陳乾忠

（婁星區(qū)水利局婁底市417000）

前言

婁底市婁星區(qū)茶園節(jié)水灌溉建設(shè)項(xiàng)目位于茶園鎮(zhèn)桎木村，距婁底市城區(qū)約12 km，距省道S209線1.5 km，有鄉(xiāng)村公路直抵項(xiàng)目區(qū)，交通便利。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)桎木水庫（?、裥停┧鎸掗?，森林資源豐富，自然風(fēng)光優(yōu)美，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)相交融，主要種植枇杷、梨子、楊梅、橘子等果樹作物和蔬菜。

項(xiàng)目區(qū)山高水低，灌溉條件差，通過實(shí)施節(jié)水灌溉，能使有限的水資源得到充分利用，提高水的利用率，改善灌溉條件，充分利用現(xiàn)有土地資源，增加農(nóng)業(yè)科技含量和綜合開發(fā)潛力，為建設(shè)“生態(tài)農(nóng)業(yè)、高效農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)”的發(fā)展目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。項(xiàng)目的實(shí)施，還將在全區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中起到良好的示范作用，對增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有深遠(yuǎn)的意義。

1 項(xiàng)目概況

婁星區(qū)屬洞庭湖平原向雪峰山過渡的丘崗地帶，以崗、平為主，平、崗、丘、山俱全。北部峰巒疊嶂，西、中部崗地展布，南部丘陵起伏，東部平原寬闊，形成了北、西、南三面高和由西向東開口的馬蹄形地貌。項(xiàng)目區(qū)氣候條件良好，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，多年平均氣溫17.3℃，無霜期281天，利于工程施工；交通便利，距婁底市城區(qū)12 km，距省道S209線1.5 km，有鄉(xiāng)村公路通達(dá)項(xiàng)目區(qū)；水量充沛，可通過從桎木水庫提水解決施工用水；農(nóng)村電網(wǎng)實(shí)施了改造，電力供應(yīng)滿足施工要求，10 kV線路已架設(shè)至泵站站址處。

2 恒壓噴灌控制系統(tǒng)總體方案確定

該控制系統(tǒng)主要由傳感器（壓力、水位和土壤濕度）、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器等所組成。系統(tǒng)的主要任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制兩臺水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓恒壓或在恒壓值附近波動(dòng)和水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)以及變頻水泵與工頻泵之間的切換，同時(shí)還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它將調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，在調(diào)試時(shí)，PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。

這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。

3 PID調(diào)節(jié)原理在恒壓噴灌控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在茶園恒壓噴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有PID調(diào)節(jié)模塊的三菱FR-740-1 SK-CH型變頻器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。通過對水壓設(shè)定值與壓力傳感器的反饋信號進(jìn)行比較，產(chǎn)生差值，其偏差值由變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器按預(yù)先規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，得出調(diào)節(jié)信號，用來控制變頻器的輸出電壓和頻率，從而改變水泵的轉(zhuǎn)速以保證噴灌管網(wǎng)的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。

3.1 PID控制原理

在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用Proportional（比例）、Integral（積分）、Differential（微分）控制方式，稱之為PID控制。PID控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的反饋控制方式。具有以下優(yōu)點(diǎn)：理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。

常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。

圖1 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖

PID控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)目標(biāo)值（設(shè)定值）r（t）與反饋值（測量值）Y（t）之間的偏差e（K）:

經(jīng)比例（P）、積分（（I）和微分（（D）運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量u（K），對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。

控制規(guī)律為:

式中Kp——比例系數(shù)；

T1——積分時(shí)間常數(shù)；TD—微分時(shí)間常數(shù)。相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式為:

PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下:

（1）比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差e(K)一旦控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對當(dāng)前變化的一種反映。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)Kp的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

（2）積分環(huán)節(jié):表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對時(shí)間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Tt；T越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。

（3）微分環(huán)節(jié):對偏差信號的變化趨勢(變化速率)做出反應(yīng)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。但過大的TD對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。

