-75%，在風機水泵這類設備的一般應用的節(jié)能效果中，這些均值也可做到 8%-50%，在未受到其他因素影響的情況下一般可取上限節(jié)能效果平均值，是在 實際應用中得到，權威性數據可由市場上公開出售的資料書查到；通過這些數 據在進行一些簡單的投資回收率的計算可知：變頻節(jié)能系統(tǒng)（裝置）的投資回 收期一般為 4-20 個月。 采用變頻-工頻雙回路恒壓供水裝置及觸摸屏監(jiān)控使各類供水最大限度地得 到經濟、穩(wěn)定和持續(xù)的保障。 另外，在完成論文的過程中，由我們馬老師的精心指導，在我們大量的實 習與實踐經驗的指引下，我們的論文完成的很順利，