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1、2 0 0 9 年2 月第2 8 卷第1 期重庆文理学院学报(自然科学版)J o u r n a lo fC h o n g q i n gU n i v e r s i t yo fA r t sa n dS c i e n c e s(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)F e b，2 0 0 9V o L 2 8N o 1基于P L C 恒压供水系统中P I D 控制器的实现吕惠芳(无锡3-艺职业技术学院，江苏宜兴2 1 4 2 0 6)摘要 在以P L C 控制为核心，变频调速技术为基础的恒压供水系统中，P L C 将压力设定值与测量值的偏差
2、经P I D 运算后得到的信号控制变频器，从而通过变频器控制水泵的转速调节管网的压力，实现恒压供水的目的介绍了基于S 7 2 0 0 恒压供水系统P I D 调节器的实现 关键词 恒压供水系统；P I D 控制器；变频调速；闭环控制 中图分类号 T B 4 9 5 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 8 0 1 2(2 0 0 9)0 1-0 0 5 3 一0 3随着现代化城市的发展，现有的城市供水所必须的水塔、水箱以及气压供水设备，由于水质污染和水压不足，已经远远不能满足人们目前的生活需要由于城市用水量是动态的，白天用水量大，晚上用水量小，水厂供水要保持水压稳定在一定范围内，保证供水量
3、波动时水压恒定是一个急待解决的问题随着变频调速技术及P L C控制技术的发展，一种基于P L C 的恒压供水系统已逐渐取代了原有的水塔供水系统J 该供水系统中采用闭环控制方式实现对压力、流量变化的检测控制，广泛适用于模拟控制系统及数字控制系统中的P I D 调节器该系统因不需要精确的控制系统数学模型、有较强的灵活性和适应性、结构典型、程序设计简单、工程易于实现以及参数调整方便等优点而得到广泛的应用旧1 1系统组成及工作原理1 1系统组成系统采用S 7 2 0 0 型P L C、M M 4 3 0 型变频器、压力传感器及其他控制设备组成，系统结构如图1 所示1 2 工作原理压力传感器检测用户管网
4、水压信号，转换成电信号(4 2 0m A)，变频器输出电机频率信号，两个信号反馈给P L C 的P I D 模块，P L C 根据这两个信号经P I D 运算后，发出控制信号，控制水泵电机进行切换当用水量较少时，1#泵在变频器控制下变频运行如需水量加大，压力传感器在管网端测得水压偏小，则变频器输出频率上升1#泵由变频切换为工频运行状态同时系统对2#泵进行变频起动和调节如果两台泵供水仍不能满足供水要求，则系统将2 舟泵投入工频运行，3#泵投入变频运行，供水量增大，加泵情况类推若用水量减少，变频器的频率会下降当变频器频率下降至下限值时，P L C 将最先投入工频运行的水泵停止，如果频率下限持续出现
5、，P L C 再停止第二台工频运行的水泵，以此切换工作水泵，以维持管网水压恒定图1 系统结构2P I D 控制器的实现西门子公司从S 7 2 0 0 系统列P L C 中的C P U 2 1 5。C P U 2 1 6 开始增加了用于闭环控制的P I D 模块它通过P I D 调节器来调节输出，保证 收稿日期 2 0 0 8 一l O 一2 4 作者简介 吕惠芳(1 9 6 7 一)，女，江苏宜兴人，副教授，主要从事电力电子技术及电气控制研究5 3万方数据偏差值e 为零，使系统达到稳定状态在系统中，偏差值e 是给定值S P(希望值)和过程变量P V(实际值)的差2 1P I D 算法的数学模型
6、P I D 控制器是比例一积分一微分控制器的简称积分控制器可以消除系统的静差，微分控制器可以改善系统的动态响应速度，比例、积分、微分三者有效地结合可以满足不同的控制要求比例一积分一微分的运算电路如图2 所示图2比例一积分一微分运算电路图2 所示比例一积分一微分运算电路的输入、输出关系为V o=c 鲁+岳m 州。百d V s+去肚令K=堡R+鲁，=吩c。，乃咄c，可得l到V o=K c V s+警十寺J 眦输出信号是输入信号的比例一积分一微分，在自动控制系统中常用来组成P I D 调节器，在常规调节中，比例、积分常用来调节系统的控制精度，而微分则用来调节系统响应的动态性能2 2 典型P I D
7、闭环控制系统在连续系统中，典型P I D 闭环控制系统如图3 所示图3 中S P(t)是给定值，P V(f)是反馈量，C(t)是系统的输出量，P I D 控制的输入输出关系式为3】帅)=K e(小寺序警+(1)其中，M(t)为控制器的输出量，眠为输出的初始值，e(t)=S P(t)一P V(t)为误差信号，K 比例系数，乃为积分时间常数，为微分时间常数5 4(1)式中右边前三项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微分成正比如果取其中的一项或两项，可以组成P、P D或P I 控制器图3 连续闭环控制系统方框图3 基于P L C 的闭环控制系统3 1P I D 的数字化处理P
