汕頭市自來(lái)水總公司
劉 峰

　　一、引言

　　月浦水廠一期第一階段供水規(guī)模日產(chǎn)水量20萬(wàn)m³，該工程的濾池恒水位過(guò)濾自動(dòng) 化控制就是采用PID閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，控制的參數(shù)是以10萬(wàn)m³的日生產(chǎn)水量設(shè)定的，水位波動(dòng)在2cm以內(nèi)?，F(xiàn)在產(chǎn)水量接近20萬(wàn)m³，需要解決的問(wèn)題：1、取水流量變化大時(shí)，造成濾池水位超限報(bào)警；2、流量大時(shí)清水閥門動(dòng)作幅度過(guò)大，及動(dòng)作次數(shù)過(guò)頻；3、清水閥閥板有時(shí)出現(xiàn)微小幅度開關(guān)的“顫抖”現(xiàn)象；4、某些濾格過(guò)濾過(guò)程出現(xiàn)閥門突然全關(guān)后又幾乎全開現(xiàn)象。為適應(yīng)供水量的變化，有必要對(duì)濾池PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

　　二、控制原理

　　濾池水位的變化是受進(jìn)水量的變化、過(guò)濾周期、待濾水濁度等因素影響的。由于濾池恒水位的過(guò)濾要求是保證待濾水流量與濾后水流量基本恒定，因此轉(zhuǎn)化為各個(gè)濾格的水位保持恒定。用PID閉環(huán)控制可以根據(jù)水位的變化實(shí)時(shí)控制清水閥的開度,把所有影響水量變化的條件轉(zhuǎn)化為對(duì)濾格水位的控制。
　　每個(gè)濾格的水位和清水閥開度信號(hào)直接送到可編程序控制器，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后把清水閥開度送給可調(diào)節(jié)清水閥。月浦水廠的恒 水位位置現(xiàn)控制在3.5m，報(bào)警水位為3.75m，清水閥開度為0～100％，分為100個(gè)開度，0度為全關(guān)狀態(tài)，100度為全開狀態(tài)?？删幊绦蚩刂破鳛镽ockwell AB公司的SLC502，AB的SLC通過(guò)邏輯梯形圖的PID指令編程實(shí)現(xiàn)清水閥的邏輯控制。
　　濾格水位的控制是一個(gè)典型的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制過(guò)程是：具有參數(shù)可調(diào)的PID方程根據(jù)設(shè)定值和過(guò)程變量輸入之間的誤差，經(jīng)運(yùn)算后把輸出信號(hào)傳送給輸出附加處理程序，再輸出給控制閥，對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行控制。即實(shí)際水位比設(shè)定水位的值大得越多， 輸出的開度就越大。開度增大的數(shù)值是由一定累積時(shí)間內(nèi)水位上升的速度及實(shí)際水位和設(shè)定水位的差檀共同決定的。反映為進(jìn)水流速越快，清水出水閥開度越大，反之亦然。PID方程計(jì)算的目標(biāo)是把受控的過(guò)程變量保持在設(shè)定值，附加值可作為補(bǔ)償添加到輸出控制中。輸出附加處理程序是把PID方程的運(yùn)算輸出按一定的規(guī)律輸出給清水閥。其控制方框圖如圖1。

　　具有相關(guān)增益的PID標(biāo)準(zhǔn)方程如下：

　　

　　Kc：比例增益Kc(無(wú)量綱)
　　Ti:復(fù)位項(xiàng)l／Ti(1／min)
　　Td：比率項(xiàng)Td(min)
　　E:設(shè)定值和過(guò)程變量之間的偏差
　　PV：過(guò)程變量，此系統(tǒng)即為水位輸入值
　　Bias：輸出補(bǔ)償或前饋

　　上式各個(gè)參數(shù)可看為：Kc是比例增益Kc／Ti是積分增益，Kc×Td是微分增益。比例增益是每次輸出的幅度比例，如控制效果偏慢，可適當(dāng)增大此值；積分增益是積分項(xiàng)在輸出中的比例，積分項(xiàng)是設(shè)定過(guò)程變量之間的偏差的原函數(shù)在一定的積分區(qū)間[O，t]內(nèi) 的增值，反映控制的靈敏度，如果控制系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍，可微調(diào)增大積分增益。微分增益是微分項(xiàng)在輸出中的比例，微分項(xiàng)反映出函數(shù)相對(duì)于自變量變化的快慢程度，即反映水位變化的速率，如果控制系統(tǒng)反應(yīng)速度慢，可增大微分增益。由于對(duì)特定的控制系統(tǒng)，建立數(shù)學(xué)模型比較困難，所以對(duì)上述參數(shù)不能夠定量的推算，只能定性的分析，并在一定經(jīng)驗(yàn)值的基礎(chǔ)上，再在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中不斷調(diào)試，找出最優(yōu)控制效果的最佳參數(shù)結(jié)合點(diǎn)。

