一种基于分时段智能pid调节器的变频调速供水系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，改变了常规变频控制系统的供水运行模式，将原来的全天24小时不分用水高峰、低谷的恒压力变流量供水方式，改变为将全天24小时划分为峰、次峰、谷、次谷、平、次平等若干个调节时段进行变压力变流量供水；既大量的节约电能、水量消耗，又延长了供水工艺设备、管网管线的使用寿命；并且避免了因用水低谷时段常规变频控制系统恒压力供水运行、致使供水系统管网压力过高而造成管线穿孔等故障的发生，又确保了用水高峰时段的可靠供水，符合供水行业畅导的“多供、少损、降耗、增效”的要求。
【专利说明】—种基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及供水系统【技术领域】，具体地，涉及一种基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统。
【背景技术】
[0002]常规型PID调节器，将供水压力参数设置为一固定值，该值是变频调速供水系统全天(24小时)用水高峰时的压力值，常规型PID调节器将根据该固定值进行调节；调节器不能根据用水压力需求量大小自动进行压力值的整定，PID控制器参数的整定一般需要现场来完成，实时性差，不能满足在线实时调节要求，即耗时费力，整定效果较差。
[0003]常规PID控制:常规即传统PID调节控制，是自动控制中产生最早的一种控制方法，在实际控制工程中的应用广范。然而，传统的PID控制算法有它的局限性和不足之处，只有在系统模型参数为非时变的情况下才能获得理想的效果，当应用到时变系统时，系统的性能变差，不能满足系统自适应的调节控制要求。另外，在对PID参数整定过程中，往往得不到全局性的最优值。因此，这种调节控制无法解决动态供水需求和节能降耗的要求。
[0004]在常规控制系统中，PID控制是算法比较简单、功能比较完善、效果比较好的一种控制算法，其一般形式为:
[0005]u (n) =Kpe (n) +K1 Σ e (η) +Kd Δ e (η) (I)；
[0006]公式中:η为米样序号；u(n)为第η次米样时刻的控制器输出；e(n)第η次米样时刻输入的偏差；Ae(Ii)第η次采样时刻输入的偏差与第n-Ι次采样时刻输入的偏差之差；Kp比例增益；K1积分系数(K1=KpT / T1) ;KD微分系数(Kd=KpTd / T) ;T为一采样周期，1\、Td分别为积分时间常数和微分时间常数。
[0007]由于控制对象即供水流量变化时，其变化范围很大，若采用一组固定的PID参数，则各供水流量变化区的控制效果不能兼顾，控制效果较差。
[0008]在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在动态性能差、节能效果差和控制效果差等缺陷。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，以实现动态性能好、节能效果好和控制效果好的优点。
[0010]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，包括用于将采集所得监测数据y与设定数据组R进行比较的比较器，以及依次与所述比较器的输出端连接的智能控制器、供水压力采集模块和数据检测模块；所述数据检测模块的输出端与比较器的反馈输入端连接，用于向比较器输入采集所得监测数据I ;所述智能控制器的第一输入端与比较器的输出端连接，智能控制器的第一输出端与供水压力采集模块的输入端连接，智能控制器的第二输出端与变频器的主机连接，以实现调速控制。[0011]进一步地，以上所述的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，还包括分别与所述比较器的输出端和智能控制器的第二输入端连接的模糊规则与推理模块；所述模糊规则与推理模块的第一输入端与比较器的输出端连接，模糊规则与推理模块的输出端与智能控制器的第二输入端连接，解决了常规PID控制器不能在线实时整定运行参数。
[0012]进一步地，以上所述的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，还包括分别与所述比较器的输出端与模糊规则与推理模块的第二输入端连接的微分器d / dt，解决常规PID控制器对于非线性、时变得复杂系统和模型不清的系统不能平滑的控制问题。
[0013]进一步地，所述智能控制器，包括能够实现智能分段控制的PID控制器或可编程数字调节器，利用模糊逻辑与推理模块根据供水量的实际需求变化来实现的一种数据集合给定控制，是模糊集合论在“恒压变量”供水运行控制中的具体应用。
