基于智能模糊 PID 控制和 PLC 控制的恒压供暖系统* 作者: 佚名 发布时间: 2004-6-10 PLC Controlled Constant Pressure Heat Supplying System with Fuzzy-PID Controller 山东大学控制科学与工程学院 马永庆 高芳红 杜春水 张承慧 Ma Yongqing Gao Fanghong Du Chunshui Zhang Chenghui 摘 要:本文根据恒压供水原理设计了一个由 PLC 控制的、包括智能模糊 PID 控制器和变频器组成的恒压供暖系统。详细介绍了 PLC 和智能模糊 PID 控制 器在恒压供暖系统中的应用方法和具体实施方案，对部分软件功能加以了阐 述。运行结果表明，该系统稳定性能好，响应速度快，调节精度高，节能效 果良好。 关键词:恒压供水 PLC 变频调速 Abstract: This paper introduced a constant pressure heat supplying system which mainly composed of PLC, FUZZY-PID controller and inverter. Based on the principle of constant pressure water supplying, we present a detail application of siemens PLC and FUZZY-PID controller in a constant pressure heat supplying system，and give out a description of the function of part important software. It was shown that the system has advantages in the aspects of reliability, fast responding speed, high adjusting accuracy as well as saving energy. Keywords: Constant pressure water supplying PLC Variable frequency speed regulation [中图分类号] TM921 [文献标识码] A 文章编号 1561-0330(2002)04-0018-04 1 引言 随着科学技术的发展，所有的工业控制器件都朝着性能优越，自动化程度高 和可靠性高的方向发展。可编程控制器(PLC)以其程序设计简单，通用性强， 可靠性高，组态灵活及适应工业环境的特点，在现代工业自动化领域发挥着 越来越重要的作用。而供水问题则关系到国计民生，日益受到世界各国的普 遍重视。在供水系统中，水泵的电耗往往能占制水成本的 60%以上，在我国， 每年水泵的电能消耗占电能总消耗的 21%以上，这个数字是十分惊人的。若 将两者相结合，并采用变频调速技术对水泵运行进行技术改造，可节电 20-50%，全国每年可节电几百亿度[1]，而且提高了系统的响应速度和调节 精度，减轻了工人的劳动强度。 本文结合供暖现场的实际情况，根据恒压供水的原理设计了一个带智能模糊 PID 调节器的 PLC 控制恒压供暖系统，深入介绍了智能模糊 PID 调节器和西 

门子 PLC 在系统中的具体应用。系统通过压力传感器和智能模糊 PID 调节器 组成闭环，由变频器调节水泵的转速，从而克服了传统的恒速泵站和普通闭 环 PID 调节的固有缺点。现场运行表明，系统运行可靠、稳定性好，节能效 果显著，操作方便，监控及时，整个供水系统的启动性能也得到了有效地改 善。 2 水泵的性能和恒压供水的基本原理 2.1 水泵的基本参数和性能 在恒压供暖系统中，由于我们采用的是水暖的方式，离心泵是用来传送热水 的机械。它同样也广泛用于工业生产和居民生活供水系统中，所以我们在此 对它的讨论并不失一般性。离心泵的输出特性既决定于水泵的种类，也随供 水管网系统的阻力特性曲线不同而异。如图 1 所示是在水泵的转速固定情况 下的流量-扬程(Q-H)曲线和流量-效率(Q-η)曲线，每台泵只有在等于原设 计工况(点 A)时，效率才为最高，显然从图 1 可见，偏离这个工况点后，水 泵的效率下降很快，致使耗能增加，因此我们在设计和控制水泵的运行时， 应当约束水泵的流量范围，保证泵在高效区[Qmin，Qmax]内运行。