臺州學院畢業設計（ 論文） 電氣工程自動化論文 題 目 恒壓變頻供水系統的研究 學 院 物理與電子工程學院 專 業 電氣工程及其自動化 臺州學院畢業設計（論文） I 摘要 隨著電子技術、交流調速技術的不斷完善和計算機技術的迅速發展，變頻調速方法在恒壓供水控制系統得以應用，這不僅大大提高了系統的自動化程度，而且也有效地減少了能源浪費。 本文首先根據管網和水泵的運行特性曲線，闡明了供水系統的變頻調速節能原理。接著分析了變頻恒壓供水的原理及系統的組成結構。本文采用變頻器和 PLC 實現恒壓供水，采用 AT89C51 單片機系統模擬 供水網絡。采用 PID 控制算法對系統中的恒壓控制器進行設計。最后對系統的軟硬件設計進行了詳細的介紹。 關鍵詞 變頻調速；恒壓供水； PLC； PID 控制 臺州學院畢業設計（論文） II Abstract With the development of electrical and AC motor control technology as well as computer technology， the frequency control technology has been applied in water supply system of constant pressure， which can not only boost the degree of automation but also reduce energy waste This paper explains water supply systems energy-saving principle of pump variable frequency speed regulating according to characterisitic curve of running pipelines and water pump， analyzes the structure of variable frequency regulating constant pressure water supply In this paper， the executing agency is the programmable logic controller（ PLC） and the frequency converter AT89C51 has been applied in order to simulate the water supply network Proportion integration derivative （ PID） has been applied in order to design the controller for constant pressure By the end of this paper introduces the hardware and software of the system Key words Variable frequency speed control ； Constant pressure water supply ；Programmable logic controller（ PLC） ； Proportion integration derivative（ PID） 臺州學院畢業設計（論文） III 目 錄 1引言 . 1 2 恒壓變頻供水系統簡介 . 1 2.1供水系統的基本特性 . 1 2.2變頻調速原理 . 2 2.3水泵調速運行的節能原理 . 3 3 恒壓供水系統的理論分析及方案設計 . 5 3.1供水壓力和變頻器輸出頻率的關系 . 5 3.2恒壓控制的理論分析 . 7 3.3恒壓變頻供水系統的方案設計 . 9 3.3.1恒壓變頻供水控制系統控制方案的設計 . 9 3.3.2恒壓變頻供水系統的構成 . 9 3.3.3恒壓變頻供水系統中加減泵的條件分析 . 10 4 恒壓變頻供水的 PID控制 . 12 4.1 PID 控制算法的一般形式 . 12 4.2離散 PID 控制算法 . 14 4.3 OMROM PLC 的 PID 控制指令 . 15 5變頻恒壓供水系統的軟硬件設計 . 17 5.1系統的硬件組成 . 17 5.1.1 PLC 的輸入輸出 . 17 5.1.2變頻器參數設置 . 17 5.2被控對象的硬件設計 . 18 5.2.1主控芯片 . 18 5.2.2 A/D 轉換電路 . 19 5.2.3 D/A 轉換電路 . 20 5.2.4數碼管顯示電路 . 20 5.3系統的軟件設計 . 21 5.3.1被控對象的軟件設計 . 21 臺州學院畢業設計（論文） IV 5.3.2恒壓變頻供水系統的控制流程 . 22 6系統仿真研究及調試 . 23 6.1系統的仿真研究 . 23 6.2系統調試 . 