[0014]进一步地，所述PID控制器，具体为供水压力动态调节智能PID控制器，根据全天24小时用水量变化进行形式化处理并引入控制过程，再运用比较严密的数学处理，实现模糊推理，进行判断决策，以达到令人满意的控制结果。
[0015]进一步地，所述供水压力采集模块，包括安装在供水系统开关处的压力传感器，尔后将根据模糊集合论、单片机控制技术研发集合而成的智能分段控制的PID控制器应用到恒压供水运行调节控制之中。
[0016]进一步地，所述数据检测模块，包括依次连接在供水压力采集模块的输出端与比较器的反馈输入端之间的滤波模块和A / D模块，解决了常规供水所采用的PID控制器，只能在单台供水离心泵最小排量与最大排量之间进行设定压力的跟踪调节，不能满足用水量呈现阶梯状跳跃变化的需求，不具备时变复杂系统的控制输出功能，无法适应连续跟踪、自动调整、平稳供水、可靠运行的控制要求。
[0017]本发明各实施例的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，由于包括用于将采集所得监测数据I与设定数据组R进行比较的比较器，以及依次与比较器的输出端连接的智能控制器、供水压力采集模块和数据检测模块；数据检测模块的输出端与比较器的反馈输入端连接，用于向比较器输入采集所得监测数据I ;智能控制器的第一输入端与比较器的输出端连接，智能控制器的第一输出端与供水压力采集模块的输入端连接；可以根据供水压力及流量范围，改变测量量程，提高测量精度，任意变更上、下限设定值；从而可以克服现有技术中动态性能差、节能效果差和控制效果差的缺陷，以实现动态性能好、节能效果好和控制效果好的优点。
[0018]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
[0019]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中:
[0021]图1为本发明基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统的控制结构框图；
[0022]图2为本发明基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统中PID控制供水压力曲线图；[0023]图3为本发明基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统中水泵节能的原理比较曲线图。
【具体实施方式】
[0024]以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]建设节能型社会是当前普遍关注的问题，智能分段PID在变频调速供水系统中的节能应用，是为保证油田矿区24小时不间断供水，在用水高峰和低谷时，通过智能分段PID调节控制根据用户用水量的大小将供水压力进行分段、不同时段对应不同的供水压力；通过变频器进一步微分离心泵转速、调节供水流量的增加或减少；将传统的“恒压-变量”供水运行方式、改变为“变压-变量”运行方式，缩小用水高峰与低谷时的无效压力差值，达到节约电能、降低设备损耗、延长供水设施使用维修周期的目标。
[0026]通过对常规的PID在变频调速供水系统使用中局限性的分析，根据本发明实施例，如图1-图3所示，提供了一种基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统。该基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，提出了用智能分段PID进行控制；智能分段PID自动调节控制器，根据供水压力及流量范围，可改变测量量程，提高测量精度；可任意变更上、下限设定值，而常规普通PID控制无法实现这些功能；智能分段PID控制对提高供水离心泵效率、降低电耗具有非常好的节电效果。
[0027]如图1-图3所示，本实施例的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，可以包括用于将采集所得监测数据I与设定数据组R进行比较的比较器，以及依次与比较器的输出端连接的智能控制器、供水压力采集模块和数据检测模块；数据检测模块的输出端与比较器的反馈输入端连接，用于向比较器输入采集所得监测数据y;智能控制器的第一输入端与比较器的输出端连接，智能控制器的第一输出端与供水压力采集模块的输入端连接。
[0028]上述实施例的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，还可以包括分别与比较器的输出端和智能控制器的第二输入端连接的模糊规则与推理模块；模糊规则与推理模块的第一输入端与比较器的输出端连接，模糊规则与推理模块的输出端与智能控制器的第二输入端连接；还可以包括分别与比较器的输出端与模糊规则与推理模块的第二输入端连接的微分器d / dto