8、L C P I D 控制器的设计是以连续系统P I D 控制规律为基础，将其数字化写成离散形式P I D 控制方程，再根据离散方程进行控制程序设计”o 假设采样周期为以，系统开始运行的时刻为t=0。用矩形积分来近似替代精确积分，用差分近似替代精确微分，将公式(1)离散化，第n 次采样时控制器输出为nM。=K e。+K f e+如(e。一e。一1)+(2)其中，一。为第，l 1 次采样时误差值，巧为积分系数，如为微分系数3 2 基于P L C 的闭环控制系统基于P L C 闭环控制系统如图4 所示图中虚线部分在P L C 内，其中5 尸n、P K、e 小坂分别为模拟量|s P(t)、P V(t)
9、、e(t)、M(t)在第，1 次采样时的数字量图4P L C 闭环控制系统方框图许多控制系统内，可能只需要P、I、D 中的一种或两种控制类型如可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路进行控制类型进行选择3 3 软件设计S 7 2 0 0 系列P L C 的C P U 2 1 5 2 1 6 提供了用万方数据于闭环控制P I D 运算指令，用户在应用时只需在P L C 的内存中填写一张P I D 控制参数表再执行“P I DT a b l eL o o p”即可完成P I D 运算”J。其中操作数T a b l e 表使用变量存储器来指明控制参数表的表头字节，操作数L o o p
10、 只可选择0 7 号的整数，表示本次P I D 闭环控制所针对的环路编号，最多为8 路4结语由P L C 和变频器组成的恒压供水控制系统充分发挥了P L C 内置式P I D 运算模块的优势，可自动调节变频器输出频率，控制各泵的投入和退出，实现恒压供水系统的可靠性高，经济性强，系统在实际应用中也收到了令用户满意的效果 参考文献 1 柴天佑，张贵军基于给定的相位裕度和幅值裕度的P I D 参数自整定方法 J 自动化学报，1 9 9 7，2 3(2)：1 6 7 1 7 2。2 陈立定，吴玉香，苏开才电气控制与可编程控制器 M 广州：华南理工大学出版社，2 0 0 3：8 7 3 霍罡基于P L
11、C 的二自由度P I D 控制算法及应用 J 计算机测量与控制，2 0 0 5(4)：3 4 4 3 4 5 4 张美英，屈飞基于P L C 的双恒压供水控制系统设计 J 机电产品开发与创新，2 0 0 6(6)：1 4 9 1 5 0 5 纪志祥基于s 7 2 0 0P L C 的变频调速恒压供水系统改造设计 J 山东纺织经济，2 0 0 5，1 2(6)：8 5 8 6 T h eP I Dc o n t r o l l e rd e s i g ni nt h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r-s u p p l y i n gs y s
12、t e mb a s e do nP L CL VH u i-f a n g(W u x iI n s t i t u t eo fA r t s&T e c h n o l o g y，Y i x i n gd a n g s u2 1 4 2 0 6。C h i n a)A b s t r a c t：I nt h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r s u p p l y i n gs y s t e m，as u i to fP L Cc o n t r o l l i n gs y s t e mi sb a s e do nv a r
13、i a b l ef r e q u e n c ys p e e d r e g u l a rt e c h n o l o g y，a n di nt h i ss y s t e m，b yc o m p a r i n gt h es e t t i n gv a l ea n dm e a s u r-i n gv a l u eo fp r e s s u r e，t h ed e v i a t i o ni so b t a i n e d T h e nt h ec o n t r o lv o l u m ei so b t a i n e db yt h eP I Do
