基于PLC双闭环控制供水系统的研究

　　0　引　言

　　今天城市高楼建设快速发展,传统的定压供水方式弊病很多,诸如管理不便,对系统造成二次污染,设备使用寿命短,维修量大,效率低下,电能的浪费严重等。针对上述问题,本文设计以PLC为核心的变频恒压供水系统,提出转速和水压的双闭环控制,采用自整定模糊P ID控制算法,以水泵电动机的转速和管网水压为设定参数,由PLC控制投入运行水泵的数量,改变变频器的输出系统频率自动调整水泵电机的转速,实现恒压供水。

　　1　供水系统的组成

　　供水系统如图1所示,由三台泵组成,一台可编程控制器和一台变频器切换控制任一台电动机调速。水泵可变供电回路由工频回路和变频器提供的变频回路组成,通过PLC和变频器将各台水泵按照先启先停的原则,依照一定的规律顺序投入运行和顺序停止运行,使整个的供水回路处于最佳的配置状态。变频器则具体的微调当前水泵的转速,使转速变化跟随管网压力变化(实际上是跟随用户用水量的变化) 。触摸屏是可编程控制部分,它负责对整个系统进行监控,操作员如果有什么控制要求,比如参数设置、手启泵、手停泵等,也可以通过触摸屏传递给PLC。

　　2　双闭环PID控制器设计

　　双闭环模糊自整定P ID控制器如图2所示,在常规的水压闭环P ID基础上,以被控水泵电机的转速和管网压力的反馈值与目标值的误差E和误差变化率EC作为输入,用模糊推理的方法对P ID的参数Kp、Ki、Kd进行在线自整定,以满足不同E和EC对控制器参数的不同要求,从而使被控对象具有良好的动态性能和静态性能。

　　2. 1 控制策略选择原则

　　根据系统在受控过程中的原则对应不同的E和EC,以误差E的大小作为自调整修正因子模糊控制与P ID控制的切换条件, ︱E︱ = Eb 为切换点。控制策略选择原则归纳如下:

　　(1)当︱E︱较大时( ︱E︱ > Eb ) ,说明误差的绝对值较大,采用水压外环自调整模糊P ID控制,以提高系统的动态响应速度。Kp 取较大值,以提高相应的快速性;为防止︱EC︱瞬时值过大, Kd 应取较小的值;为了避免出现较大的超调,应对积分加以限制,通常取Ki = 0。

　　(2)在当︱E︱误差切换点时( ︱E︱ = Eb ) ,以及系统允许的误差范围内( ︱E︱≤Ea ) ,系统不调整,保持上一次的动作。

　　(3)当︱E︱较小时( Eb > ︱E︱ > Ea ) ,为了使系统具有很好的稳定性,采用转速内环P ID控制,以消除静态误差,提高控制精度。

　　2. 2 软件设计

　　2. 2. 1 水压闭环软件设计

　　为了提高控制精度,加快系统的响应能力,水压闭环采用自整定模糊控制PID控制策略,根据模糊推理和模糊逻辑运算规则去修改各种控制参数。本文取M= 25,N =5,把速度误差分为9个等级,即25, 24, 23, 22, 21, 0, +1, +2, +3, +4, +5。将偏差e、偏差变化率ec、输出量u的变化范围设定为[ 25, + 5 ]区间连续变化量,使之离散化,构成含7个整数元素的离散集合,即{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},用英文字母表示为{NB,NM,NS, ZO, PS, PM, PB}。这里假设误差e、误差变化率ec和输出控制变化量u的论域为: