在恒壓噴灌控制系統中的應用

陳乾忠

（婁星區水利局婁底市417000）

前言

婁底市婁星區茶園節水灌溉建設項目位于茶園鎮桎木村，距婁底市城區約12 km，距省道S209線1.5 km，有鄉村公路直抵項目區，交通便利。項目區內桎木水庫（?、裥停┧鎸掗?，森林資源豐富，自然風光優美，傳統農業和現代農業相交融，主要種植枇杷、梨子、楊梅、橘子等果樹作物和蔬菜。

項目區山高水低，灌溉條件差，通過實施節水灌溉，能使有限的水資源得到充分利用，提高水的利用率，改善灌溉條件，充分利用現有土地資源，增加農業科技含量和綜合開發潛力，為建設“生態農業、高效農業、循環農業”的發展目標奠定基礎。項目的實施，還將在全區農業種植結構調整中起到良好的示范作用，對增加當地農民收入，促進經濟發展，具有深遠的意義。

1 項目概況

婁星區屬洞庭湖平原向雪峰山過渡的丘崗地帶，以崗、平為主，平、崗、丘、山俱全。北部峰巒疊嶂，西、中部崗地展布，南部丘陵起伏，東部平原寬闊，形成了北、西、南三面高和由西向東開口的馬蹄形地貌。項目區氣候條件良好，屬亞熱帶季風性氣候區，多年平均氣溫17.3℃，無霜期281天，利于工程施工；交通便利，距婁底市城區12 km，距省道S209線1.5 km，有鄉村公路通達項目區；水量充沛，可通過從桎木水庫提水解決施工用水；農村電網實施了改造，電力供應滿足施工要求，10 kV線路已架設至泵站站址處。

2 恒壓噴灌控制系統總體方案確定

該控制系統主要由傳感器（壓力、水位和土壤濕度）、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器等所組成。系統的主要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兩臺水泵，實現管網水壓恒壓或在恒壓值附近波動和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻泵之間的切換，同時還要能對運行數據進行傳輸。

該控制系統結構簡單，它將調節器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現PLC和PID等電控系統的功能。它雖然微化了電路結構，降低了設備成本，但在壓力設定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，在調試時，PID調節參數尋優困難，調節范圍小，系統的穩態、動態性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數據通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。

這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數據傳輸的優點，又能達到系統穩定性及控制精度的要求。

3 PID調節原理在恒壓噴灌控制系統中的應用

在茶園恒壓噴灌控制系統的設計中，選用了具有PID調節模塊的三菱FR-740-1 SK-CH型變頻器來實現閉環控制。通過對水壓設定值與壓力傳感器的反饋信號進行比較，產生差值，其偏差值由變頻器內部PID調節器按預先規定的調節規律進行運算，得出調節信號，用來控制變頻器的輸出電壓和頻率，從而改變水泵的轉速以保證噴灌管網的壓力恒定，較好地滿足系統的恒壓要求。

3.1 PID控制原理

在連續控制系統中，常采用Proportional（比例）、Integral（積分）、Differential（微分）控制方式，稱之為PID控制。PID控制是連續控制系統中技術最成熟，應用最廣泛的反饋控制方式。具有以下優點：理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。

常規PID控制系統原理框圖如圖1所示。系統由模擬PID控制器和被控對象組成。

圖1 模擬PID控制系統原理圖

PID控制器是一種線性控制器，它是根據目標值（設定值）r（t）與反饋值（測量值）Y（t）之間的偏差e（K）:

經比例（P）、積分（（I）和微分（（D）運算后通過線性組合構成控制量u（K），對被控對象進行控制，故稱PID控制器。

控制規律為:

式中Kp——比例系數；

T1——積分時間常數；TD—微分時間常數。相應地傳遞函數形式為:

PID控制器各環節的作用及調節規律如下:

（1）比例環節:成比例地反映控制系統偏差信號的作用，偏差e(K)一旦控制器立即產生控制作用，以減少偏差。比例環節反映了系統對當前變化的一種反映。比例環節不能徹底消除系統偏差，系統偏差隨比例系數Kp的增大而減少，比例系數過大將導致系統不穩定。

（2）積分環節:表明控制器的輸出與偏差持續的時間有關，即與偏差對時間的積分成線性關系。只要偏差存在，控制就要發生改變，實現對被控對象的調節，直到系統偏差為零。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Tt；T越大，積分作用越弱，易引起系統超調量加大，反之則越強，易引起系統振蕩。

（3）微分環節:對偏差信號的變化趨勢(變化速率)做出反應，并能在偏差信號變得太大之前，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，減少調節時間。微分環節主要用來控制被調量的振蕩，減小超調量，加快系統響應時間，改善系統的動態特性。但過大的TD對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。

PID的三種作用是相互獨立，互不影響。改變一個調節參數，只影響一種調節作用，不會影響其他的調節作用。然而，對于大多數系統來說，單獨使用一種控制規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，可以使調節器快速、平穩、準確地運行，從而獲得滿意的控制效果。

3.2 恒壓噴灌PID調節過程分析

恒壓噴灌的目的就是要保證供水能力QG適應噴灌用水需求Qu變化。當供水能力QG和噴灌用水需求QU之間不能平衡時，必然引起壓力的變化。因此，可根據壓力的變化，來實現對供水流量的調節，維持供水能力QG和噴灌用水需求QU之間的乎衡。