同时，我 们在选择和使用水泵时，由于用户所需流量和扬程会发生变化，我们必须采 用改变 Q-H 特性曲线的方法来变动水泵的工作状况，使之符合用户要求并高 效运行[2]。 水泵的变速调节是我们用到的主要调节方式，它通过改变水泵的转速来改变 水泵的特性曲线，达到改变水泵工况点的目的。当调节某水泵转速时，流量、 扬程和轴功率分别满足如下的公式: (1) (2) (3) 以上公式说明，当水泵的转速改变时，水泵的流量、扬程和轴功率也随之改 变，即流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方 成正比。由这些关系可知，水泵的 Q-H 特性曲线随着转速的改变在图 1 中是 平行上下移动的，并且采用转速调节流量可以大大减少轴功率，从而起到降 低消耗的作用。 另外，整个供暖系统是由泵站和管网相级联而组成的，当热水流经管道时， 由于受到管道的摩擦阻力的作用而产生一定的扬程损失 Hf。根据流体力学， Hf 可与流量近似成二次方关系: (4) 式中 Sf 称为管网阻力系数，表示在单位流量时扬程在管网中的损失，是由 管网本身决定的。因此，由于 Hf 的存在，泵站的供水设计压力应保证在管 网通过设计流量时能满足控制点用水户压力要求。因此水泵实际应提供的扬 程为: (5) 上式称为管阻特性方程。式中: He 水泵实际应提供的扬程 HST 用户所需要的扬程 Hf 管网中的扬程损失 管阻特性曲线如图 1 中所示，它与流量-扬程(Q-H)曲线的交点 M 就是水泵的 

实际运行工况点，我们可以通过这种图解的方式来得到它。 2.2 恒压供水的基本原理 在水泵恒速运行于工况点 A 时，它所提供的扬程为 HA，此时水泵所提供的扬 程等于所需扬程；如果用水量从 QA 下降为 QB，则水泵新的运行工况点为 B， 根据式(5)，此时管网所需扬程为 HD，而水泵所提供的扬程为 HB，多余的扬 程 白白的消耗在管网中，引起能量的浪费，并且当这个差值很大的时候， 就有可能导致管网破裂，造成用户供水中断和水资源的浪费。 在采用变频驱动泵站恒压供水时，压力传感器检测到的压力信号转换成电流 信号(或电压信号)加至 PID 调节器，PID 调节器将该信号和预设的信号进行 比较和处理，然后将输出信号加至变频器的控制端，控制变频器的给定频率， 从而控制水泵的转速。如图 2 所示，当需水量从 QA 下降为 QB 时，由于管阻 不能突变，水泵运行在暂稳态 B 点，在 PID 调节器的作用下，变频器控制水 泵降速，直到水泵稳定在图中虚线所示的特性曲线上的点 A’ ，实际上由于 系统的响应速度很快，用户的用水量亦不会变化很大，管阻的变化率也不是 很高，因此实际情况可认为是由 A 到 A。此时水泵所提供的扬程仍为 HA’， 虽然比管网要求多提供了 HA-HD 的扬程，但是比不调速的情况下节约了 H8-HA 的扬程。从实际运行的情况来看，这个数值是十令人满意的。 根据式(3)可知，当流量减少使转速下降时，轴功率降低很多。例如:当流量 减少，频率从 50Hz 降到 45Hz，即转速降到 90%时，则轴功率降低到 72.9%， 频率降到 80%时，转速降到 80%，而轴功率将下降到 51.2%。排除由于转速下 降引起的效率下降和附加的变频器的损耗，节能效果也是相当可观的。这就 是变频调速恒压供暖节能的关键之所在[3]。 3 控制系统方案设计 我们根据用户要求、水泵性能特点和恒压供水的原理,设计了如图 3 所示的 恒压供水系统。它的主要组成部分包括压力传感器，变频器，PLC 和智能模 糊 PID 控制器以及水泵和各部分电控系统。其中水泵部分为两台泵，由于供 暖系统包括水盆及洗浴的热水供给，因此要根据需供给水量的变化随时调节 水泵的转速，从而实现恒压变流量供水，满足用户尤其是高层楼房用户暖气 供暖及生活用热水的需求。 我们根据供暖现场的实际需求，选用西门子的 MDV-11 型变频器；调节器选 用日本理化的智能模糊 PID 调节器，它的调节品质优良，技术先进，是一种 采用模糊技术，无超调欠调的新型智能调节仪表；选用西门子的 PLC，用来 控制两台泵的运行逻辑，改变调节器的参数。由此可根据用水量的变化随时 调节水泵的转速，从而实现恒压变流量供水。 PLC 是整个控制部分的核心，负责整个供水系统的逻辑控制。其输入输出全 部为开关量，其主要的输入输出端口设置如图 4 所示。由图可见，整个系统 的电路设计简洁，功能齐全，方便于硬件电路的搭配和软件程序的设计，实 践证明，系统运行稳定可靠，调节精度高，起到了预计的节能效果。 3.1 智能模糊 PID 控制器的应用 PID 算法是最为经典的控制算法，恒压供水中最常用的控制算法就是 PID 控 制，一般其离散表达式记为: (6) 其中 KP、TI、TD 分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数;KI 为积分 

