變頻恒壓供水系統(tǒng)切泵的pid控制

變頻恒壓供水系統(tǒng)切泵的pid控制

恒壓供水系統(tǒng)具有能耗、安全、低噪聲、高供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，已受到廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是變頻泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和切換?，F(xiàn)在所用的方法基本上是通過采用常規(guī)PID控制器實(shí)現(xiàn)的?？刂破鞯腜ID參數(shù)(kp、ki、kd)是以某臺水泵(變頻泵)為控制對象獲得的。該參數(shù)對被控水壓能起到很好的穩(wěn)定調(diào)節(jié)作用,但變頻泵發(fā)生切換時(shí),被控對象參數(shù)為另一臺水泵的參數(shù),原來優(yōu)化的PID參數(shù)很難適應(yīng)新的控制對象,從而使系統(tǒng)性能變差甚至導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。現(xiàn)常用的辦法是盡量選用參數(shù)一致的水泵,因此給水泵的選取、不同容量泵的并聯(lián)運(yùn)行帶來很多的困難。為此,本文提出采用模糊控制策略實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)的方法,以滿足系統(tǒng)在對象參數(shù)變化時(shí)也能獲得理想控制性能的要求?，F(xiàn)有文獻(xiàn)已針對變頻恒壓供水系統(tǒng)的非線性特性,采用參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器使得系統(tǒng)具有較好的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能,但這些都是針對一臺水泵來解決問題的,而未考慮變頻泵切換所產(chǎn)生的較大參數(shù)變化的情況。本文就變頻泵切換時(shí)引起被控對象參數(shù)變化的情況,設(shè)計(jì)了參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器來解決多泵運(yùn)行引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題。1機(jī)械體系組成結(jié)構(gòu)變頻恒壓供水系統(tǒng)由普通變頻器、OPLC(PLC+觸摸屏一體機(jī))、壓力變送器、交流接觸器、水泵機(jī)組等組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。由OPLC內(nèi)部的PID及多泵切換邏輯實(shí)現(xiàn)恒壓供水功能,相關(guān)參數(shù)及工作信息的設(shè)定和顯示參數(shù)在觸摸屏上進(jìn)行。2采用分布式模糊pid管理系統(tǒng)2.1pid控制的不足鑒于變頻恒壓供水系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變、純滯后、變控制對象等特點(diǎn),只采用常規(guī)PID控制或模糊控制都難以取得滿意的效果。因此,本文采用增益調(diào)整型模糊PID控制器,有機(jī)結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn),實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)PID參數(shù),以獲得理想的控制性能。2.2自適應(yīng)控制系統(tǒng)增益調(diào)整型模糊PID控制系統(tǒng)是采用模糊規(guī)則實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。模糊規(guī)則給出不同實(shí)時(shí)狀態(tài)下對PID參數(shù)的推理結(jié)果,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。2.3不斷切換時(shí)的控制變量及控制規(guī)則模糊控制規(guī)則根據(jù)水壓的偏差e及其變化率ec推導(dǎo)出PID參數(shù)的修正量Δkp、Δki、Δkd實(shí)時(shí)對PID參數(shù)進(jìn)行修正。模糊控制規(guī)則中,e、ec的語言變量值取“負(fù)大”(NB),“負(fù)中”(NM),“負(fù)小”(NS),“零”(ZO),“正小”(PS),“正中”(PM),“正大”(PB)共7個值。它們的隸屬函數(shù)都是三角形,如圖3所示。修正量Δkp、Δki、Δkd和輸入變量e、ec具有相同的語言變量值,其隸屬函數(shù)也是三角形,圖形與輸入變量的相同。切換變頻泵時(shí),由于被控對象參數(shù)發(fā)生了變化,導(dǎo)致被控水壓產(chǎn)生波動,出現(xiàn)較大的誤差。根據(jù)誤差及其變化率和一般PID參數(shù)調(diào)節(jié)原則設(shè)計(jì)了如下的控制規(guī)則表,見表1、表2、表3所示。將依據(jù)模糊控制規(guī)則得出的Δkp、Δki、Δkd,代入如下自調(diào)整式計(jì)算出新的PID參數(shù):kp=k′p+Δkpki=k′i+Δkikd=k′d+Δkd其中,k′p、k′i、k′d為kp、ki、kd的預(yù)整定值。