24 7總結與展望 . 26 參考文獻 . 27 致謝 . 28 附錄一：被控對象原理圖 . 29 附錄二：系統接線圖 . 30 附錄三：被控對象程序 . 31 附錄四： PLC程序 . 36 臺州學院畢業設計（論文） 1 1引言 變頻調速節能技術是一項集現代電力電子技術和計算機技術于一體的高效節能技術。隨著電力電子技術的發展，變頻調速技術的日臻完善，以變頻調速為核心的智能供水控制系統取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備。該控 制系統起動平穩，起動電流可限制在額定電流以內，從而避免了起動時對電網的沖擊；由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，可使供水實現節水、節電、節省人力，最終達到高效率的運行目的 1。 本課題研究將變頻調速技術、 PID控制應用于恒壓供水系統，從而提高變頻調速恒壓供水系統的穩定性、可靠性，以及多臺水泵循環變頻控制時變頻電源向工頻電源的切換。在大力提倡節約能源的今天，研究這種高性能、經濟型的恒壓供水控制系 統，對于提高勞動生產率、降低能耗具有重要的現實意義 2。 2 恒壓變頻供水系統簡介 2.1 供水系統的基本特性 供水系統的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統管路中的閥門開度不變為前提，表明水泵在某一轉速下揚程 H 與流量 Q 之間的關系曲線 f(Q)，如圖 2-1所示。由圖 2-1 可以看出，流量 Q 越大，揚程 H 越小。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H 與用水量UQ之間的關系。而管阻特性是以水泵的轉速不變為前提 ，表明閥門在某一開度下，揚程 H 與流量 Q 之間的關系 )(UQfH 。管阻特性反應了水泵的能量用來克服泵系統的水位及壓力差、液體在管道中的流動阻力的變化規律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程 H 越大，流量 Q 也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統向用戶的供水能力。因此，管阻特性過反映的是揚程 H與供水流量GQ之間的關系 )(GQfH 。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為臺州學院畢業設計（論文） 2 供水系統的工作點， 如圖 2-1中 A 點，用戶的用水流量UQ和供水系統的供水流量GQ處于平衡狀態，供水系統既滿足了來揚程特性，也符合了管阻特性，系統穩定運行 3。 圖 2-1 供水系統的基本特性 2.2 變頻調速原理 恒壓變頻供水系統的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由鼠籠式異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調節異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水的（具體原理將在下一章闡述）。因 此，供水系統變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。異步電機的轉差率定義為： )/(1 1nnS （ 2-1） 異步電機的同步轉速為： pfn /601 （ 2-2） 異步電機的轉速為： psfn /)1(60 （ 2-3） 其中： 1n 為異步電機的理想空載轉速； n 為異步電機轉子的轉速； f 是異步電機的定子電源頻率； p 為異步電機的極對數。 從上式可知，當極對數 p 不變時，電機轉子的轉速 n 與定子電源頻率 f 成正比，臺州學院畢業設計（論文） 3 因此連續調節異步電機供電電源的頻率，就可以連續平滑地調節電機的同步轉速，從而調節其轉子的轉速。 變頻調速時，從高速到低速都可以保持有限的轉差率，因而變頻調速具有高效率、高精度、調速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優點，調速性能可與直流電機調速系統相媲美。因此，變頻調速是交流異步電機一種比較合理和理想的調速方法，它被廣泛地應用于對水泵電 機的調速 4。 2.3 水泵調速運行的節能原理 在供水系統中，通常以流量為控制目的的，常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。閥門控制法是通過調節閥門開度來調節流量，水泵電機的轉速保持不變。其實質是通過改變誰路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內保持不變，必然要照成超壓或欠壓現象的出現。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而 改變，但管阻特性不變。變頻調速供水方式屬于轉速控制。其工作原理是根據用戶用水量的變化自動地調節水泵電機的轉速，使管網壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速 5。 圖 2-2 管網及水泵的運行特性曲線 當用閥門控制時，若供水量高峰期水泵工作在 E 點，流量為 1Q ，揚程為0H，當供水量從 1Q 減小到 2Q 時，必須關小閥門，這時 閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從3移到 1 ，揚程特性曲線不變。而揚程則從0H上升到 1H ，運行工況點從 E 點移到 F臺州學院畢業設計（論文） 4 點，此時水泵輸出功率用圖形表示為（ O， 2Q ， F， 1H ）圍成矩形部分，其值為： 102 21QHPD （ 2-4） 當用調速控制時，若采用恒壓（0H）、變頻泵（ 2n ）供水，管阻特性曲線為 2 ，揚程特性變為曲線 2n ，工作點從 E 點移到 D 點。此時水泵輸出功率用圖形表示為（ O，2Q ， D， 0H ）圍成的矩形面積，其值為： 102 20QHPF （ 2-5） 可見，改變調速控制，節能量為（0H， D， F， 1H ）圍成的矩形面積，其值為： 1 0 2)(1 0 21 0 2 2012021QHHQHQHPPPDF （ 2-6） 所以，當用閥門控制流量 時，有 P 功率被浪費掉。并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是 1H 增大，而被浪費的功率要隨之增加。 根據水泵變速運行的相似定律，變速前后流量 Q、揚程 H、功率 P 與轉速 N 之間關系為： 1212 NNQQ ； 21212 NNHH ； 31212 NNPP ； （ 2-7） 式中， 1Q 、 1H 、 1P 為變速前的流量、揚程、功率 ， 2Q 、 2H 、 2P 為變速后的流量、揚程、功率。 從公式（ 2-7）可以看出，功率與轉速的立方成正比，流量與轉速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多 ，節能效果顯著 6-8。 臺州學院畢業設計（論文） 5 3 恒壓供水系統的理論分析及方案設計 3.1 供水壓力和變頻器輸出頻率的關系 在恒壓變頻供水系統中，供水壓力是通過對變頻器輸出頻率的控制來實現的。確定供水壓力和輸出頻率的關系是設計控制環節控制策略的基礎，是確定控制算法的依據。送水泵站所采用的水泵是離心泵，它是通過裝有葉片的葉輪高速旋轉來完成對水流的輸送，也就是通過葉輪高速旋轉帶動水流高速旋轉，靠水流產生的離心力將水流甩出去。離心泵也因此得名。在給水排水工程中，從使用水泵的角度來看，水泵的工作必然要和管路系統以及許多外界條件聯系在 一起。在給水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系統稱為“裝置”，在控制系統的設計中真正對系統的分析和設計有價值的也是這種稱為系統的裝置，而不是單單的孤立水泵。水泵的裝置如圖3-1所示。 圖 3-1 離心泵裝置 在水泵機構和理論中，有一些評價水泵性能的性能參數，這里把與本文研究有關的幾個參數列舉如下： 揚程（ H） 單位重量液體通過水泵后能量的增量 流量（ Q） 水泵在單位時間內所輸送的水體體積 軸功率（ N） 原動機輸給水泵的功率稱為水泵的軸功率 效率（） 水泵的有效功率和軸功率之 比，其中有效功率是指單位時間內通過水泵的液體從水泵那里得到的能量叫做有效功率 轉速（ n） 水泵葉輪的轉動速度 根據水泵理論，在圖 3-1中， 臺州學院畢業設計（論文） 6 gvvPPZH vd22122 (3-1) 其中， VP真空表讀數（公斤 /厘米） dP壓力表讀數（公斤 /厘米） 水的容量 Z 水泵的出水口測量點與進水口測量點位置差造成的附加揚程。 gvv22122 水泵出水口與進水口的動能增量轉化的揚程。 由于水泵在送水過程中，清水池水位一般高于水泵的測量點，所以不存在進水口抽真空，所以在進水口的真空值為 0.水泵進水口與出水口都沿水平方向放置，位置差為 0。水泵在正常工作時，動能的變化相對較小。考慮這些具體情況，上式可以改寫為： dPH (3-2) 水泵的軸功率為： QHN (3-3) 把揚程的表達式代入上式，得： dQPN (3-4) 水泵是與一臺交流感應電機相連，由電機帶動運行的，電機的轉速與水泵的 轉速相同，電機的輸出有效功率與水泵的軸功率相等。