基于变频调速技术的Bang-Bang+PID恒压供水闭环控制方法

技术领域

本发明涉及基于变频调速技术的恒压供水闭环控制方法，属于工业生产中恒压供水控制的技术领域。

背景技术

恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，管网出口压力保持不变的多台水泵共用母管的供水方式。传统的恒压供水闭环控制系统组成如图1所示，水泵是供水系统的最终执行单元，压力传感器检测的供水管网出口压力作为反馈信号，通过压力变送器，将所述的供水管网出口压力反馈到PID控制器前端，PID控制器在比较给定的压力设定值与反馈的实际压力值之后，向变频器输出频率指令改变水泵电机转速，最终实现对供水管网出口压力的恒压控制，具体控制方法流程如图2，首先将水泵电机输出的管网压力进行采样，得到实际压力值PV(k)；然后计算压力设定值SP(k)与实际压力值PV(k)之间的误差e(k)=PV(k)-SP(k)；PID控制器采用PI算法计算控制量△u(k)=K_P*[e(k)-e(k-1)]+K_I*e(k)，变频器根据PID控制器输出的频率指令进行频率输出，实现对水泵电机的转速控制。

传统的恒压供水系统采用PID算法时，系统稳态误差很小，控制精度较高，但对PID参数的整定相对困难，调节时间较长，且当供水管网特性发生变化（投、切水泵）时，需要重新修正PID控制器各参数，难于快速满足系统各响应阶段的要求。因此随着对供水系统控制性能要求的不断提高，PID控制往往难以达到满意的效果。

所谓Bang-Bang控制，实际上是一种时间最优控制，它的控制函数总是取在容许控制的边界上，或者取最大，或者取最小，仅仅在这两个边界值上进行切换，其作用相当于一个继电器，所以也是一种位式开关控制。这种控制方式在给定值提降及大幅度扰动等情况下，具有比传统PID控制更为优越的性能，在动态质量上不仅调节时间短，而且在超调量等指标上也有一定的改善。为了避免终端控制元件的开关频率过高，造成被控对象总是偏离设定点而导致系统循环振荡，一般在使用Bang-Bang控制策略时，需要为其设置一个“死区”，即工艺要求允许的偏差范围，在“死区”范围内，Bang-Bang控制不输出控制信号。因此，Bang-Bang控制在追求快速性的同时，控制精度和稳定性均难以达到比较高的水平。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统恒压供水压力控制系统中，PID控制器调节时间长、PID参数整定困难、Bang-Bang控制稳定性差的问题，将传统PID控制的高精度与Bang-Bang控制的快速相结合，提出了一种基于变频调速技术的Bang-Bang+PID恒压供水闭环控制方法，对于提升恒压供水系统的控制性能，进而在最大程度上挖掘变频调速的节能潜力，都具有重大意义。

本发明提供的基于变频调速技术的Bang-Bang+PID恒压供水闭环控制方法，将可编程序控制器（PLC）、人机界面（HMI）、压力传感器引入控制环节，与原有的执行机构——变频器一起形成压力闭环。操作时在HMI上写入压力设定值SP、Bang-Bang控制死区△P（△P＞0）、步进调节频率△f（△f＞0）之后，PLC将压力设定值SP(k)与压力传感器采集到的实际压力值PV(k)写入程序进行计算、比较，当二者的偏差e(k)大于死区△P时，PLC启动Bang-Bang控制程序，每一个扫描周期按照步进调节频率△f改变变频器的设定频率；当二者的偏差小于死区△P时，PLC启动PID控制程序，提高压力控制精度。当实际压力值PV(k)与压力设定值SP(k)一致时，变频器的输出稳定在某一频率不再发生变化，压力闭环调整过程结束。

本发明提供的控制方法优点在于：将PID控制的高精度及高稳定性与Bang-Bang控制的快速性及小超调结合起来，当压力偏差较大时，通过频率步进的方式快速改变变频器的设定频率，最终通过PID控制完成对压力闭环的精细调节，避免了母管上投、切水泵时造成较长时间内大的压力振荡。在整个操作过程中只需要一个操作人员在HMI上输入数据，PLC即根据压力偏差自动选择PID或Bang-Bang控制策略，在保证系统的控制精度的同时大大缩短了系统的调节时间。