在噴灌系統中，變頻器、PID調節器、壓力變送器、電機、水泵等構成了一個閉環控制系統，可以對供水能力實現有效的自動調節，從而實現恒壓噴灌。其實現方法是，首先根據噴灌管網對水壓的要求，給PID調節器預置一個目標壓力值，管道中的實際水壓，經壓力變送器轉換成（4～20）mA的模擬電流信號反饋給變頻器內置的PID調節器，PID調節器根據目標壓力值和實際壓力值的偏差，給出調節量，自動調節變頻器輸出頻率，調節電機轉速，使供水量適應用水量的變化取得動態平衡，維持水壓不變。其具體調節過程如下:

（1）穩態運行。

當供水能力QG=用水需求Qu，目標壓力信號r（K）和壓力反饋信號y（K）相等，偏差e（K）=y（K）-r（K）=0，PID輸出的控制增量△u（K）=0，變頻器輸出頻率不變，水泵轉速不變，處于穩態運行。如圖2中的0-t 1段。

（2）用水量增加時。

當用水量增加，用水需求Qu>供水能力QG，水壓下降，壓力反饋信號y（K）減少，偏差e（K）=y（K）-r（K）<0，PID輸出的控制增量△u（K）>0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉速升高，增加供水能力，最后達到一個新的平衡狀態，使壓力回復，維持供需平衡。這是一個動態變化的過程，在達到新的平衡狀態之前，壓力反饋信號Y（K）"偏差e（K），控制增量△u（K）均處于變化之中，其變化過程如圖2中的tl-t3段，其中t2-t3段為增加用水量后新的平衡狀態。

（3）用水量減少時。

圖2 恒壓噴灌PID調節過程

當用水量減少，用水需求Qu<供水能力QG，水壓上升，壓力反饋信號y（K）增大，偏差e（K）=y（K）-r（K）>O，PID輸出的控制增量△u（K）<0，變頻器輸出頻率下降，水泵轉速降低，降低供水能力，最后達到一個新的平衡狀態，使壓力回復，維持供需平衡。這一動態變化過程，如圖2中的t3-t4段，其中t4段以后為減少用水量后新的平衡狀態。

3.3 變頻器PID控制功能參數設置

變頻器PID控制功能代碼有，Pr.88，Pr.78,Pr.89,Pr.90、Pr.91,Pr.74共6個，通過對功能代碼的設定來保證合理的PID運行

（1）PID模式預置。

Pr.88用以設置PID模式。

設定值20:PID反動作，21:PID正動作。其關系如圖3所示。

圖3 PID模式

在供水系統中，當壓力增大（即用水量減少），水泵的轉速應下降，即變頻器輸出頻率與被控量(水壓)的變化趨勢相反，所以選取模式20。

（2）反饋方式預置。

系統采取的是電流輸入反動作，設定為Pr.78為20。

（3）壓力目標值的預置。

壓力目標值是一個比值，它和允許的管道壓力大小及選用的傳感器有關。其關系為：

壓力目標值=管道允許壓力/壓力表量程×100%。

根據噴灌管網情況及水壓需要，確定水泵出水口水壓大小為0.5 MPa，選用的遠傳壓力表量程是（0～1）MPa，則目標值為50%。

通過變頻器鍵盤面板操作直接輸入確定的壓力目標值。

（4）P、I、D參數預置。

P、I、D參數通過Pr.89，Pr.90,Pr.91來設定。其中Pr.89用以設定P增益，設定范圍；0.1999%；Pr.90用以設定積分時間，設定范圍0.19995；Pr.91用以設定微分時間，設定范圍（0.01～10.0）s。

P、I、D的取值與系統的慣性大小有很大的關系，在使用PID控制器時，一般不知道被控對象的數學模型，所以不可能用理論計算的方法來確定PID控制參數。但是比例、積分、微分部分都有明確的物理意義，可以根據控制器的參數與系統動態、穩態性能之間的定性關系，用試驗的方法來調節控制器的參數，從而得到較為滿意的結果。PID參數的整定可按以下總體原則進行。

Pr.89（增益P）；在不發生振蕩條件下增大其值;

Pr.90（積分時間I）：在不發生振蕩條件下減小其值;

Pr.91（微分時間D）:在不發生振蕩條件下增大其值;

用示波器監視壓力表輸出電壓波形，根據波形情況來做參數調整，常見有下面幾種情況：

a.抑制超調。

增大Pr.90（積分時間），減小Pr.91（微分時間），如圖4a。

b.允許小量超調前提下加快響應速度。

減小Pr.90（積分時間），增大Pr.91（微分時間），如圖4b。

c.抑制比Pr.90（積分時間）長的周期性振蕩。

增大Pr.90（積分時間），如圖4c。

d.抑制大約和Pr.91（微分時間）同樣長周期的振蕩。

減小Pr.91（微分時間）。設定0時，若仍有振蕩時，減小Pr.89（增益P），如圖4 d在PID功能有效且完成參數預置后，變頻器完全按用戶設定的P,I,D調節規律運行，其工作特點是:

圖4 PID參數調節

●變頻器的輸出頻率只根據水壓實際壓力大小與設定的目標壓力的偏差進行調整，與實際水壓大小并無對應關系。

●變頻器的升、降速時間完全取決于由P,I,D值所決定的動態響應時間。

●變頻器的輸出頻率始終處于調整狀態，因此，其顯示的數值常不穩定。

（5）反饋濾波時間預置。

設置對控制端子12輸入的反饋信號的濾波時間，使PID控制系統穩定，設定值過大，反應變差。

4 結語

本研究是針對目前果樹、蔬菜種植面積迅速擴大，而對其灌溉管理仍停滯在傳統的大水漫灌或以自然降雨為主的現狀提出的。目的是為了對果樹、蔬菜適時、適量的科學灌溉，提高灌溉的均勻性和自動化水平，減輕勞動強度，節水節能。

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