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宇电仪表在恒压供水中的应用

2012/9/14 0:03:01

宇电仪表在恒压供水中的应用

陈伟（厦门大学自动化系，福建厦门 361005）
摘要：介绍由AI人工智能调节器和PLC等组成的变频调速恒压供水系统，阐述了该系统的实现方案及线路原理。由于AI仪表的自学习的模糊控制算法，使系统具有结构简单、运行稳定、性能指标高等优点。
关键词：供水；变频；AI智能调节器

引言

恒压供水在工业和民用供水系统中已普遍使用，由于系统的负荷变化的不确定性，采用传统的PID算法实现压力控制的动态特性指标很难收到理想的效果。在恒压供水自动化控制系统的设计初期曾采用多种进口的调节器，系统的动态特性指标总是不稳定，通过实际应用中的对比发现，应用模糊控制理论形成的控制方案在恒压系统中有较好的效果。在实施过程中选用了AI-808人工智能调节器作为主控制器，结合FX1N PLC逻辑控制功能很好地实现了水厂的全自动化恒压供水。对于单独采用PLC实现压力和逻辑控制方案，由于PLC的运算能力不足编写一个完善的模糊控制算法比较困难，而且参数的调整也比较麻烦，所以所提出的方案具有较高的性价比。

工作原理

压力传感器检测出水总管压力，经变送器送至AI-808仪表，与设定值比较得到压力误差和误差变化率，经AI-808特有的模糊、PID相结合的控制算法运算后，将输出控制信号（4~20mA）送到变频器控制端。通过调节频率从而使出水管压达到要求指标。当用户和水量增加时，在一台水泵变频达到50Hz仍不能满足供水压力要求，PLC将检测到AI-808调节器的压力低信号，按其逻辑及工艺要求，加入另1台水泵工频运行；同样，在用户用水量下降，PLC通过收到AI-808调节器的水压高信号后，将其中1台工频水泵退出运行。 系统运行时，变频器是固定控制某一台水泵，不实施多台水泵切换的方法。这样可以避免频繁切换对系统及变频器造成的冲击，并具有较高的可靠性。同时也考虑到灵活性及检修等方面，系统可采用手动方式选择2台水泵中的1台变频运行，也可以减少某1台水泵长期低频运行所造成的损耗。

控制算法

工业过程中常用的PID控制器适用于线性定常系统，而供水系统的对象时常含有非线性、时变环节，而且有些参数未知式缓慢变化，因此单独采用PID控制较难达到理想的控制效果，AI人工智能调节器采用模糊控制和改进PID相结合的双模控制算法，入图2所示

　　　　　　　　
当控制开始时，误差e=Y-s较大，即偏差| e |≥EM时（EM为双模控制算法e的边界值），系统采用模糊控制算法，具有较好的动态性能。在误差逐渐减小，即偏差| e |将误差e和误差变化率c整量化及模糊化后，采用带修正因子的模糊控制规则：
P=[αe+(1+α)c]
式中：P为控制量U的整量化值；α为修正因子，介于0，1之间的数。
改变α的值可以改变双模算法的模糊控制规则，从而改变系统的动态品质。AI调节器在调节过程中具有自学习、自调整功能。
改进型PID算法采用抗积分饱和及不完全微分方式。其传函形式为：

　　　　　　　　　　　　　
式中：KD为微分增益，在阶跃作用下，PD输出初始值和最终值之比；为限制微分突变作用太强，KD取值不宜过大，一般取5～10。
在调试过程中，在定值变化时控制系统调节过程中如图3。在通过调节阀门反映负荷变化时其调节过程如图4所示。

设备选型及功能 　AI-808人工智能工业调节器

AI-808人工智能调节器具有模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。在误差大时，运用模糊法进行调节，以消除PID饱和积分现象；当误差减小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。其具有无超调、高精度、参数确定简单，对复杂对象也能获得较好控制效果等特点。其整体调节效果比一般的PID算法更明显。这一点在系统调试中得到验证，起初选用日本生产的单纯PID调节器，在用水量变化和水泵投退过程中，其超调量和稳定时间均不理想，在改用AI-808智能仪表后，其动态、静态指标均满足了要求。　

可编程控制器

选用FX1N系列可编程控制器，输出为继电器类型。由于PLC只完成水泵自动切换等逻辑功能，所以不需要模拟量输入输出模块，从而节省了投资，系统的压力闭环控制由AI-808人工智能仪表完成，其算法的优越性远高于PLC内部较为简单的PID算法。　

变频器

采用艾默生TD2000-4T2000P型变频器,适用于水泵型负载。可通过手动电位计或AI-808调节器输出的电流信号来控制频率。这二种模式的切换由操作台手动/自动开关来实现。将变频器多功能端子定义为电位计-电流信号控制模式。　

控制台

系统控制台设计兼顾了手动和自动2种操作方式。手动状态下，每一台水泵和阀门都可以单独开启/停止，变频器频率可通多圈电位计手动调节；在自动模式下，通过选择开关确定要投入运行的水泵，这样在某台水泵维修时，可以让其退出自动运行的行列，而不影响系统的正常运行。控制台除了PLC、AI-808调节器外，还设有水位显示仪、分管压力显示仪、频率表。

参数设置

AI-808调节器提供丰富的用户设置方式，使其对不同的控制均能达到满意的控制效果。参数设置决定系统的静态和动态性能，该系统的参数设置如下：给定值：0.43~0.47Mpa
HIAL：上限报警，不用。
LOAL：下限报警，不用。
dHAL：正偏差报警，系统用于控制水泵的切换，Dhal=0.05
dLAL：负偏差报警，系统用于控制水泵的切换，dLAL=0.05.
Df：回差（死区、滞环），用于避免因测量输入值波动而产生频繁调节作用，在回差范围内位式调节不起作用，Df=0.05。
Ctrl：控制方式，采用AI人工智能调节/PID调节，Ctrl＝1。
M5：保持参数，主要决定调节算法中的积分作用，和PID积分时间类似，M5越小，系统积分作用越强。M5=0时取消积分和AI人工智调节，成为PD调节器，系统值=25。
P：速率参数，与每秒内仪表输出变化100%时测量值时应变化大小成正比，P=1000/每秒测量值的升高单位值（系统以0.1定义为一个单位），P=5。
T：滞后时间，t越小，则比例和积分作用均成正比增强，而微分作用相对减弱，但整体反馈作用增强：反之，t越大，则比例和积分作用均减弱，而微分作用相对增强，t=4。
Ctl：输出周期，反映仪表运算调节的快慢，Ctl=2。
Sn：输入反馈信号类型，Sn=33，信号为1~5V。

结语

系统采用AI-808人工智能调节器和FX1N PLC相结合的变频调速恒压供水方案已在现场运行多年，情况表明：
(1)用AI人工智能调节器，采用模糊控制和PID结合的控制方案，发挥了2种控制器的优点，达到较好的动态和稳态指标，对系统压力调节具有恢复时间快、超调小等优点。其自整定功能为用户提供了一种方便快捷的参数设置方法，系统稳定误差在 ±0.01Mpa。
(2)电机功率为180kW，采用单台变频切换的方式有利于降低系统造价。
(3)变频调速系统使水泵电机在软起动下运行，无冲击电流、使用寿命长，同时具有良好的节能效果。