附图说明

图1是传统的恒压供水闭环控制框图；

图2是传统的恒压供水闭环控制方法流程图；

图3是本发明的Bang-Bang+PID恒压供水闭环控制框图；

图4是本发明的Bang-Bang+PID恒压供水闭环控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明是基于变频调速技术的Bang-Bang+PID恒压供水闭环控制方法，控制框图如图3所示。水泵仍是供水系统的最终执行单元，PLC对HMI输入的压力设定值和压力传感器检测的供水管网出口实际压力值进行采样和误差计算，并根据误差结果判断并选择采用哪一种控制策略，通过PID控制器或者Bang-Bang控制器的输出调整变频器的输出频率，改变水泵电机转速，最终实现对供水管网出口压力的恒压控制。

图3所示的控制框图是本发明提供的控制方法的实现装置，所述的实现装置是对现有技术中的恒压供水闭环控制系统进行的改进，增加了Bang-Bang控制器和误差判断器，所述的Bang-Bang控制器与PID控制器并列作为可选的两个控制器，所述的误差判断器用于对压力设定值和反馈的压力实际值进行比较判断，进而确定选择PID控制器还是Bang-Bang控制器的输出频率给变频器。

所述的控制方法的流程图如图4所示，具体为：

第一步，通过HMI输入管网出口压力设定值、Bang-Bang控制死区△P(△P>0)、步进调节频率△f，PLC程序内设定PID控制器的初始比例增益K_P和积分系数K_I；

第二步，通过压力传感器对供水管网进行实际压力值采样。被控对象为供水管网，采样的供水管网的压力经过A/D转换后的数字信号作为实际压力值PV（k）。k表示采样后的离散值，PV(k)表示PLC该扫描周期采样得到的实际压力值，PV（k+1）表示下一个PLC扫描周期采样得到的实际压力值。

第三步，PLC在每个扫描周期内通过误差判断器对压力设定值SP(k)和压力实际值PV(k)进行采样、比较，计算二者的误差e(k):

                                e(k)=PV(k)-SP(k)

第四步，误差判断器根据误差e(k)对变频器进行频率调整。

当PV(k)-SP(k)>△P时，表明实际的供水管网出口压力比压力设定值大很多，此时PLC开放Bang-Bang控制器，在采样来的变频器实时输出频率f_pv(k)的基础上减小△f，作为新的变频器设定频率f_sp(k+1)，达到快速降低水泵转速的目的。即f_sp(k+1)=f_pv(k)-△f。

当PV(k)-SP(k)<-△P时，表明实际的管网出口压力比压力设定值小很多，此时PLC同样开放Bang-Bang控制器，在采样来的变频器实时输出频率的基础上叠加△f，作为新的变频器设定频率，即f_sp(k+1)=f_pv(k)+△f，达到快速提高水泵转速的目的。操作人员还可在HMI上输入不同的步进调节频率△f，来加快或减缓压力闭环调节的速度，达到平稳、快速调节的目的。

当-△P<PV(k)-SP(k)<△P时，表明实际的管网出口压力与设定值的误差相对较小，Bang-Bang控制已无法平稳、快速地克服该误差对恒压供水系统造成的影响，此时PLC开放PID控制器，根据PI算法计算出的控制量来调整变频器的设定频率。

所述的PI算法计算出的控制量△u(k)为：

                        △u(k)=K_P×[e(k)-e(k-1)]+K_I×e(k)

其中，e(k-1)代表PLC在前一个扫描周期计算得到的误差值，e(k)代表PLC该扫描周期计算得到的误差值，K_P代表PID控制器的比例增益，K_I代表PID控制器的积分系数。

当实际压力值PV(k)与压力设定值SP(k)一致时，变频器的输出稳定在某一频率不再发生变化，压力闭环调整过程结束。