在電機理論中，感應電機的機械功率mP為： 2212212211)()( XXsRRsRUmP m (3-5) 在變頻調速時，由于系統m不變，從電機公式 臺州學院畢業設計（論文） 7 mwNkfEfU 44.41111 (3-6) 可以看出，要 使主磁通m保持不變，則 11 fU 必須保持不變。因此在變頻調速過程中，電壓應該與頻率成正比例變化，設 11 fkU w(3-7) 代入式 (3-5)得： 22122121221)()( XXsRRfsRkmPwm (3-8) 根據能量守恒定律，有 mPN (3-9) 其中， 為電機的效率。所以，水泵裝置在變頻調速的工作狀態下運行時，有： 22122121221)()( XXsRRfsRkmQP wd (3-10) 從上式可以看出，當變頻器的輸出頻率一定的 情況下，當用戶用水量增大，從而Q 增大時，壓力表的讀數將會變小，即管網供水壓力將會降低。為了保持供水壓力，就必須增大變頻器的輸出頻率以提供啊誰泵機組的轉速；當用戶的用水量減小時， Q減小，在變頻器輸出頻率不變的情況下，管網的供水壓力將會增大，為了減小供水的壓力，就必須降低變頻器的輸出頻率。由于用戶的用水量是始終變化的，雖然在時段上具有一定的統計規律，但對精度要求很高的恒壓控制來講，在每一時刻它都是一個隨機變化的值，這就要求變頻器的輸出頻率也要在一個動態的變化之中，依靠對頻率的調節來動態地控制管網的供水壓力，從而 使管網的壓力恒定 9。 3.2 恒壓控制的理論分析 對本文中提到的恒壓變頻供水的主要特點進行分析，我們可以得出如下結論：恒壓變頻供水系統控制對象是一個時變的、非線性的、滯后的、模型不穩定的對象。對臺州學院畢業設計（論文） 8 它的控制仍屬于工業過程控制范疇，它以供水出口管網的水壓為控制目標，在控制上實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常熟，也可以是一個時間分段函數，在每一個時段內是一個常數。所以，在某個特定時段內，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上。 圖 3-2 恒 壓變頻控制的原理圖 從恒壓控制的原理圖（圖 3-2）中可以看出，在系統運行過程中，如果實際供水壓力低于設定壓力，控制系統將得到正的壓力差，這個差值經過計算和轉換，計算出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，誰泵機組的轉速減小 ，實際供水壓力因此而減小。同樣最后調節的結果是實際供水壓力和設定壓力相等 10。 由于恒壓變頻調速供水系統的控制對象是一個時變的、非線性的、之后的、模型不穩定的對象，我們難以得出它的精確的數學模型，只能進行近似等效 11。 水泵由初始狀態向管網進行恒壓供水，供水管網從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網壓力達到穩定要求時經歷兩個過程： 1、 水泵將水送到管網中，這個階段管網壓力基本保持初始壓力，這是一個純滯后的過程； 2、 水泵將水充滿整個管網，壓力隨之逐漸增加知道穩定，這是一個大時間常數的慣性過程。 系統中其他控制和 監測環節，例如變頻環節、繼電控制轉換、壓力檢測等的時間常數和滯后時間與供水系統的時間常數和滯后時間相比，可忽略不計，均可等效為比例環節。因此，恒壓供水系統的數學模型可以近似成一個純滯后的一階慣性環節，即可以寫成： 臺州學院畢業設計（論文） 9 seTsKsG 1)( （ 3-11） 式中： K為系統的總增益， T為系統的慣性時間常數，為系統滯后時間。 3.3 恒壓變頻供水系統的方案設計 3.3.1 恒壓變頻供水控制系統控制方 案的設計 從上一節恒壓變頻供水的原理分析可知，該系統主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。由于該畢業設計的被控對象是用單片機系統模擬的，因此壓力傳感器、壓力變送不在本設計的范圍內。系統的主要設計任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定和水泵電機軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能多運行數據進行傳輸。 因此選用通用 PLC、通用變頻器、單片機系統的控制方式，這種控制方式靈活方便，通用性強。在硬件上只需確定 PLC的硬件配置和 I/O的外部接線，當控制要求發生改變時，可以方便的通過 PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現場調試方便。同時由于 PLC的抗干擾繞能力強、可靠性高，因此該系統能適用于各類不同要求的恒壓供水場合。 在單片機系統上，用戶用水量的變換可以選用滑動變阻器模擬，因此只需采集水泵機組的轉速，通過公式（ 3-10）既能換算成當前轉速下的壓力情況，同時將數字量壓力值轉換成模擬量送入 PLC，就能與設定值求偏差。 