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恒壓供水在工業(yè)和民用供水系統(tǒng)中已普遍使用,由于系統(tǒng)的負(fù)荷變化的不確定性,采用傳統(tǒng)的PID算法實現(xiàn)壓力控制的動態(tài)特性指標(biāo)很難收到理想的效果。在恒壓供水自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計初期曾采用多種進口的調(diào)節(jié)器,系統(tǒng)的動態(tài)特性指標(biāo)總是不穩(wěn)定,通過實際應(yīng)用中的對比發(fā)現(xiàn),應(yīng)用模糊控制理論形成的控制方案在恒壓系統(tǒng)中有較好的效果。
在實施過程中選用了AI-808人工智能溫控儀作為主控制器,結(jié)合FX1N PLC邏輯控制功能很好地實現(xiàn)了水廠的全自動化恒壓供水。對于單獨采用PLC實現(xiàn)壓力和邏輯控制方案,由于PLC的運算能力不足編寫一個完善的模糊控制算法比較困難,而且參數(shù)的調(diào)整也比較麻煩,所以所提出的方案具有較高的性價比。
工作原理
系統(tǒng)主要由AI-808人工智能溫控儀、變頻器、控制接觸器組、水泵、閥門、壓力變送器等組成。由于水泵功率較大,為節(jié)約成本,只用1臺變頻器,3臺水泵 的其中2臺可以采用變頻調(diào)速,這樣在某1臺故障或維護時可以切換到另1臺進行變頻控制。圖1為供水系統(tǒng)的原理框圖。
壓力傳感器檢測出水總管壓力,經(jīng)變送器送至AI-808儀表,與設(shè)定值比較得到壓力誤差和誤差變化率,經(jīng)AI-808*的模糊、PID相結(jié)合的控制算法運算后,將輸出控制信號(4~20mA)送到變頻器控制端。通過調(diào)節(jié)頻率從而使出水管壓達(dá)到要求指標(biāo)。當(dāng)用戶和水量增加時,在一臺水泵變頻達(dá)到50Hz仍不能滿足供水壓力要求,PLC將檢測到AI-808調(diào)節(jié)器的壓力低信號,按其邏輯及工藝要求,加入另1臺水泵工頻運行;同樣,在用戶用水量下降,PLC通過收到AI-808調(diào)節(jié)器的水壓高信號后,將其中1臺工頻水泵退出運行。
系統(tǒng)運行時,變頻器是固定控制某一臺水泵,不實施多臺水泵切換的方法。這樣可以避免頻繁切換對系統(tǒng)及變頻器造成的沖擊,并具有較高的可靠性。同時也考慮到靈 活性及檢修等方面,系統(tǒng)可采用手動方式選擇2臺水泵中的1臺變頻運行,也可以減少某1臺水泵長期低頻運行所造成的損耗。
控制算法
工業(yè)過程中常用的PID控制器適用于線性定常系統(tǒng),而供水系統(tǒng)的對象時常含有非線性、時變環(huán)節(jié),而且有些參數(shù)未知式緩慢變化,因此單獨采用PID控制較難達(dá)到理想的控制效果,AI人工智能調(diào)節(jié)器采用模糊控制和改進PID相結(jié)合的雙??刂扑惴?,入圖2所示
當(dāng)控制開始時,誤差e=Y-s較大,即偏差| e |≥EM時(EM為雙??刂扑惴╡的邊界值),系統(tǒng)采用模糊控制算法,具有較好的動態(tài)性能。在誤差逐漸減小,即偏差| e |將誤差e和誤差變化率c整量化及模糊化后,采用帶修正因子的模糊控制規(guī)則:
P=[αe+(1+α)c]
式中:P為控制量U的整量化值;α為修正因子,介于0,1之間的數(shù)。
改變α的值可以改變雙模算法的模糊控制規(guī)則,從而改變系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。AI調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中具有自學(xué)習(xí)、自調(diào)整功能。
改進型PID算法采用抗積分飽和及不*微分方式。其傳函形式為:
式中:KD為微分增益,在階躍作用下,PD輸出初始值和zui終值之比;為限制微分突變作用太強,KD取值不宜過大,一般取5~10。
AI-808人工智能溫控儀具有模糊邏輯PID調(diào)節(jié)及參數(shù)自整定功能的先進控制算法。在誤差大時,運用模糊法進行調(diào)節(jié),以消除PID飽和積分現(xiàn)象;當(dāng)誤差 減小時,采用改進后的PID算法進行調(diào)節(jié),并能在調(diào)節(jié)中自動學(xué)習(xí)和記憶被控對象的部分特征以使效果*化。其具有無超調(diào)、高精度、參數(shù)確定簡單,對復(fù)雜對 象也能獲得較好控制效果等特點。其整體調(diào)節(jié)效果比一般的PID算法更明顯。這一點在系統(tǒng)調(diào)試中得到驗證,起初選用日本生產(chǎn)的單純PID調(diào)節(jié)器,在用水量變化和水泵投退過程中,其超調(diào)量和穩(wěn)定時間均不理想,在改用AI-808智能儀表后,其動態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)均滿足了要求。
系統(tǒng)采用AI-808人工智能溫控儀和FX1N PLC相結(jié)合的變頻調(diào)速恒壓供水方案已在現(xiàn)場運行多年,情況表明:
(1)用AI人工智能調(diào)節(jié)器,采用模糊控制和PID結(jié)合的控制方案,發(fā)揮了2種控制器的優(yōu)點,達(dá)到較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)指標(biāo),對系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)具有恢復(fù)時間快、超調(diào)小等優(yōu)點。其自整定功能為用戶提供了一種方便快捷的參數(shù)設(shè)置方法,系統(tǒng)穩(wěn)定誤差在 ±0.01Mpa。
(2)電機功率為180kW,采用單臺變頻切換的方式有利于降低系統(tǒng)造價。變頻調(diào)速系統(tǒng)使水泵電機在軟起動下運行,無沖擊電流、使用壽命長,同時具有良好的節(jié)能效果。
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