[0029]上述智能控制器，包括能够实现智能分段控制的PID控制器或可编程数字调节器。供水压力采集模块，包括安装在供水系统开关处的压力传感器。数据检测模块，包括依次连接在供水压力采集模块的输出端与比较器的反馈输入端之间的滤波模块和A / D模块。
[0030]例如，上述PID控制器，具体为供水压力动态调节智能分段PID控制器。供水压力动态调节智能分段PID控制器在供水生产及节能运行中作用主要是体现为:
[0031]将供水运行中的恒压(事先设置好恒定压力)变量(流量)运行方式，改为全天不同时段的变压(不同时段供水压力值不同)变量(流量)运行方式，也就是在具有变频控制的供水系统中，根据全天不同时段的供水量变化要求，对供水压力、流量实行两个变量的相对实时调节，既满足广大用户高峰时段的用水需求，又避免在用水低谷时段因压力偏高(压力设置是根据全天24小时某时段用水的压力最大值而设定的)所造成的能量浪费，即压力值过高供水设备所作的无功。供水压力动态调节智能分段PID控制器在供水生产中的作用主要就是降低供水设备能耗，延长供水设备的使用周期，确保供水系统的连续、稳定、经济、可靠运行。供水压力动态调节智能分段PID控制器是一种用途广泛、设置方便，极有应用前景的智能调节装置。
[0032]关于供水压力动态调节智能分段PID控制器在供水生产中的节能作用，具体说明如下:
[0033](I)简要原理:
[0034]供水压力动态调节智能分段PID控制器，主要是由传统的模拟PID调节器，实时压力值自动给定器、压力变送器、变频器控制系统等构成。PID控制器、实时压力值自动给定器硬件电路主要由单片计算机及相关外围控制电路组成，根据PID调节范围分别编制参数组，并分配成若干个时间段。单片机根据编制的运行程序，定时进行设置、取数并赋予PID参数组，控制器根据新赋值的PID参数进行调整整定，即通过几个周期振荡之后，系统进入稳定状态，此时系统便自整定而得到一组新的PID参数值输出给变频调速系统，作为变频运行新的数据组，从而调节供水泵电动机转速，降低非用水高峰期的供水压力，减少电能输入，达到节能降耗的目的。
[0035]供水压力动态调节智能分段PID控制器在供水行业的应用，改变了行业常规的供水运行模式，将原来的全天24小时不分用水高峰及低谷的恒压供水方式，即过去的全天恒压供水，改变为全天为峰、次峰、谷、次谷、平、次平等若干个时段变压变量供水，既大量的节约能量消耗，又延长了设备的使用寿命，并且避免了因用水低谷时供水系统管网压力过高而造成管线穿孔等故障，又确保了用水高峰时的可靠供水，满足供水行业畅导的“多供、少损、降耗、增效”的要求。
[0036](2)主要特点:
[0037]供水压力动态调节智能分段PID控制器，能够自动实现PID参数组的自动赋值，将新的PID参数在很短时间内，通过尽量少的振荡周期而进入稳定状态，并且避免自激振荡。在自动赋值时采用标准时钟，以查表方式进行赋值，即计算机在每个运行周期都要查询数据库的赋值是否有新的赋值，若与原先设定值比较后相等、计算机继续执行主程序，赋值子程序执行完毕后，计算机再返回主程序。
[0038]在调节整定时采用“自整定”状态，主要是人工智能网络整定功能(NNAT)，模糊推论和智能整定功能。在PID控制为主的系数中，影响系统动、静态性能指标的主要因素是比例-积分-微分环节中的比例系统K，积分时间常数Ti和微分时间常数Td。一般而言，比例系数K影响系统的快速性，被调量和响应时间及静态误差大小。积分时间常数Ti的大小对系统的响应时间、调整时间、超调量的大小和超调次数产生直接影响，Ti增大时将减慢消除静差的过程，但可以超调提高稳定性，微分的作用有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，它加快系统动作速度，减小，从而改善系统动态性能。
[0039](3)应用前景:
[0040]供水压力动态调节智能分段PID控制器是一种用途广泛的自动化装置，它不仅可以应用在供水行业，因该装置具有二次开发功能，所以对其应用软件作一些适当的开发就可应用到其它行业，如抽油机的节电运行，公共路灯的照明节能控制等等。该项目通过在华北油田供水行业生产运行中的实际应用，即解决了生产运行所需，又取得了很好的经济、社会效益，节约了电能，降低了供水消耗，延长了供水设施的使用检修周期，提高了油田矿区供水系统运行的可靠性，确保了油田矿区24小时连续、稳定、经济供水，具有显著的经济、社会效益。
