供水廠電氣及儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)-資料下載頁(yè)

【導(dǎo)讀】根據(jù)村鎮(zhèn)的供水的要求，設(shè)計(jì)了一套電氣及儀表控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)。壓供水控制系統(tǒng)由變頻器、壓力傳感器、水泵機(jī)組、數(shù)字顯示儀表等組成。先把水源井中的水注入加壓站的蓄水池中，然后由加壓泵從蓄水池通過(guò)變頻調(diào)速。蓄水池包含三臺(tái)潛水泵電機(jī)控制水位，依據(jù)水位的不同，啟動(dòng)不同臺(tái)數(shù)的潛水泵，功率大一臺(tái)的應(yīng)采用降壓?jiǎn)?dòng)。同時(shí)包含三臺(tái)加壓水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行系。定值附近，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

　　

【正文】 ID算法與模擬的 PID算法相比較，它具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)P、 I、 D三個(gè)作用是相互獨(dú)立的，可分別整定，若沒(méi)有調(diào)節(jié)器參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)問(wèn)題，則不需要考慮到干擾系數(shù)。 (2)在使用計(jì)算機(jī)、 PLC或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)，等效的 TI和 TD可在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由選擇，但是在模擬式的調(diào)節(jié)器中，因?yàn)榫€路與元件在性能上的限制，可以調(diào)整的范圍要小得多。 (3)積分和微分控制作用某些改進(jìn)，較之常規(guī)的調(diào)節(jié)器更為靈活。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 17 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法， 它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩 ， 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。 PID 參數(shù)整定的相關(guān)原則 針對(duì)一個(gè)較為具體的系統(tǒng)，具體的設(shè)置及調(diào)整 PID參數(shù)，以使調(diào)節(jié)的過(guò)程達(dá)到用戶滿意的品質(zhì)，我們稱之為參數(shù)整定，無(wú)論是用常規(guī)的調(diào)節(jié)器還是用數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器，都統(tǒng)稱之為調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。下面列舉一些簡(jiǎn)單的準(zhǔn)則： (1)若廣義對(duì)象的傳函是 000/( 1)sK e T s?? ? ， 比例增益是 cK ，那么整個(gè)系統(tǒng)的總開(kāi)環(huán)增益就是 0cKK，若在其他因素都相同的情況下，當(dāng) 0K 較大時(shí)，cK 就應(yīng)該稍微小一些， 0K較小的時(shí)候， cK 就應(yīng)該稍微大一些。比如，變更了變送器的量程之后，調(diào)節(jié)器的 cK 就應(yīng)該按一定比例調(diào)整。如果控制系統(tǒng)的壓力傳感器的測(cè)量范圍原來(lái)是 0~ MPa，改為0~1MPa， cK 則應(yīng)降到原來(lái)的 3/5。 (2)在動(dòng)態(tài)參數(shù)的方面，可取 00/T? 作為特征值。 00/T? 的值越大，系統(tǒng)越不容易穩(wěn)定，所以 cK 應(yīng)該盡量小一些。與此同時(shí)， iT 和 dT 也應(yīng)該取到適當(dāng)?shù)臄?shù)值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)上 經(jīng)常取 iT 是 2? 左右， dT 是 5? 左右。因此，如果有 ? 的估計(jì)值，那么 iT 和 dT 值就不難決定出來(lái)了。 (3)在 P、 I、 D 三個(gè)作用中，比例作用經(jīng)常是最基本的控制作用。 從這一點(diǎn)出發(fā)，可內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 18 從兩條途徑其中一個(gè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的湊試 : ① 先用單純的比例作用，選出適當(dāng)?shù)?cK 的值，作為基礎(chǔ)，再適當(dāng)?shù)囊?IT 和 DT ，將 IT 與 DT 值進(jìn)行挑選。 ② 依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，把 IT 和 DT 置于適當(dāng)?shù)臄?shù)值，再主要對(duì) cK 值完成湊試，得到最合宜的數(shù)值。 以上兩條途徑從表面上來(lái)看是截然相反的，但是它們都是以承認(rèn)比例作用作為主體、作為前提的。 (4)積分作用引入有利有弊。我們必須盡可能的發(fā)揮它能夠消除余差的好處，盡量縮小它的弊端。一般情況下取 2IT ?? 或 ? ? ~ 1IPTT? （ PT 是振蕩周期）在以上的情況下 ，由積分作用引起相位的滯后少于 40 ，幅值的比例增加少于 20%。在引入積分作用后， cK應(yīng)比單純比例作用時(shí)減小 10%左右。 (5)對(duì)于含噪音的過(guò)程，不適宜引入微分作用，否則的話高頻分量放大得厲害。 (6)在控制品質(zhì)的方面，穩(wěn)定性要求是前提。若只有一個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)可調(diào)整，那么只能滿足其中一個(gè)品質(zhì)的指示，通常取衰減比當(dāng)作指標(biāo)。若兩個(gè)參數(shù)可調(diào)整，可在衰減比之外，另外添加一個(gè)指標(biāo)。 PID 控制算法及特點(diǎn) （ 1） PID 控制 算法的一般形式 PID 控制器是根據(jù)設(shè)定值 r(t)和反饋值 c(t)構(gòu)成的控制偏差： ( ) ( ) ( )e t r t c t?? （ 31） 將偏差進(jìn)行比例 （ P） 、積分（ I）和微分 (D)運(yùn)算，并經(jīng)線性組合后構(gòu)成相應(yīng)的控制量，對(duì)受控對(duì)象來(lái)進(jìn)行控制。它的控制規(guī)律是： ? ?01 ( )( ) ( ) t DId e tu t K p e t e t TT d t??? ? ?????? （ 32） 或 ? ?01 1 ( )( ) ( ) t DId e tu t e t e t TT d t? ??? ? ?????? （ 33） 式中： KP— 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； Ti— 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間； Td— 調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間； e— 調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 19 δ — 比例帶，它是慣用增益的倒數(shù)； u— 輸出。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，控制器的各校正環(huán)節(jié)的作用如下： ① 比例環(huán)節(jié)：成比例地反應(yīng)出控制系統(tǒng)偏差信號(hào) e(t)，若偏差一旦產(chǎn)生，則控制器會(huì)立即產(chǎn)生的控制作用以便減小誤差。 ② 積分環(huán)節(jié)：主要用在消除靜差，提高系統(tǒng)無(wú)差度，積分作用強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) TI， TI越大，積分作用越弱， TI 越小，積分作用則越強(qiáng)。 ③ 微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏 差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率 )，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期的修正信號(hào)，以加快系統(tǒng)中的動(dòng)作的速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間 Ts。 PID 調(diào)節(jié)器的傳函是： ? ? ? ?111cDIG s T sT? ??? ? ????? (34) 當(dāng)控制算法的公式只包含其中的第一項(xiàng)時(shí)，稱之為比例作用，若只包含其中的第二項(xiàng)時(shí)，稱之為積分作用，但如果只包含其中的第三項(xiàng)是單純微分作用，一般是不采用的，因?yàn)樗鸩坏绞贡豢刈兞口呄蛴谠O(shè)定值的效果，若只 包含第一和第二項(xiàng)的則是 PI 作用，若只包含第一和第三項(xiàng)則是 PD作用，若同時(shí)包含三項(xiàng)則是 PID 作用。 僅用 P進(jìn)行控制時(shí)，不能完全的消除偏差。為了能消除殘留的偏差，一般都采用增加 I 的 P+I 的控制。用 PI 進(jìn)行控制時(shí)，能夠消除因改變目標(biāo)值與外來(lái)擾動(dòng)等等帶來(lái)的偏差。