CN105156311A

CN105156311A - 三核极速恒压变频控制方法

Info

Publication number: CN105156311A
Application number: CN201510406004.4A
Authority: CN
Inventors: 龚文军; 沈怿慷; 施从明
Original assignee: NANFANG PUMP INDUSTRY CO LTD
Current assignee: Nanfang Zhishui Technology Co ltd
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: CN105156311B

Abstract

本发明涉及一种三核极速恒压变频控制方法，这种三核极速恒压变频控制方法，在控制输出过程中，系统的输入参考值M与实际值Kn，通过计算公式：A＝N(M-Kn)+F(Kn-Kn-1)-Cu*u与Pout＝Pout+A计算后输出频率控制信号Pout给变频器，变频器输出相应频率Hz；使被控对象(泵)输出相应转速为管网增压，压力通过传感器检测反馈信号，再次得到新的实际反馈值Kn。本发明的有益效果为：1、本发明有效解决了低频运行保护、设备休眠等节能优化问题，提高产品的使用寿命和运行稳定性。2、简化公式算法，控制原理通俗易懂。3、灵活性强，稳定性高。4、各核心独立处理相关功能及数据运算，进一步提高整个系统的数据处理及运算能力。5、结构紧凑，能耗低；有效降低产品成本。

Description

三核极速恒压变频控制方法

技术领域

本发明涉及变频恒压无负压变频供水技术领域，尤其涉及一种三核极速恒压变频控制方法。

背景技术

一般为达到恒压供水控制系统闭环控制的需求，在硬件上使用配置为PLC与HMI设备通过参数的设置和PID控制技术来控制变频器的频率输出，并控制不同泵组的切换达到恒压供水的目的。

传统的过程控制中对液位高度等参数控制都采用PID控制，可以说获得了很好的效果。在生产过程中，PID控制已经成为历史最悠久、生命力最强的基本方式。此后，随着计算机和PLC的发展，计算机和PLC与模糊ID控制技术完美的结合，可以通过计算机控制PLC产生PID参数，控制被控对象以及反馈数据给计算机进行处理。模糊控制是近十几年来迅速发展的一项技术,与神经网络及专家控制并称为智能控制。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数学控制方法,属于非线性控制方法。

模糊逻辑控制(FuzzyLogicControl)简称模糊控制(FuzzyControl)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是在日本，却得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来，模糊控制不论从理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用的例子涉及生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等的模糊控制；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制等。模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制器(FuzzyController，即FC)获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点：

·模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。

·由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

·基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。

·模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。

·模糊控制系统,干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。

模糊PID控制工作原理如下：计算机根据参考输入和反馈信号，计算实际转速和理论转速之间的偏差以及当前的偏差变化速度，在模糊推理器中借助模糊经验进行模糊推理，模糊推理器输出PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，把它们作为当前控制器的参考进行PID控制，由于每一次控制时控制器的参数都是根据具体控制情况进行实时修正的，因而能够做到控制作用的最优。

y = K_{p} [e (t) + \frac{1}{T_{I}} &Integral; e (t) d t + T_{D} \frac{d e (t)}{d t}]

e(t)：差值。

比例：P＝Kp：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

积分：I＝Kp/T1：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分：D＝Kp*TD：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

P、I、D参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如仍有振荡，可适当减小比例增益P。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益P，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间I，还可加大微分时间D。

现有技术存在的缺点：

1、传统的模糊PID控制技术，为通用性闭环控制技术，在恒压变频供水领域没有突出的技术优势，在控制过程中在功能上有一定的局限性，在本领域中无法达到节能优化的目的。

2、公式算法比较复杂，软件开发使用大量代码，增加系统负担，降低系统的执行效率，开发使用难度相对较大，设计灵活性差。

3、传统PID参数设置调试难度相对较大，控制原理繁琐，不易理解使用，需具备一定技能水平的专业人员进行调试，无法适应普通用户的使用。

在实际使用过程中，系统根据不同的使用环境或工况，需要设置不同的运行参数来达到恒定供水压力的目的，满足用户生活用水需求。本发明主要提供一种简化、方便、高效的闭环控制技术，原理易懂，操作方便。可满足普通用户的使用，并针对恒压变频供水领域的技术运用特点进行功能优化，提高系统的运行效率，进一步达到节能优化的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种三核极速恒压变频控制方法。