3.3.2 恒壓變頻供水系統的構成 本文設計的供水系統由 3臺水泵機組構成，其原理框圖如圖 3-3所示。 臺州學院畢業設計（論文） 10 圖 3-3 恒 壓變頻供述系統組成原理框圖 3.3.3 恒壓變頻供水系統中加減泵的條件分析 當變頻器的輸出頻率己經到達上限頻率，而實際的供水壓力仍然低于設定壓力時，存在的實際供水壓力差已經不能夠使輸出頻率增大，實際供水壓力也不會提高。當變頻器的輸出頻率已經下降到下限頻率，實際的供水壓力卻仍高于設定的供水壓力時，存在的壓力差不會使輸出頻率繼續降低，實際的供水壓力也不會降低。所以，選擇這兩個時刻作為水泵機組切換的時機是合理的 .但要做以下考慮 12。 首先把上面的判別條件簡寫如下： (1) UPff fs PP(3-12) (2) LOWff fs PP(3-13) 式中：UPf：上限頻率 LOWf：下限頻率 sP：設定值 fP：實際值 對于第一個判別條件，可能出現這種情況 :輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設定壓力上下波動。在這種情況下，如果按照上面的判別條件，只要條件一滿足就進行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設定壓力。并且使新投入運行的機組幾乎在變頻器輸出頻率的下限運行，對供水作用很小。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率 運行，此時又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態下運行的機組停掉。假設這一段時間內用戶的用水狀況保持不變 (其實在一個穩臺州學院畢業設計（論文） 11 定的供水時段可以看作這種情況 )，那么按照要求停掉了一個工頻狀態下運行的機組之后，機組的整體運行情況與增加運行機組之前完全相同。可以預見，如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入 切出 再投入 再切出地循環下去。這增加了機組切換的次數，使系統一直處于不穩定的狀態之中。同時，在切換過程和變頻器從啟動到穩定的過程中，系統的供水情況是不穩定的，實際供水壓力也會在很 大的壓力范圍內震蕩。這樣的工作狀態既無法提供穩定可靠的供水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命。 對于第二個判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結論。 所以，在實際應用中，應當在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。相應的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質就是增加了回滯環的應用和判別條件的延時成立。 在恒壓供水中，機組的切換為機組增加與機組減少兩種情況，這兩種情況由于變頻器輸出頻率與供水壓力的不同邏輯關系相對應。考慮到只有當變頻器的輸出頻率在上下限頻率時才 可能發生切換，并且上限頻率時不可能減泵，下限頻率時不可能增泵，所以，可以采用回滯環思想進行判別如圖 3-4表示： 圖 3-4 用于壓力判斷的回滯環 即 :如果變頻器的輸出為上限頻率，則只有當實際的供水壓力低于比設定壓力小2dP 的時候才允許進行機組增加 ;如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當實際的供水壓力高于比設定壓力大 2dP的時候才允許進行機組的增加。 經過上面的討論，將實際的機組切換的實際條件定為： 增泵條件：UPff 2dsf PPP 并且延時判別成立 減泵條件：LOWff 2dsf PPP 并且延時判別成立 臺州學院畢業設計（論文） 12 4 恒壓變頻供水的 PID控制 變頻恒壓供水系統的核心是恒壓控制，它是根據水壓給定值與供水管道中實際壓力值的壓差大小，控制變頻器輸出頻率，使變頻器實時調節水泵電機的轉速以適應管路中壓力的變化。 PID控制方式是現代工業控制中應用的最廣泛的反饋控制方式之一 。它的原理如圖 4-1所示。 圖 4-1 PID 控制器原理圖 通過控制對象的傳感器等檢測控制量 (反饋量 )，將其與目標值 (溫度、流量、壓力等設定值 )進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與目標值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的 PID控制器的控制形式主要有兩種： 1、硬件型，即通用 PID控制器，在使用時只需要進行線路的連接和 P， I， D參數及目標值的設定。 