但是，積分動(dòng)作過(guò)強(qiáng)的時(shí)候，對(duì)于快速變化的偏差響應(yīng)較遲緩。對(duì)有積分的元件負(fù)載的系統(tǒng)可以單獨(dú)的使用比例動(dòng)作進(jìn)行控制。 對(duì)于比例微分控制，當(dāng)發(fā)生偏差的時(shí)候，很快的產(chǎn)生了比單獨(dú)微分的動(dòng)作較大的操作量，以便來(lái)抑制偏差不斷的增加。當(dāng)偏差較小時(shí)，比例動(dòng)作的作用就減小。控制 的對(duì)象含積分元件的場(chǎng)合，僅比例動(dòng)作起到控制，有的時(shí)候由于該積分元件作用，系統(tǒng)便發(fā)生了振蕩。在此種場(chǎng)合，為使比例動(dòng)作振蕩衰減與系統(tǒng)穩(wěn)定，可使用比例為分進(jìn)行控制。也就是說(shuō)這種控制方式適用在過(guò)程本身沒(méi)其它有制動(dòng)作用的負(fù)載。 利用比例動(dòng)作消除偏差的作用與利用微分抑制振蕩作用，結(jié)合積分動(dòng)作便構(gòu)成了PID 控制，該系統(tǒng)就是采用了此種方式。當(dāng)采用 PID 控制時(shí)比較其它組合的控制效果會(huì)要好，基本上就能夠獲得無(wú)偏差、系統(tǒng)穩(wěn)定和精度高的控制過(guò)程。該種控制方式適用于產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)的負(fù)載系統(tǒng)效果比較好。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 20 （ 2） 離散 PID 控 制算法 在用單片機(jī)、計(jì)算機(jī)、 PLC 等等作為控制裝置進(jìn)行直接數(shù)字控制的時(shí)候，對(duì)于各個(gè)被控制變量的離散處理在 直接數(shù)字 控制的特點(diǎn)就是采樣控制，而且將每個(gè)被控制變量的測(cè)量值隔與設(shè)定值定時(shí)進(jìn)行比較，按預(yù)定的控制算法取得輸出值，通常把它保留直到下一個(gè)采樣時(shí)刻。 離散 PID控制算法主要分為兩類(lèi)，第一類(lèi)叫位置型算法，第二類(lèi)叫增量型算法，第三類(lèi)叫速度型算法。 位置型算法如下： ? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )k dp ji TTu k k e k e j e k e kTT???? ? ? ? ?????? （ 35） 上式可該寫(xiě)為： ? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )kp i dju k K e k k e j K e k e k?? ? ? ? ?? （ 36） 增量算法如下： ( ) ( ) ( 1)u k u k u k? ? ? ? ? ? ? ?( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2)p i dK e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 37） 上面各式中： T— 采樣周期； e(k) — 第 k次采樣時(shí)的誤差值； e(k1) — 第 k1次采樣時(shí)的誤差值； Kp— 比例系數(shù)； /i p iK K T T? — 積分系數(shù)； /d p dK K T T? — 微分系數(shù)。 上述幾種離散型 PID 算法中，工業(yè)上最常采用的是增量型算法。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 21 補(bǔ)水 部分的設(shè)計(jì) 硬件電路圖 圖 某村鎮(zhèn)供水廠 基于 電氣及儀表控制的 恒壓供水系 統(tǒng) 補(bǔ)水部分的 主電路如 上 圖 31 所示 。 三臺(tái)電 動(dòng) 機(jī)分別為 M M M3。 QS1是 使 系統(tǒng) 三相電 通 電的隔離開(kāi)關(guān)， QF QFQF3分別為控制 3臺(tái)電動(dòng)機(jī) 通 電的空氣開(kāi)關(guān)，起到短路保護(hù)的作用， KM KM KM3 分別為 三臺(tái) 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)接通 的 接觸器 ； KM KM5分別為自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)接通時(shí)的接觸器， FR FR FR3 分別 是 三臺(tái) 潛 水泵 過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 22 圖 某村鎮(zhèn)供水廠 基于 電氣及儀表控制的 恒壓供水系統(tǒng) 補(bǔ)水部分的控制回 路如 上 圖 所示 。 