基于PID控制的變頻恒壓供水系統設計

梁 棟，徐 錦（長安大學電子與控制工程學院，陜西西安，710021）

基于PID控制的變頻恒壓供水系統設計

梁 棟，徐 錦
（長安大學電子與控制工程學院，陜西西安，710021）

由于傳統供水系統能源浪費嚴重、自動化程度低等特點，本文設計了一種基于PID控制的變頻恒壓供水系統。主要對該系統的原理、調節過程、水泵切換、數學模型及PID控制算法做了介紹，從而證明了變頻恒壓供水系統的前景和經濟效益，具有很好的推廣與研究價值。

PID；變頻恒壓；控制算法；數學模型

1　系統概述

變頻恒壓供水就是要時刻讓供需達到平衡，若供需之間沒有達到平衡，用戶水壓將發生變化。因而可根據水壓變化實現對流量變化的控制，以確保供需之間的動態平衡?？刂圃韴D如圖1。

圖1　閉環調節原理圖

該變頻恒壓供水系統，主要由PID調節器、變頻器、遠傳壓力表以及水泵電機等組成。在該系統中通過遠傳壓力表將水管出水處的壓力值反饋給PID調節器，此處使用遠傳壓力表主要是一方面可以將壓力信號變為4～20mA電流信號，另一方面具有清晰的表盤顯示功能，同時它的價格較便宜。PID調節器將反饋值與給定值做差，若所得偏差為零，則說明系統的運行狀態滿足此時的供水需求；若所得偏差不為零，則說明系統的運行轉態不滿足此時的供水需求，需要改變變頻器的輸出頻率或者增減水泵數量來滿足供水需求。

2　調節過程分析

該系統的運行狀態分為三種，第一供需平衡狀態，第二供小于需的狀態，第三供大于需的狀態。因系統運行狀態的不同，所對應的調節過程也不盡相同，也具有三種不同的調節過程。

第一，供需平衡的調節。此時遠傳壓力表的反饋信號與給定信號的差值等于零，PID調節器不進行調節，系統繼續維持原有的工作狀態。

第二，供小于需的狀態。若用戶需水量增大時，供水管網的水壓降低，以至用戶端水壓降低，遠傳壓力表反饋回去的壓力信號與給定信號出現差值。PID調節器立刻進行調節（調節器中有限幅），調節器輸出4～20mA的連續信號給變頻器的模擬輸入端子，通過變頻器增大頻率從而實現對輸出電壓的改變，最終使所帶水泵電機的轉速提高或增泵來彌補所需的水壓，當達到給定值與反饋值相等時不再調節，系統到達新的工況點運行。

第三，供大于需的狀態。若用戶需水量減少時，供水管網的水壓升高，以至用戶端水壓升高，遠傳壓力表反饋回去的壓力信號與給定信號出現差值。PID調節器立刻進行調節（調節器中有限幅），調節器輸出4～20mA的連續信號給變頻器的模擬輸入端子，通過變頻器去減小頻率從而實現對輸出電壓的改變，最終使水泵電機的轉速降低或減泵來減小水壓，當達到給定值與反饋值相等時不再調節，從而系統到達新的工況點運行。

3　水泵切換分析

由上述分析可知，當供需不相等時需要進行水泵的切換，即加泵或減泵。且當輸出頻率達到設定頻率的上下限時要進行水泵切換。

此處引入滯環思想進行判別，只有當實際的水壓與給定水壓差ΔP時才允許增減泵。若某一時刻滿足了此判別條件，說明此刻的系統運行不滿足供水需，即使滿足需求也不能完全認為需要切換。因為系統短暫的擾動也可能造成某一時刻滿足判別條件，這將造成判斷失誤，使機組切換失敗。因此可使用延時判別來消除這種誤差。

延時判別，指系統僅僅滿足判別條件是不行的，若要進行切換，除了滿足切換條件之外，還要能維持一段時間，若能達到這種要求，則進行機組切換。若不能滿足，說明是瞬間擾動造成的，此時進行切換將可能引起誤動作。

4　數學模型與控制算法分析

4.1數學模型。對于較為簡單的控制對象，我們可以根據對象的具體工作原理和相關結構通過相應的計算與分析建立模型，對于較復雜的控制對象很難通過解析法建立模型，通常用現場實際測量與辨識相結合的方法獲得。

分析該系統的數學模型有利于該系統的控制與調節，能更加方便的達到恒壓的目的。又因為該變頻恒壓控制系統是動態變化、非線性的，所以只能寫出近似的數學模型來代替。該系統的控制對象可以看成一個具有自衡能力的單容對象，且具有一階大慣性環節。所以變頻恒壓供水系統是單容純滯后模型，即

4.2控制算法。目前在工控系統中大多用PID控制，PID控制算法為：

由于計算機控制是采樣控制，須首先對上式的模擬PID控制算法進行離散處理，使用數字形式的差分方程代替連續系統的微分方程，此時上式的積分項和微分項可用求和增量式表示。因該系統需要進行手動與自動的切換，在切換時會產生沖擊影響系統運行。在該系統中采用了增量式控制算法。該算法不產生積分失控，不需要累加，因而較易通過加權處理獲得較好的控制效果。增量式控制算法為：

5　結束語

本文設計了一種基于PID控制的變頻恒壓供水系統。改進了傳統供水方式的諸多不足，提高了供水效率和可靠性，更加接近了智能化。該系統可通過變頻泵和工頻泵的相互結合來連續調節，確保供水壓力恒定。該系統主要特點為：

高效節能?？筛鶕o定信號自動調節水泵電機的轉速或加減泵，解決了不同用水量時出現大馬拉小車問題和電機輕載或空載時的節能問題。

供水壓力恒定。變頻調速保證管網壓力恒定的調節性能優越。

操作方便、簡單。整個系統自動化程度高，不需專人值守，使用智能控制器，提高了系統靈活性，同時抗干擾能力也大幅度提高了。

［1］潘新民，王燕芳.微型計算機控制技術.北京：電子工業出版社，2014.2

［2］何梅，張曉峰，劉西健.基于VB的小區變頻恒壓循環供水控制系統設計［J］.電子制作，2010.8

［3］方桂筍.基于PLC的變頻恒壓供水系統的設計（論文）.互聯網文檔資源，2012

Design of Variable Frequency Constant Pressure Water Supply System Based on PID Control

Liang Dong，Xu Jin
（School of electronic and control engineering， Chang'an University， Xi'an Shaanxi，710021）

Because the traditional water supply system is a serious waste of energy，low degree of automation，this paper designed a PID based control of variable frequency constant pressure water supply system.This paper introduces the principle of the system，the regulation process，the pump switch，the mathematical model and the PID control algorithm，which proves the prospect and the economic benefit of the variable frequency constant pressure water supply system，and has a good popularization and research value.

PID；frequency conversion；control algorithm；mathematical model