PID控制器在恒压变频器控制系统的应用

基于PLC的PID控制变频恒压供水系统摘要基于PLC的PID控制的变频恒压控制是现代供水控制系统的主要方式，利用PLC（可编程控制器）、PID调节器、压力检测传感器、压力变送器、电气控制设备、变频器及水泵机组组成闭环控制系统，使供水管网压力保持恒定。

关键词PLC；PID控制；变频器；闭环控制在实际生产生活中，用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。

而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力过大。

因此，保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。

恒压供水是指在供水网中用水量变化时，出水口压力保持恒定不变的供水方式。

1恒压供水的基本原理1.1变频恒压供水系统的组成及原理变频恒压供水系统压力控制主要有PID调节器、变频器、水泵、压力传感器和变送器、PLC可编程控制器等组成。

变频恒压供水系统压力控制系统原理框图如图1所示，用PID调节器和变频器构成闭环系统控制，可以提高供水压力的控制精度，改善控制系统的动态响应。

图1变频恒压供水系统压力控制系统原理框图系统工作时，先启动主水泵，管网水压达到设定值，变频器的输出稳定在某数值上。

而当用水量增加，水压降低时，压力变送器SP将该信号实时送入比较器与给定压力H比较，其差值输入PID控制器，PID的输出量作为控制变频器的转差给定输入，从而控制电动机的转速上升，水压力恢复到给定值，保持供水系统中管网中压力的恒定。

变频恒压供水系统压力控制原理如下：1）用水量增加，压力下降，压力变送器输出降低，PID输出上升，变频器频率增大，电机（M）转速升高，水泵流量增大，压力上升。

2）用水量减少，压力上升，压力变送器输出增大，PID输出降低，变频器频率下降，电机（M）转速降低，水泵流量减小，压力下降。

如果用水量增加很多，主泵达到最大流量仍不能使管网水压达到设定值，将自动启动备用泵；反之，当用水量减少时，可自动切断备用泵。

基于PLC的PID控制算法在恒压供水系统中的应用摘要：本文主要探讨基于PLC的PID控制算法在恒压供水系统中的应用。

关键词：PLC PID控制算法恒压供水系统应用一、控制系统相关概念恒压供水控制系统根据给定不同的时间、供水流量和压力的要求，应用一台西门子MM440变频器，采用PLC控制的电磁开关，逐台控制两台18.5kW水泵（1#、2#泵）的控制方法向一个压力罐供水，然后通过压力罐向用户供水。

压力罐可以缓解由于水泵直接供水引起的供水压力变化，从而避免因供水压力变化过快造成水泵工作状态的频繁变化，该控制系统的基本框图如图1所示。

图1 控制系统的基本框图1.PLC本系统使用微型可编程控制器S7300PLC作为控制部分单元，其特点是具有强大的指令功能、方便的可用性能、较高的性价比等。

系统采用CPU315-2DP；模拟量输入、输出模块SM334 AI4/AO28/8Bit；模块包含模拟量输入通道4个、模拟量输出通道2个，根据需要输入输出信号都选用4～20mA的电流信号。

2.自动控制流程简介自动控制流程的过程监控部分采用典型的两级监控方式。

下位机由西门子S7300PLC构成，为基础测控级，主要面向生产过程，完成生产现场的数据采集及过程控制等。

上位机作为主要的人机界面（HMI），为生产管理级，它通过Wincc 软件监控系统完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员。