QF4 是 給 控制回路 上電 的兩相空 氣開(kāi)關(guān) ； HL1是當(dāng)控制回路通電時(shí)的指示燈 ； HLHL HL4 分別為 三臺(tái)電機(jī) M M M3 運(yùn)行時(shí)的指示燈 ； HL HL HL7 分別 是三臺(tái)電機(jī)M M M3 過(guò)載時(shí)的指示燈 ； FT FT FT FT4分別為液位傳感器的四個(gè)限位開(kāi)關(guān)的常開(kāi)觸點(diǎn)，能夠自動(dòng)的控制電機(jī)的起停 ； KV KV KV3 是 3 個(gè)中間繼電器，利用他們的常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)可以 控制 電機(jī) 的通斷； SB SB SB SBS SBS SBS3 分別為 3組啟動(dòng)、停止按鈕，可手動(dòng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制； KM KM KM KM KM5 分別為接 觸器的線圈，當(dāng)接觸器通電，線圈先得電， 接著 其常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)動(dòng)作； KT1 是時(shí)間繼電器，可以進(jìn)行得電延時(shí)和斷電延時(shí)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 23 補(bǔ)水部分的工作原理 合上隔離開(kāi)關(guān) QS1，系統(tǒng)通上 三 相電，之后合上隔離開(kāi)關(guān) QF QF QF QF4， 3臺(tái)電機(jī)得電， 同時(shí) 控制回路通電，指示燈 HL1點(diǎn)亮。 在控制回路里，將萬(wàn)能裝換開(kāi)關(guān)打至手動(dòng)位置時(shí)， 103 號(hào)線通電。 此時(shí)，按下運(yùn)行按鈕 SB1，線圈 KM1 得電吸合 ， 使其主觸點(diǎn)在主回路吸合，而且 常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使得在松開(kāi)運(yùn)行按鈕 SB1時(shí)，線路自鎖， 1電機(jī)啟動(dòng) 。此時(shí) HL2 指示燈點(diǎn)亮。當(dāng) 1電機(jī)運(yùn)行，由于 某種原因（如水池已達(dá)超高水位、系統(tǒng)電路有故障時(shí)等）按下停止按鈕 SBS1，線圈KM1 失電釋放 ,1電機(jī) 停止運(yùn)行。當(dāng) 1電機(jī)過(guò)載時(shí)，熱繼電器 FR1 的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)， 1電機(jī)停止運(yùn)行，起到了保護(hù)電機(jī)的作用，同時(shí)當(dāng) 1電機(jī)過(guò)載時(shí)，指示燈 HL5 點(diǎn)亮。 同理， 2電機(jī)的工作原理同 1電機(jī)的相同。按下運(yùn)行按鈕 SB2，線圈 KM2 得電吸合，使其主觸點(diǎn)在主回路吸合，而且 其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使得在松開(kāi)運(yùn)行按鈕 SB2 時(shí)， 線路自鎖， 2電機(jī)手動(dòng)啟動(dòng)。此時(shí) HL3指示燈點(diǎn)亮。當(dāng) 2電機(jī)運(yùn)行，因某種原因（如水池已達(dá)超高水位、系統(tǒng)電路有故障時(shí)等） 按下停止按鈕 SBS2，線圈 KM2 失電釋放 ,2電機(jī)停止運(yùn)行。當(dāng) 2電機(jī)過(guò)載時(shí)，熱繼電器 FR2的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)， 2電機(jī)停止運(yùn)行，起到了保護(hù)電機(jī)的作用，同時(shí)當(dāng) 2電機(jī)過(guò)載時(shí)，指示燈 HL6 點(diǎn)亮。 當(dāng)按下運(yùn)行按鈕 SB3 時(shí)，線圈 KM4 和線圈 KM5同時(shí)得電吸合， 其主觸點(diǎn) 在主回路 得電閉合，常開(kāi)觸點(diǎn) KM4 閉合 ，使運(yùn)行按鈕 SB3 自鎖， 3 號(hào)電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)，同時(shí)時(shí)間繼電器 KT1 得電，開(kāi)始延時(shí)，延時(shí)到達(dá)設(shè)定值 1min 時(shí)，其延時(shí)斷開(kāi)常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，延時(shí)閉合常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使得 KM KM5線圈 同時(shí) 失電，其主觸點(diǎn)及常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi) 、常閉觸點(diǎn)閉合 ，同時(shí)