　　三、控制系統(tǒng)PID參數(shù)的優(yōu)化

　　因?yàn)V池控制參數(shù)在原設(shè)定值控制下，取水流量變化大時(shí)，由于控制系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍，造成濾格水位超限報(bào)警。在取水流量大時(shí)，由于控制系統(tǒng)反應(yīng)較慢，在控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)，這時(shí)水位已偏高(或偏低)，PID運(yùn)算出來(lái)的開度就偏大(或偏小)，造成清水閥門運(yùn)作幅度過(guò)大。所以要解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵是修改控制參數(shù)，使系統(tǒng)響應(yīng)速度比原來(lái)快一點(diǎn)。
　　打開PID指令的主要參數(shù)的設(shè)定界面，其中Kc、Ti、Td是PID標(biāo)準(zhǔn)方程的三個(gè)主要參數(shù)?，F(xiàn)在需要加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，根據(jù)上述的控制原理，即是增大Kc、Ti，減少Ti，通過(guò)微調(diào)這三個(gè)值，可達(dá)到目的。另外因?yàn)V池水位要求控制的精度不高，一般波動(dòng)在3—5cm 以內(nèi)就可以了，實(shí)際上在滿足控制水位的要求下更重要的是盡量減少清水閥的動(dòng)作次數(shù)，這對(duì)清水調(diào)節(jié)閥的使用壽命大大有利，所以調(diào)節(jié)這四個(gè)參數(shù)不是一味加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，而是應(yīng)兼顧清水閥的動(dòng)作次數(shù)，這需要在系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試中，不斷觀察PID的處理效果，找到最佳的結(jié)合點(diǎn)。
　　其中設(shè)定死區(qū)是允許用戶在設(shè)定值的上下選擇一個(gè)偏差范圍，只要偏差保持在此范圍內(nèi)，輸出就不再改變。這樣，不改變輸出，便用死區(qū)來(lái)控制實(shí)際水位和設(shè)定水位之間相匹配的緊密程度。(圖2)：

　　綜上所述，對(duì)于取水流量大時(shí)，控制系統(tǒng)反應(yīng)較慢，主要偏重于微調(diào)增大Kc、Td，減少Ti；對(duì)于流量變化大時(shí)，控制系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍，偏重于把死區(qū)調(diào)小。本人對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn) 行反復(fù)修改調(diào)試，找到了最佳結(jié)合點(diǎn)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，結(jié)果證明效果不錯(cuò)，并且在小流量時(shí)，控制效果也與原來(lái)基本一致。

　　四、控制系統(tǒng)程序的優(yōu)化

　　 PID、運(yùn)算輸出不是直接輸出給清水閥，而是經(jīng)過(guò)控制輸出附加處理程序。這里面有二個(gè)處理，一是把PID運(yùn)算輸出第3min輸出一次給清水閥；二是PID運(yùn)算出的開度與 實(shí)際開度相差在一個(gè)開度以上才輸出給清水閥，否則不與理睬。因?yàn)檫^(guò)小的開度調(diào)節(jié)清水閥實(shí)際上會(huì)造成閥門開度不到位而閥內(nèi)電磁閥頻繁動(dòng)作的現(xiàn)象。以上的處理已經(jīng)在原設(shè)定參數(shù)的基礎(chǔ)上大幅減少清水閥的動(dòng)作次數(shù)，在優(yōu)化了上述PID參數(shù)的基礎(chǔ)上，再作下面修改，在解決了上述問(wèn)題的同時(shí)進(jìn)一步減少清水閥的動(dòng)作次數(shù)。
　　針對(duì)取水流量變化大時(shí)，濾水池水位超限的問(wèn)題把附加處理程序改為水位變化在土5cm以內(nèi)，把PID運(yùn)算輸出每3min輸出一 次給清水閥，水位變化在±5cm以外，每5s輸出一次，結(jié)果濾池水位不再超限報(bào)警。而把PID運(yùn)算出的開度與實(shí)際開度改為相差三個(gè)開度以上才輸出給清水閥，結(jié)果不但解決清水閥閥板的“顫抖”現(xiàn)象，而且又進(jìn)一步減少了清水閥的動(dòng)作次數(shù)。

　　五、控制系統(tǒng)信號(hào)的優(yōu)化

　　控制系統(tǒng)輸入信號(hào)是系統(tǒng)的“眼睛”，“眼睛”受騙，系統(tǒng)就要出問(wèn)題。對(duì)于要解決某些濾格過(guò)濾過(guò)程出現(xiàn)閥門突然全關(guān)后又幾乎全開的問(wèn)題，粗看是控制程序PID參數(shù)設(shè)置問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)分析檢查，是由于水位信號(hào)干擾造成的。水位信號(hào)有時(shí)從3.5m向下跳變到2m多，PID控制系統(tǒng)以濾格水位2m多的水位計(jì)算出的開度很小，就把閥門關(guān)得很小，其實(shí)實(shí)際水位還有3.5m左右。本人通過(guò)改善接地、加固接線消除干擾，優(yōu)化超聲波水位計(jì)的參數(shù)設(shè)置(如多次回波的響應(yīng)問(wèn)題)，杜絕了上述現(xiàn)象。

　　六、結(jié)論

　　經(jīng)過(guò)上述系統(tǒng)優(yōu)化，不但解決前面的控制問(wèn)題，而且減少清水閥的動(dòng)作次數(shù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，清水閥的動(dòng)作次數(shù)基本上一天少于200次，比其它水廠一天2800～4000次少得多，濾格水位波動(dòng)在上下2cm以內(nèi)，與其它水廠基本一致，結(jié)果說(shuō)明上述方法是可行的。