3.压力传感器该供水系统采用的压力传感器选用量程为0～1.0MPa，输出电流为4～20mA。

二、自动控制流程简介和算法1.自动控制流程简介接通电源后，PLC对系统进行PID参数整定，进行系统PID控制，根据控制量输出的变化投入水泵运行或退出水泵运行。

根据需要，设定变频器输出最大频率值为50Hz、最小频率值为25Hz。

2.PID控制PID控制结构如图2所示。

图2 PID控制结构图PID控制器控制规律为：其中KP为比例放大系数，TI为积分时间，TD为微分时间。

： ．
ｏ ｏｆ （ １统的工作框 图
连 续地 改变 电机 定子的供 电频 率就可 以平滑 改变 电动 机 的转速 ，
从而达 到调节速度 的目的。
２ ． Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 器 该设备 应用传 感器完 成对 水 压的数 据采 集 ， 传感 器置于 水体 内， 变频 恒 压供 水系统 的核心 是恒 压控 制 ， 它 是根据 水压 给 定值 与供 利 用水压的变化产生 的力的变化 将水压量转换 成电压值， 经前置放大 ， ／ Ｄ 转换 为一组 数字量 进入单片 机 ， 经微处 理器与相应预 置参 量进行 水管 道中实际压 力值 的压差 大小 ， 控制变频 器输出频率 ， 使变频 器实时 Ａ 得到 误差量 Ａ， 该误差 量与前一误 差量 又可得到误 差的变化 量 调节水 泵电机 的转 速以适应 管路中压 力的变化。 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制和 模糊控 制是 比较后 ， 目前使用的两种 主要方法。 Ｂ， Ａ 和Ｂ 作为模糊 控制器 的输入 ， 由软件 中的算法进行 处理 ， 模糊 控制 器的输 出则 作为 一调节参量 即控制量 ， 经Ｄ ／ Ａ 转换控制 变频器 ， 产生一 ２ ． １ Ｐ Ｉ Ｄ 控制器 的设 计 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制方 式 是现代工业 控制 中应 用的最 广泛 的反馈控制 方式 之 系列的变化 的电压 ： 电压大 ， 水泵转速 加快 ， 水 压升高， 反之水 压降低 ， Ｐ Ｉ Ｄ 控 制方 式 是现代 工业控 制 中应 用的 最广泛 的反馈 控制 方式 之 近似 达 到恒 压节能 的目的。 Ｐ Ｉ Ｄ控制器 由比例单元（ Ｐ ） 、 积分单元 （ Ｉ ） 和微 分单元 （ Ｄ ） 组 成。 其 输入 ３ ． ２ ５统 的软件设 计 ｅ ） 与输 出ｕ （ ｔ ） 的关系为 ： ． 软件的实现 主要是 单片机 编程 ， 在ＷＩ ＮＤ Ｏ ＷＳ 界面的ＷＡ Ｖ Ｅ ６ ０ ０ ０ 环境 下进行 Ｃ 语 言编程 。 程序设 计主要 有以 下几个部 分 ： 压力测 量子程 ” （ ｆ ） ＝ Ｋ ｐ ［ ｅ （ ｔ ） ＋ 兰 １ Ｉ ｅ （ ｆ ） ＋ ］ （ ２ ） ｚ Ｊ ０ ａＬ ＂ 序， 故 障检 测子程 序 ， 模糊控 制算 法子程 序， 显 示子程 序， 功 能选 择子 由于离散的Ｐ Ｉ Ｄ 算法 与模拟 的Ｐ Ｉ Ｄ 算法相 比较 ， 具有独 特的优 点， 程序， 功 能子程 序ａ 所 以我们采用离散 的ＰＩ Ｄ对 水压进行恒 定控制 。 ４ ． 结 束语 ２ ． ２ 模糊控 制器 变频 调速恒 压供 水是 现代化城 市和 生活小 区供 水 的发展方 向， 采 由于供水系统管 网较 长， 流 量变化缓慢 ， 水压 的调节有 较大的 滞后 用单片机控 制的变频供 水系统 具 有工作可靠 、 实现容 易、 价格 低 廉等特 性， 所 以难 以建立一 个精确 的数学 模型 ， 用传统 的Ｐ Ｉ Ｄ 调节 器难 以获得 点 ， 是 较 理想 的控制 器。 本论文 的研究 主要 完成了以下内容 ： 通 过对变 用单片 机语 言Ｃ ５ １ 满 意 的效果 。 模糊控 制器 的优 点是 不要求 掌握 受控 对象 的精确 的数学 频恒压 供水控制 系统的工作原理和 控制原理 的分析， 模型。 结合硬件 电路， 设计出以Ａ Ｔ ８ ９ Ｃ ５ ２ 为核心的恒 压供水控制 器。 并将模糊 根据 小区实 际供 水情况 和操 作人员的实践 经验 ， 总结 出模糊 控制 自 整 定Ｐ Ｉ Ｄ 算 法应用到变 频恒压 供水控 制器中， 使得用 户在 使用时更加 规 则表 ， 由控制规 则按 模糊推 理合成规 则求 出相应 的控制 决策Ｕ， 再按 方便快 捷 。

运用PID与变频器实现恒压供水控制方案2008-01-20 19:58一：PID概念1. PID解释：即由比例（Proportion）+积分（Integral）+微分（Differential coefficient）组合而成。

2. 比例P控制：调节量按误差成比例输出，纯比例时误差不会为零。

即一对一的对应关系。

3. 积分I控制：调节量按误差的积分输出，误差为零时，输出恒定。

既有一定的延迟。

4. 微分D控制：调节量按误差的微分输出，误差突变时，能及时控制。

既快速反应。

5. PI控制动作：所谓PI控制就是将比例控制P和积分控制I结合起来，根据偏差及时间变化，产生一个操作变量。

二：运用PI控制系统方框图运用于PID可实现压力负反馈单闭环控制。

控制理论与算法。

1. PID配合变频器与压力传感器实现单泵闭环恒压供水控制系统。

2. 通常压力传感器分电流型与电压型两种。

PID有内置变频器与单独的外置两种。

三：设定任何一个控制系统都需要经过反复地调试后方可达到最佳性能，没有调试的系统是不能工作或不能良好地运行。

下面举例AMB-G7系列单泵恒压供水调试方法。

A. 首先必须知道控制对象的参数。

对象特征、需要的最大供水压力、需要给定用户的恒定压力、供水最小压力、上限压力、下限压力等。

B. 假设对一小区进行恒压供水改造，其要求管道最大供水压力为（A）11Kpa ，对应传感器输出电流为20mA , 要求最小供水压力为（B）1Kpa,对应输出的电流为4mA , 用户要求恒定的供水压力为（C）5Kpa 。

根据以上三个参数可以确定PID的设定值，既：（必须保证在最大供水压力时对应于压力传感器电流输出最大，反之亦然，可求出用户要求供水压力时的传感器电流）C. 传感器给定电流（Iset）正比于用户所需的恒定供水压力。

(假设压力传感器输出电流为4~20mA)既：Iset/(Imax-Imin)=C/(A-B)→Iset/(20mA-4mA)=5/(11-1)→Iset/16=5/10→Iset=16*0.5=8mA(5 0%电流)其中Imax=最大电流 Imin=最小电流 Iset=需要给定的电流值D. 而G7系列F84设定电压也正比与设定电流。