2、軟件型，使用離散形式的 PID控制算法在可編程序控制器 (或 單片機 )上做 PID控制器。 4.1 PID 控制算法的一般形式 PID控制器根據目標值（設定值） r(t)與反饋值（測量值） c (t)構成的控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) (4-1) 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構成控制量，對受控對象進行控制。其控制規律為 13： 臺州學院畢業設計（論文） 13 t diP tdtdeTteTteKtu 0 )()()(1)()( (4-2) 或 t di tdtdeTteTtetu 0 )()()(1)(1)(4-3) 式中 PK ： 調節器的比例系數 iT： 調節器的積分時間 dT： 調節器的微分時間 e：調節器的偏差信號 ： 比例帶，它是慣用增益的倒數 u：輸出 簡單來 說， PID控制器各校正環節的作用是這樣的： 1、比例環節：即時成比例地反應控制系統的偏差信號 e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用以減小誤差。 2、積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數iT,iT越大，積分作用越弱，反之則越強。 3、微分環節：能反應偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調 節時間。 PID調節器的傳遞函數是： )(11(1)( sTTsGc di (4-4) 當上述控制算法公式只包含第一項時，稱為比例 (P)作用，只包含第二項時，稱為積分 (I)作用；但只包含第三項的單純微分 (D)作用是不采用的，因為它不能起到使被控變量接近設定值的效果，只包含第一、二項的是 PI作用；只包含第一、三項的是PD作用；同時包含這三項的是 PID作用。 僅用 P動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般 采用增加 I動作的P+I控制。用 PI控制時，能消除由改變目標值和經常的外來擾動等引起的偏差。但是，臺州學院畢業設計（論文） 14 I動作過強時，對快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統可以單獨使用 P動作控制。 對于 PD控制，發生偏差時，很快產生比單獨 D動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時， P動作的作用減小。控制對象含有積分元件的負載場合，僅 P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統發生振蕩。在該場合，為使 P動作的振蕩衰減和系統穩定，可用 PD控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負載。 利用 I動作消除偏差作 用和用 D動作抑制振蕩作用，在結合 P動作就構成了 PID控制，本系統就是采用了這種方式。采用 PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統穩定的控制過程。這種控制方式用于從產生偏差到出現響應需要一定時間的負載系統 (即實時性要求不高，工業上的過程控制系統一般都是此類系統，本系統也比較適合 PID調節，效果比較好。 4.2 離散 PID 控制算法 在用計算機、單片機、 PLC等作為控制裝置進行直接數字控制 (DDC)時，對各個被控制變量的處理在時間上是離散進行的。 DDC控制方式的特點是采樣控制，每個被控制 變量的測量值隔一定時間與設定值比較一次，按照預定的控制算法得到輸出值，通常把它保留到下一采樣時刻 14。 目前離散 PID控制算法主要有兩類，第一類叫做位置式算法，即對 4-2式進行差分后直接給出 u(k)，第二類叫做增量算法，給出： )1()()( kukuku (4-5) 位置算法如下： )1()()()()(0kekeTTjeTTkeKtu dkjiP(4-6) 上式可 改寫為： )1()()()()(0 kekeKjeKkeKku dkjiP(4-7) 增量算法如下： )2()1(2)()()1()()1()()( kekekeKkeKkekeKkukuku diP 臺州學院畢業設計（論文） 15 (4-8) 上面的各式中： T： 采樣周期 e（ k）：第 k次采樣時的誤差值； e（ k-1）：第 k-1次采樣時的誤差值； PK ： 比例系數； iPi TTKK /：積分系數； TTKK dPd / ：微分系數； 為方便編程，將 ( 4-8 )整理為： )2()1()()( 210 keqkeqkeqku （ 4-9） 其中：TTTTKq diP 1(0 (4-10) )21(1 TTKq dP (4-11) TTKq dP2(4-12) 4.3 OMROM PLC 的 PID 控制指令 梯形圖符號： 圖 4-2 梯形圖符號 操作數數據區域： 臺州學院畢業設計（論文） 16 圖 4-3 操作數據區 說明： PID(-)指令根據 P1 P1+6中指定參數進行 PID控制。