[0041]在上述实施例的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统中，智能分段PID自动调节控制是根据被控对象的要求，分段设置不同时段的PID参数值，依据供水高峰和低谷时期的压力值的要求，分段设置不同时段的PID参数值，依据供水高峰和低谷时期的压力值、自动进行压力值给定；改变全天24小时不分用水高峰及低谷的恒压供水运行方式，由过去的“恒压-变量”供水改为“变压-变量”供水；智能分段PID具有人工智能网络整定功能(Nnat)，模糊推论和智能整定功能，可对测量控制范围进行放大或缩小等处理。
[0042]常规PID控制方法，有一定的动态响应速度，但存在容易出现系统超调及响应速度不够等不足。采用模糊理论与PID控制相结合的方法，可使调节更为精确有效，由于模糊控制已隐含有微分作用，因此PID控制器中的微分部分不再加入系统的调节控制，因此响应时间加快，缩短了 PID控制器进入稳态的时间。在上述实施例的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统中，参见图1，智能PID控制过程如下:
[0043]智能分段PID自动调节控制是采用正弦整流滤波方式进行检测，采集监测数据y与设定数据组R进行比较，系统调节在PI基础上、利用分段变系数的方法进行，即当系统的偏差较大时，积分系统(Ki)和比例系数(Kp)也较大；当系统的偏差较小时，积分系数和比例系数也较小。
[0044]在上述实施例的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统中，智能PID控制模型如下:
[0045]智能PID控制、是其参数随供水流量的不同而自动调整到最佳供水压力值上、实现智能控制调节，可以将全天24小时流量变化范围分为高、中、低31个区段，并分别用反应曲线法求出对象在各流量区段的近似数学模型，其形式为:
[0046]Gi=Kiie^is / (TiS+!) Λ=" I" ,2,3 (2)；
[0047]数学模型中τ i可按如下列表1中经验公式求得各供水流量区段的调节器最佳PID参数值；
[0048]表1:由反应曲线求最佳PID参数的经验公式
[0049]
【权利要求】
1.一种基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，其特征在于，包括用于将采集所得监测数据I与设定数据组R进行比较的比较器，以及依次与所述比较器的输出端连接的智能控制器、供水压力采集模块和数据检测模块；所述数据检测模块的输出端与比较器的反馈输入端连接，用于向比较器输入采集所得监测数据I;所述智能控制器的第一输入端与比较器的输出端连接，智能控制器的第一输出端与供水压力采集模块的输入端连接，智能控制器的第二输出端与变频器主机连接，以实现调速控制。
2.根据权利要求1所述的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，其特征在于，还包括分别与所述比较器的输出端和智能控制器的第二输入端连接的模糊规则与推理模块；所述模糊规则与推理模块的第一输入端与比较器的输出端连接，模糊规则与推理模块的输出端与智能控制器的第二输入端连接。
3.根据权利要求2所述的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，其特征在于，还包括分别与所述比较器的输出端与模糊规则与推理模块的第二输入端连接的微分器d / dto
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，其特征在于，所述智能控制器，包括能够实现智能分段控制的PID控制器或可编程数字调节器。
5.根据权利要求4所述的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，其特征在于，所述PID控制器，具体为供水压力动态调节智能PID控制器。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，其特征在于，所述供水压力采集模块，包括安装在供水系统开关处的压力传感器。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的基于分时段智能PID调节器的变频调速供水系统，其特征在于，所述数据检测模块，包括依次连接在供水压力采集模块的输出端与比较器的反馈输入端之间的滤波模块和A / D模块。
【文档编号】G05B11/42GK103529695SQ201310459546
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】郭景礼, 马志刚, 刘振阁, 孙梅英, 陈寿新, 郝占其, 李建辉, 孙宝磊 申请人:郭景礼