本发明要解决的技术问题是：

1、针对恒压(无负压)变频控制领域专用的控制技术，针对性的解决了系统低频运行保护、设备休眠等系统节能优化的问题，达到节能减排的目的。

2、简化公式算法，控制原理通俗易懂，方便设计者运用开发及普通用户使用。在满足使用要求的前提下，减少了软件开发过程中代码量，及复杂程度，缩短开发周期。

3、在系统运行过程中，可根据不同现场工况调整不同参数及算法结构，结合AD/DA转换，过程变量数据处理等，满足实际使用需求，提高开发灵活性，和运行可靠性。

4、系统硬件设计部分采用三核处理，核心之间采用集成化串口数据交换，在系统运行过程中，各核心独立处理相关功能及数据运算，多任务根据功能类型不同合理分配，同步进行，提高整个系统的运行效率。

5、采用一体化结构设计方案，减少占用空间，降低产品成本。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种三核极速恒压变频控制方法，在控制输出过程中，系统的输入参考值M与实际值Kn，通过计算公式：A＝N(M-Kn)+F(Kn-Kn-1)-Cu*u与Pout＝Pout+A计算后输出频率控制信号Pout给变频器，变频器输出相应频率Hz；使被控对象(泵)输出相应转速为管网增压，压力通过传感器检测反馈信号，再次得到新的实际反馈值Kn,原Kn值则变为Kn-1；其中，

A:数字量频率输出值变化系数；

N：实际差值比例系数(给定值)；

M：设定目标值；

Kn：当前实际值(n：第n个周期)；

F:过程量差值比例系数(给定值)；

Cu：节能比例优化系数(给定值)；

U：节能优化值；

Pout:数字量频率实际输出值。

本发明的有益效果为：

1、本发明主要是针对恒压(无负压)变频控制领域专用的控制技术，有效解决了低频运行保护、设备休眠等节能优化问题，针对性更强，提高产品的使用寿命和运行稳定性。

2、简化公式算法，控制原理通俗易懂，方便设计者运用开发及普通用户使用。在满足使用要求的前提下，减少了软件开发过程中代码量，及复杂程度，有效提高整个系统的运行效率。

3、在系统运行过程中，可根据不同现场工况调整不同参数及算法结构，结合AD/DA转换，过程变量数据处理等，满足使用需求，灵活性强，稳定性高。

4、系统硬件设计部分采用三核处理，核心之间采用串口进行数据交换，在系统运行过程中，各核心独立处理相关功能及数据运算，多任务根据类型不同合理分配，同步进行，进一步提高整个系统的数据处理及运算能力。

5、与目前常用的PLC+HMI控制方案相比，本发明设计方案采用一体化结构设计，结构紧凑，占用空间小，能耗低；有效降低产品成本；控制与显示之间为集成化结构设计，无需连接通讯电缆，抗干扰能力更强。

附图说明

图1是传统模糊PID控制示意图。

图2是本发明的硬件架构示意图。

图3是本发明的系统上电初始化程序流程示意图。

图4是本发明的系统启动运行程序流程示意图。

图5是本发明的NFC闭环控制程序流程示意图。

图6是本发明的启动切换逻辑控制程序流程示意图。

图7是本发明的闭环控制系统运行曲线示意图。

图8是本发明的闭环控制闭示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

一、控制系统结构组成：

1、控制器外壳盖板；

2、电源主板；DC20～45V输入；DC5V3A/DC15V3A输出，电源额定功率：35W。

3、泵卡；4路继电器开关量输出，4路模拟量输入。

4、主板；以ATmega128A单片机为核心，集成AD/DA数据处理、数据通讯等。

5、触摸屏；电阻式10.4寸彩色触摸屏，分辨率800*600。

6、控制器外壳；

7、控制器面贴；

二、控制系统硬件架构设计介绍：

如图2所示，NFCV2.00控制系统硬件架构采用三核处理模块设计，控制部分采用AVR单片机ATmega128A做为控制部分主控核心，外扩I/O数据处理模块，AD/DA数据处理模块，RTC实时时钟数据传输模块；供电系统采用DC24V结合DC-DC稳压模块，输出电压为DC5V、DC15V双电压输出，输出功率35W；接地部分采用数模隔离抗干扰技术，扩展128Kflash数据存储器；用于运行数据保存；串口数据采用RS485接口类型，与显示部分进行连接。