當執行條件為 OFF時， PID(-)不執行。當執行條件為 ON時， PID(-)按照已指 定的參數執行 PID控制。它從 IW的內容中取出二進制數據的指定輸入范圍，并按照設定參數輸出 PID控制。結果作為操作變量存儲在 OW中。 下表顯示了參數字的功能： 表 4.1 參數設定范圍 臺州學院畢業設計（論文） 17 5變頻恒壓供水系統的軟硬件設計 5.1 系統的硬件組成 根據前文中恒壓變頻供水系統組成原理框圖，我們得到該系統的電氣控制框圖如圖 3-3所示。 5.1.1 PLC 的輸入輸出 該系統的 PLC 選用歐姆龍的 CPM2AH-20CDR，其特點是： 高速計數器能方便地測量高速運動的加工件 ； 擴展能力增強，最大到 12ch 的模擬量 ； 帶高速掃描和 高速中斷的高速處理 ； 可方便地與 OMRON的可編程程序終端（ PT）相連接，為機器操作提供一個可視化界面 ； A/D， D/A 精度大幅度提高， 最高 分辨率 可達 1/6000； 可進行分散控制和模擬量控制 ； 通訊功能增加，提供內置 RS232C端口及 外配 RS485 的適配器 。 根據系統的需求，對 PLC進行 I/O分配。 圖 5-1 PLC 的 IO分配 5.1.2 變頻器參數設置 本系統的變頻器采用歐姆龍 3G3MV-AB004，其指令豐富 ,功能強大 ,操作簡單方便 ,帶 485通信接口，方便與計算機通信。 臺州學院畢業設計（論文） 18 圖 5-2 變頻 器的操作面板 變頻器的參數設定： n001=4：可設定的參數范圍 n001 n179 n002=0: V/f控制模式 n003=1：控制端子有效 n004=1：頻率指令有效 n006=0：可反轉 LO/RE ：選擇“遠程 RE” n128=0： PID調節無效 n011=50Hz ：最高輸出頻率 n012=200V ：最大電壓 n013=50Hz ：最大電壓輸出頻率 n014=25HZ ：中間輸出頻率 n015=50V ：中間輸出頻率電壓 n016=1.5Hz ：最低輸出頻率 n017=10V ： 最低輸出頻率電壓 5.2 被控對象的硬件設計 由于本次設計的恒壓變頻供水系統的被控對象采用單片機系統的模擬。故用電位器的電壓變化來模擬供水網絡中用戶用水量的變化，采集電機轉速和電位器的電壓，通過軟件計算出當前的壓力值，并將壓力值以模擬量輸出，構成閉環網絡。 5.2.1 主控芯片 該被控對象的主控芯片選用 AT89C51單片機， AT89C51是一種帶 4K字節閃爍可編程可擦除 只讀存儲器 （ FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only 數據顯示部 操作鍵設定用 指示燈 LED 頻率指令旋鈕 臺州學院畢業設計（論文） 19 Memory）的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100次。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的 MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖所示 15： 圖 5-3 AT89C51的引腳圖 5.2.2 A/D 轉換電路 該電路主要負責采集電機轉速和電位器電壓的模擬信號，將其轉換成 數字信號后，送入單片機，以計算當前流量和轉速下的壓力值。 A/D 轉換器芯片選用 ADC0809。 ADC0809 是典型的 8 位 8 通道逐次逼近式 A/D轉換器。由于 ADC0809 內部沒有時鐘電路，所以用 74LS74A 將 1MHz 的信號二分頻送入 A/D 轉換器。輸出允許信號（ OE）、地址鎖存允許信號（ ALE） 、轉換啟動信號（ START） 由單片機給予，轉換結束信號（ EOC）可作為查詢的狀態標注 。 臺州學院畢業設計（論文） 20 圖 5-4 A/D轉換電路 圖 5-5 時鐘電路 5.2.3 D/A 轉換電路 該電路是負責將計算得到壓力數字量轉換成模擬量。 D/A 轉換器芯片選用 DAC0832。 DAC0832 是一片 8位 D/A 轉換器芯片，單電源供電，從 +5V+15V均可正常工作，基準電壓的范圍位 10V，電流建立時間為 1 s，CMOS 工藝。轉換器采用直通方式，外接 OP07 將電流信號轉換成電壓信號。