系数，KD 为微分系数。 在大多情况下普通的压力闭环 PID 调节能满足控制的要求，但是也存在如下 的一些问题[4]: (1) 系统 PID(或 PI)参数调整困难，在不同的流量、压力和转速下，对 PID 参数的要求各不相同。 (2) 系统输出水压虽然大体上可以保持在允许误差范围以内，但经常出现频 繁的波动。并在此基础上引起的水泵电机的转速，亦即变频器的输出频率的 波动范围比水压的波动范围还要大。 (3) 由于水泵电机转速的波动而引起的水泵频繁加减速，对于系统节能来讲 是十分不利的。 (4) 当管网所需提供的流量、扬程改变时，原来正在运行的水泵可能需要停 止，原停止的水泵可能需要启动运行。在每次的启动停止过程中，都会对水 泵及驱动电机产生冲击，使水泵和电机的联轴节损坏率提高，将大大缩短水 泵的寿命。 这些问题的存在，从本质上来讲是因为系统中的管道及水泵等环节的精确数 学模型难以建立，它们都是非线性、多变量、且变量之间又交叉耦合，模型 十分复杂。 对于这样一个难以确定数字模型的对象，由于对水压精度要求不高，模糊控 制最为适合。模糊控制不需要知道数学模型，能适应于非线性、时滞系统， 对参数的变化有较强的适应性，从而拥有良好的动态特性，但是由于缺少积 分作用，存在明显的静差[5]。 由以上的分析，我们采用日本理化的智能模糊 PID 控制器它的内部有 PID 控 制器和模糊控制器的切换，从而使系统实现复合控制。在复合控制中，偏差 e 与 e0 做比较，在偏差较小的时候采用 PI 控制，而在偏差较大的时候采用 模糊控制。这样既能降低超调，减小振荡，又能消除系统稳定时存在的静差， 是一种两全其美的选择。 3.2 PLC 程序 PLC 的软件程序主要完成了以下几种功能:首先是在每次启动的时候都能更 换启动泵。即若上次启动的是一号泵，则这次启动的时候将启动二号泵。其 次是自动加泵减泵功能，在一台泵工作时，若压力没有达到所要求的压力， 而变频器的输出频率却已经达到了上限，则自动切换本泵为工频运行，投入 第二台泵为变频运行；在两台泵工作时，若压力达到了要求，而变频器的输 出频率低于设定频率，则停变频泵，将工频泵投变频运行。再者，我们为系 统设置了热备功能，在两台泵都无故障前提下，一台单独运行 8 小时后，将 自动切换另一台泵。最后，故障自切换功能保证了在有备用泵的前提下，在 运行泵出现故障时可以自动切换到备用泵，从而防止出现停水事故和停泵水 锤对管网及泵站造成破坏。程序的简明流程图如图 5 所示。 4 结论 本文为克服传统的压力闭环 PID 控制的缺点，结合供暖现场的实际情况，采 用智能模糊 PID 控制器，根据恒压供水的原理设计了一个由西门子 PLC 控制 的变频调速恒压供水系统。使用结果表明，系统的控制方法先进，性能优越， 功能齐全，使用方便可靠，尤其是能自动调整运行参数，从而可以保证系统 运行在最佳状态。 

本系统虽是针对供暖而设计，但是它根据的是恒压供水的原则，因而具有一 定的针对性和应用广泛性。它与普通的 PID 控制变频调速系统相比，具有低 超调，压力稳定等显著优点，节水节电的效果都十分显著，其经济和社会效 益十分广泛。 5 参考文献 [1] 张承慧,变频调速系统效率优化控制:理论及其应用，山东大学博士论 文,2001 [2] 郁汉琪，陆宝春等. 基于专家 PID 调节的变频调速恒压供水系统的研究. 电气传动自动化，1998,20(1):41~44 [3] 段文泽等. 泵站调速节能的自适应控制. 电气传动，1990,20(5):38～ 45 [4] 张文修.模糊控制恒压供水系统. 电气自动化，1996,3:22~23,40 [5] 刘国荣，阳宪惠等. 模糊自适应 PID 控制器. 控制与决 策,1995,10(6):558～562 * 山东省自然科学基金资助项目 编号:Y2001G01