14、 p e r a t i o nt oa f f e c tt h et r a n s d u c e r T h u st h ep u m pr o t a t i o n a ls p e e di sc o n t r o l l e dt h r o u g ht r a n s d u c e rt oa d j u s tt h ep r e s s u r ei ft h ep i p en e t w o r ka n dr e a l i z et h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l yg o a l T
15、 h ep a p e rd e s c r i b e dt h eP I Dc o n t r o l l e rd e s i g ni nt h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r s u p p l y i n gs y s t e mb a s e do nP L CS 7 2 0 0 K e yw o r d s：c o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r s u p p l y i n gs y s t e m；P I Dc o n t r o l l e r；f r e q u e n c yc
16、 o n t r o l；c l o s e d c y c l eC O n t r o l(责任编辑吴强)5 5万方数据基于PLC恒压供水系统中PID控制器的实现基于PLC恒压供水系统中PID控制器的实现作者：吕惠芳，LV Hui-fang作者单位：无锡工艺职业技术学院,江苏,宜兴,214206刊名：重庆文理学院学报(自然科学版)英文刊名：JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY OF ARTS AND SCIENCES年，卷(期)：2009，28(1)引用次数：0次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.柴天佑.张贵军 基于给定的相角裕度和幅值浴度的PID参数自整定新
17、方法期刊论文-自动化学报 1997(2)2.陈立定.吴玉香.苏开才 电气控制与可编程控制器 20033.霍罡.曹辉.王暄 基于PLC的二自由度PID控制算法研究及应用期刊论文-计算机测量与控制 2005(4)4.张美英.屈飞 基于PLC的双恒压供水控制系统设计期刊论文-机电产品开发与创新 2006(6)5.纪志祥 基于S7-200 PLC的变频调速恒压供水系统改造设计期刊论文-山东纺织经济 2005(6)相似文献(9条)相似文献(9条)1.学位论文 宋英哲 模糊控制在供水系统中的应用研究 2007 本文针对变频恒压供水系统中控制对象数学模型难于精确建立，系统具有非线性和时滞性的特点，设计了模糊
18、PID控制器，通过模糊规则在线调整PID控制器的三个参数。针对恒压供水系统中存在的纯滞后问题，引入Smith预估器进行补偿，并通过MATLAB进行了仿真，结果表明系统的动态响应和稳态精度都得到了加强。系统硬件采用PLC控制变频器实现恒压供水，通过安装在供水管道出口的压力变送器将管网压力转换成电信号，通过设计好的模糊控制器来调节变频器的输出频率，进而调节水泵转速实现恒压供水，当PLC接收到变频器的频率超限信号，可适时进行变频泵逻辑切换。较传统的供水方式相比，该系统具有明显的节能效果和稳定特性，具有广阔的应用前景。2.期刊论文 宋英哲.赵国强.李仲强.SONG Ying-zhe.ZHAO Guo-
19、qiang.LI Zhong-qiang 参数模糊自整定PID控制器在恒压供水系统中的应用-仪器仪表用户2006,13(5)本文提出了一种基于模糊控制理论的恒压供水系统,针对传统PID控制器的特点,将模糊控制技术引入到PID参数自整定过程中,根据不同情况在线自整定PID参数,并采用变频调速技术,节能效果明显,有一定的理论与实际应用价值.3.期刊论文 黄全振.李泉溪.陈素霞.HUANG Quan-zhen.LI Quan-xi.CHEN Su-xia 基于模糊PID控制器的恒压供水系统-仪表技术与传感器2008(7)采用现代模糊控制理论与PID控制算法,设计一个基于SIMATIC CPU224
20、PLC的模糊PID控制器.恒压控制系统由模糊PID控制器、VLT2900变频器和水泵机组组成.解决了传统PID控制算法难以保证系统在任何工况条件下始终具有最佳控制性能的难题.仿真试验和实际运行表明:系统可以在线自整定PID参数,具有较好的自适应能力,控制效果比较理想.4.期刊论文 陈建洪 PID控制程序在恒压供水系统中的应用-龙岩师专学报2004,22(3)小型PLC控制的恒压供水系统中,可通过用户设计PID控制程序,实现系统的PID控制,从而降低系统的投资费用.5.学位论文 田思庆 自适应模糊控制变频恒压供水系统的应用研究 2007 随着人们生活质量的提高和科学技术的进步，人民生活和工业生产