3模擬與研究本文采用Matlab軟件中的Simulink仿真工具對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析,其中模糊控制是通過Fuzzy模塊來實(shí)現(xiàn)的。3.1近似傳遞函數(shù)變頻恒壓供水系統(tǒng)具有一階慣性、滯后環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型,分別選取兩臺水泵工作時(shí)系統(tǒng)的近似傳遞函數(shù)分別如以下兩式所示。0.92e?4s/15.4s+10.98e?4.6s/30s+13.2不同啟動階段的仿真結(jié)果在Simulink環(huán)境下,增益調(diào)整型模糊PID控制器與一階滯后對象組成的控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。Matlab仿真中兩個泵的切換是通過switch模塊實(shí)現(xiàn)的。選取一組理想值(kp=0.3,ki=0.1,kd=1)作為常規(guī)PID控制器的參數(shù),同時(shí)也將該值作為增益調(diào)整型模糊PID控制器的預(yù)設(shè)參數(shù)值。設(shè)定水壓的基準(zhǔn)值為0.4MPa,仿真時(shí)間為3000s,并在2000s時(shí)切換水泵進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。圖5為增益調(diào)整型模糊PID控制器系統(tǒng)切泵時(shí)的階躍響應(yīng)誤差e、誤差變化率ec和Δkp、Δki、Δkd的隨時(shí)間變化曲線。圖5表明了e、ec隨時(shí)間變化的曲線和Δkp、Δki、Δkd隨時(shí)間變化的曲線。1)0～2000s(啟動)階段e和ec較大,Δkp、Δki相應(yīng)較大,從而獲得較大的kp、ki。較大的kp可以加快系統(tǒng)響應(yīng)過程,較大的ki能夠縮短消除偏差所需的時(shí)間。2)2000s(切泵時(shí)刻)后變頻泵切換為另一臺水泵,被控對象參數(shù)發(fā)生變化,引起劇烈的水壓波動,導(dǎo)致誤差增大,從而產(chǎn)生很大的Δkp和Δki,經(jīng)過調(diào)節(jié)時(shí)間后,誤差趨近于零,Δkp和Δki也都趨近于零,水壓快速趨于給定值。圖6為系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線,細(xì)實(shí)線為采用常規(guī)PID控制時(shí)系統(tǒng)突加階躍給定下水壓響應(yīng)曲線,粗實(shí)線為采用增益調(diào)整型模糊PID控制時(shí)系統(tǒng)突加階躍給定下水壓響應(yīng)曲線,2000s時(shí)切換變頻泵。從圖6可以看出:1)0～2000s啟動階段采用固定PID參數(shù)控制的系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)為37.5%,(當(dāng)然這個指標(biāo)通過優(yōu)化參數(shù)是可以進(jìn)一步降低的,但鑒于供水系統(tǒng)為大滯后系統(tǒng)該參數(shù)不易獲得),對于變頻恒壓供水系統(tǒng),容易出現(xiàn)一臺水泵已經(jīng)調(diào)到了最高轉(zhuǎn)速仍不能滿足用水量要求,導(dǎo)致第二臺水泵頻繁啟停,這種情況對系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)備安全不利。本文采用增益調(diào)整型模糊PID控制器,在整個運(yùn)行過程中,PID參數(shù)是根據(jù)誤差在實(shí)時(shí)變化,使系統(tǒng)在不同階段均達(dá)到最優(yōu)性能,啟動時(shí)水壓沒有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,避免上述情況發(fā)生,文獻(xiàn)也得到同樣的結(jié)論。2)2000s(切泵時(shí)刻)后變頻泵由第一臺泵切換到第二臺如圖6所示。固定參數(shù)PID控制器在新泵系統(tǒng)中并非最優(yōu)參數(shù),其系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)為67.5%(相當(dāng)于0.67MPa的水壓),振蕩次數(shù)多達(dá)6次,系統(tǒng)難以穩(wěn)定且嚴(yán)重影響設(shè)備壽命。采用本文增益調(diào)整型模糊PID控制器后,在切換到新的控制對象時(shí),控制系統(tǒng)根據(jù)誤差快速調(diào)整PID參數(shù),以適應(yīng)新控制對象,仿真實(shí)驗(yàn)顯示階躍響應(yīng)的超調(diào)量僅為38%,并沒有產(chǎn)生振蕩,克服了常規(guī)PID控制參數(shù)不能自動適應(yīng)的缺點(diǎn)。綜上所述,無論是在啟動階段還是在水泵切換階段,該增益調(diào)整型模糊PID控制器均能使系統(tǒng)比較穩(wěn)定,比常規(guī)PID控制器的控制性能優(yōu)越。所以,該控制器能使系統(tǒng)獲得理想的控制性能。4運(yùn)營效果將文中提出的控制方法應(yīng)用在某泵站供水系統(tǒng)中,自投入運(yùn)行以來,效果良好,性能穩(wěn)定可靠,驗(yàn)證了該控制方法的可行