PID的三種作用是相互獨(dú)立，互不影響。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確地運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。

3.2 恒壓噴灌PID調(diào)節(jié)過程分析

恒壓噴灌的目的就是要保證供水能力QG適應(yīng)噴灌用水需求Qu變化。當(dāng)供水能力QG和噴灌用水需求QU之間不能平衡時(shí)，必然引起壓力的變化。因此，可根據(jù)壓力的變化，來實(shí)現(xiàn)對供水流量的調(diào)節(jié)，維持供水能力QG和噴灌用水需求QU之間的乎衡。

在噴灌系統(tǒng)中，變頻器、PID調(diào)節(jié)器、壓力變送器、電機(jī)、水泵等構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以對供水能力實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓噴灌。其實(shí)現(xiàn)方法是，首先根據(jù)噴灌管網(wǎng)對水壓的要求，給PID調(diào)節(jié)器預(yù)置一個(gè)目標(biāo)壓力值，管道中的實(shí)際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成（4～20）mA的模擬電流信號反饋給變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器根據(jù)目標(biāo)壓力值和實(shí)際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使供水量適應(yīng)用水量的變化取得動(dòng)態(tài)平衡，維持水壓不變。其具體調(diào)節(jié)過程如下:

（1）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

當(dāng)供水能力QG=用水需求Qu，目標(biāo)壓力信號r（K）和壓力反饋信號y（K）相等，偏差e（K）=y（K）-r（K）=0，PID輸出的控制增量△u（K）=0，變頻器輸出頻率不變，水泵轉(zhuǎn)速不變，處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。如圖2中的0-t 1段。

（2）用水量增加時(shí)。

當(dāng)用水量增加，用水需求Qu>供水能力QG，水壓下降，壓力反饋信號y（K）減少，偏差e（K）=y（K）-r（K）<0，PID輸出的控制增量△u（K）>0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉(zhuǎn)速升高，增加供水能力，最后達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，在達(dá)到新的平衡狀態(tài)之前，壓力反饋信號Y（K）"偏差e（K），控制增量△u（K）均處于變化之中，其變化過程如圖2中的tl-t3段，其中t2-t3段為增加用水量后新的平衡狀態(tài)。

（3）用水量減少時(shí)。

圖2 恒壓噴灌PID調(diào)節(jié)過程

當(dāng)用水量減少，用水需求Qu<供水能力QG，水壓上升，壓力反饋信號y（K）增大，偏差e（K）=y（K）-r（K）>O，PID輸出的控制增量△u（K）<0，變頻器輸出頻率下降，水泵轉(zhuǎn)速降低，降低供水能力，最后達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。這一動(dòng)態(tài)變化過程，如圖2中的t3-t4段，其中t4段以后為減少用水量后新的平衡狀態(tài)。

3.3 變頻器PID控制功能參數(shù)設(shè)置

變頻器PID控制功能代碼有，Pr.88，Pr.78,Pr.89,Pr.90、Pr.91,Pr.74共6個(gè)，通過對功能代碼的設(shè)定來保證合理的PID運(yùn)行

（1）PID模式預(yù)置。

Pr.88用以設(shè)置PID模式。

設(shè)定值20:PID反動(dòng)作，21:PID正動(dòng)作。其關(guān)系如圖3所示。

圖3 PID模式

在供水系統(tǒng)中，當(dāng)壓力增大（即用水量減少），水泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)下降，即變頻器輸出頻率與被控量(水壓)的變化趨勢相反，所以選取模式20。

（2）反饋方式預(yù)置。

系統(tǒng)采取的是電流輸入反動(dòng)作，設(shè)定為Pr.78為20。

（3）壓力目標(biāo)值的預(yù)置。

壓力目標(biāo)值是一個(gè)比值，它和允許的管道壓力大小及選用的傳感器有關(guān)。其關(guān)系為：

壓力目標(biāo)值=管道允許壓力/壓力表量程×100%。

根據(jù)噴灌管網(wǎng)情況及水壓需要，確定水泵出水口水壓大小為0.5 MPa，選用的遠(yuǎn)傳壓力表量程是（0～1）MPa，則目標(biāo)值為50%。