21、对水的供应质量也提出了更高的要求。传统的供水方式，难以保证供水的及时性，且造成能量严重浪费。随着交流电机变频调速技术的日益完善，变频调速恒压供水方式已成为很有发展前途的供水方式。对于供水这样的复杂控制系统，常规的PID控制器由于采用固定的参数，难以保证系统在任何工况条件下始终具有最佳的控制性能。模糊控制是建立在人工经验基础之上，无需知道控制对象的数学模型，它采用语言变量来描述系统特征，并依据系统的动态信息和模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量，具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特点，但缺点是控制精度不高。研究表明，模糊控制和PID控制的结合是提高控制性能的有效手段。为了有效地提高变频调速恒压供
22、水系统的控制精度和鲁棒性，本论文设计了一种参数自适应Fuzzy-PID控制器，利用模糊逻辑对PID参数进行在线调整，对供水系统中的管网压力进行控制。本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理，接着分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，然后设计出了采用模糊控制变频器、PLC及其扩展模块EM235实现的恒压供水。并使用MATLAB中的模糊逻辑工具箱和Simulink进行仿真研究。通过对供水系统PID控制和模糊自适应PID控制进行仿真、比较，得出模糊自适应PID控制器的阶跃响应曲线具有上升快，调节精度高，稳态性能好，过渡过程时间短，超调量小等优点。因而变频恒压供水系统
23、的模糊自适应PID控制是可行的、有效的，它实现了参数的自整定，且优于传统PID控制。最后对系统的软硬件设计进行了介绍。6.学位论文 李俊 基于PID参数自整定的远程恒压供水系统的研制 2008 随着远程通讯技术、交流电机变频调速、单片机等技术的不断发展完善，PID控制理论的不断发展，供水行业的控制水平产生了革命性的飞跃。PID控制器因其优越性，在工业控制中有广泛的应用。伴随着计算机技术的发展，数字PID控制技术也得到了长足的进步。与此同时，多种先进控制算法也与PID控制理论结合。其中与模糊控制理论的结合是典型代表。针对恒压供水系统的硬件特点，本设计最终选定模糊控制理论、遗传算法与传统的PID相
24、结合，并应用于恒压供水系统。该系统是先进PID控制理论、远程通信技术、计算机网络技术和单片机技术在控制系统中的具体的应用。论文集系统硬件各部分设计，上位机和单片机的软件设计、调试于一体，详尽地论述了各环节设计原理、设计过程，结合MATI.AB仿真手段，提出了一些新的设计思路，并且做出相应的系统，进行现场实验分析。基于PID参数自整定的远程恒压供水系统对照常规PID控制系统，动态性能有所改观，抗干扰能力加强，解决很多实际问题，相信它将是现代供水系统的发展方向，并将推广到其它对恒压供水更高要求的领域。7.期刊论文 谢仕宏.朱晓聪.XIE Shi-hong.ZHU Xiao-cong 恒压供水系统模
25、糊PID控制-中国农村水利水电2008(5)当被控对象结构或参数变化时,比例-积分-微分(PID)控制器因参数不能在线调节使得控制性能变差.模糊自适应PID控制器在传统PID控制器基础上,引入模糊逻辑推理,利用被控量偏差及偏差的变化,在线调整PID参数.通过仿真分析得出,在抗扰动性能上,模糊自适应PID控制没有明显的优势,而当被控对象结构或参数变化时,模糊自适应PID控制比PID控制性能优越.8.期刊论文 黄良沛.黄昕.阳小燕 参数自适应模糊PID控制在恒压供水系统中的应用-自动化与仪器仪表2005(4)针对变频调速恒压供水系统具有多参数、非线型、大时滞的特点,设计了一种利用模糊逻辑进行在线参
26、数自适应的Fuzzy-PID控制器.该控制器能够对PID的参数进行在线自动调整,根据不同的工况条件选出合适的控制参数,对供水系统中的水压调节进行有效控制.仿真结果和实际应用表明,采用参数自适应模糊PID控制器后,控制系统的响应速度加快,超调量减小,过渡过程时间大大缩短,振荡次数少,具有较强的鲁棒性和良好的稳定性.9.期刊论文 冯仰新.冯仰敏.李志鸿.FENG Yang-xin.FENG Yang-min.LI Zhi-hong 基于PLC的Fuzzy-PID控制恒压供水系统-电机与控制应用2009,36(2)介绍一种基于可编程逻辑控制器(PLC)的恒压供水模糊-PID(Fuzzy-PID)控制系统.针对城市供水系统普遍存在的大滞后和惯性的特点,把模糊控制和PID控制结合起来,构成具有自调整修正因子的Fuzzy-PID控制器,在应用中获得了满意的控制效果.本文链接：http:/