通過變頻器鍵盤面板操作直接輸入確定的壓力目標(biāo)值。

（4）P、I、D參數(shù)預(yù)置。

P、I、D參數(shù)通過Pr.89，Pr.90,Pr.91來設(shè)定。其中Pr.89用以設(shè)定P增益，設(shè)定范圍；0.1999%；Pr.90用以設(shè)定積分時(shí)間，設(shè)定范圍0.19995；Pr.91用以設(shè)定微分時(shí)間，設(shè)定范圍（0.01～10.0）s。

P、I、D的取值與系統(tǒng)的慣性大小有很大的關(guān)系，在使用PID控制器時(shí)，一般不知道被控對象的數(shù)學(xué)模型，所以不可能用理論計(jì)算的方法來確定PID控制參數(shù)。但是比例、積分、微分部分都有明確的物理意義，可以根據(jù)控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系，用試驗(yàn)的方法來調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，從而得到較為滿意的結(jié)果。PID參數(shù)的整定可按以下總體原則進(jìn)行。

Pr.89（增益P）；在不發(fā)生振蕩條件下增大其值;

Pr.90（積分時(shí)間I）：在不發(fā)生振蕩條件下減小其值;

Pr.91（微分時(shí)間D）:在不發(fā)生振蕩條件下增大其值;

用示波器監(jiān)視壓力表輸出電壓波形，根據(jù)波形情況來做參數(shù)調(diào)整，常見有下面幾種情況：

a.抑制超調(diào)。

增大Pr.90（積分時(shí)間），減小Pr.91（微分時(shí)間），如圖4a。

b.允許小量超調(diào)前提下加快響應(yīng)速度。

減小Pr.90（積分時(shí)間），增大Pr.91（微分時(shí)間），如圖4b。

c.抑制比Pr.90（積分時(shí)間）長的周期性振蕩。

增大Pr.90（積分時(shí)間），如圖4c。

d.抑制大約和Pr.91（微分時(shí)間）同樣長周期的振蕩。

減小Pr.91（微分時(shí)間）。設(shè)定0時(shí)，若仍有振蕩時(shí)，減小Pr.89（增益P），如圖4 d在PID功能有效且完成參數(shù)預(yù)置后，變頻器完全按用戶設(shè)定的P,I,D調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)行，其工作特點(diǎn)是:

圖4 PID參數(shù)調(diào)節(jié)

●變頻器的輸出頻率只根據(jù)水壓實(shí)際壓力大小與設(shè)定的目標(biāo)壓力的偏差進(jìn)行調(diào)整，與實(shí)際水壓大小并無對應(yīng)關(guān)系。

●變頻器的升、降速時(shí)間完全取決于由P,I,D值所決定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。

●變頻器的輸出頻率始終處于調(diào)整狀態(tài)，因此，其顯示的數(shù)值常不穩(wěn)定。

（5）反饋濾波時(shí)間預(yù)置。

設(shè)置對控制端子12輸入的反饋信號的濾波時(shí)間，使PID控制系統(tǒng)穩(wěn)定，設(shè)定值過大，反應(yīng)變差。

4 結(jié)語

本研究是針對目前果樹、蔬菜種植面積迅速擴(kuò)大，而對其灌溉管理仍停滯在傳統(tǒng)的大水漫灌或以自然降雨為主的現(xiàn)狀提出的。目的是為了對果樹、蔬菜適時(shí)、適量的科學(xué)灌溉，提高灌溉的均勻性和自動(dòng)化水平，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)水節(jié)能。

1 常斗南.可編程控制器原理.應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

2 齊從謙、王士蘭.PLC技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

3 張萬忠、孫晉.可編程控制器入門與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國電力出版社，2006.

4 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.