显示部分采用Cortex-M3+高速FPGA双核设计，ARM(STM32)主要进行协议解析和USB图片下载，FPGA主要实现Nandflash的图片读取和TFT控制显示系统在无指令接收的状态下，ARM基本处于空闲状态，所有大负荷的数据读取和显示刷新工作全部由FPGA纯硬件独立完成，该架构特点确保了系统的稳定性和抗干扰性能强。由于FPGA内部是采用并行处理机制，所以Nandflash的数据读取、SDRAM的写入和RGB数据输出全部在同一个时钟节拍下执行，确保了系统图片更新速度快，响应迅速。同时整个系统无操作系统，纯硬件驱动，上电即可运行。

三核之间采用RS485接口数据通讯，提高数据传输的抗干扰能力，传输速度也能满足使用要求。

三、系统软件功能设计及主要控制流程图介绍

硬件平台：ATMAGE128A-16；

编程环境：AVRStudio6.0；

编程语言：C语言；

1、系统软件设计功能介绍(表1)

主要功能	内容
		控制模式	主泵移动方式、主泵固定方式
液晶显示	8寸电阻式彩色触摸屏、10.4寸电阻式彩色触摸屏
		设备运行	设备运行实时动画显示
PID控制	PID控制系统，PID休眠功能
		顺次运行	变频故障时水泵运行按顺次运行设定参数
辅助运行	水泵正常运行按辅助运行设置参数
		温度控制	温度检测，风扇控制
防止空转	进水管缺水时水泵停止运行，系统报警
		越过故障泵运行	水泵发生故障时，系统自动启动下一台泵运行
防止电机过载	电机过载停机保护
		异常高压保护	运行压力异常系统停机保护
预约运行	按月、日、小时，预约运行压力值
		自动巡检	系统实时巡检，对故障、运行状态进行检测
高压保护	运行压力越过高压设定压力值时，系统停机保护
		低压保护	所有水泵运行时，运行压力达不到设定压力值时延迟自动停止并报警
传感器值调整	实际压力值与压力表显示的压力值不一致时调整
		存储运行数据及记	各种运行状态记录并保存、显示实时运行曲线

录
		系统异常运行	变频器及压力传感器异常时系统保护停机
水位溢出检测	外部水位检查，溢出报警
		交替运行	运行一定时间后主泵自动交替运行，实现水泵均匀使用
进水口压力显示	检测并显示进水口压力值
		模拟量输入	模拟量输入控制
双变频运行	控制两台变频器同时运行
		变频器互备运行	一台变频器故障时，另一台变频器运行
两路RS485通讯	上位机与监控设备软件的实时数据通讯
		多路数据采集	采集外围设备数据包括：电能表、流量计、变频器数据等
小流量泵控制	配置小流量泵运行模式

2、系统主要控制流程图介绍

如图3所示，系统上电初始化程序流程：

1、显示接口初始化、系统看门狗信号复位、电源电压信号检测、时钟信号复位。

2、电源电压信号检测是否正常：上电时MCU识别电压管理芯片POWERGOOD信号，若芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步。

3、看门狗复位信号是否正常：上电时MCU识别外部看门狗芯片GOOD信号，若芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步。

4、液晶复位信号是否正常：上电时MCU识别液晶控制芯片GOOD信号，若芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步。

5、时钟复位信号是否正常：上电时MCU识别时钟芯片GOOD信号，若芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步。

6、开关量I/O接口复位：MCU对所有开关量I/O接口进行复位成输出高电平。

7、检测开关量I/O接口复位是否正常：MCU识别开关量I/O接口复位GOOD信号，若复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步。

8、数字量I/O接口复位：MCU对所有数字量I/O接口及DA处理芯片进行复位输出高电平。

9、检测数字量I/O接口及DA处理芯片复位是否正常：MCU识别数字量I/O接口及DA处理芯片复位GOOD信号，若接口及芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步。

10、模拟量I/O接口复位：MCU对所有模拟量I/O接口及AD处理芯片进行复位输出高电平。

11、检测模拟量I/O接口及AD处理芯片复位是否正常：MCU识别模拟量I/O接口及AD处理芯片复位GOOD信号，若接口及芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步。

12、RS485通讯接口复位：MCU对所有串行通讯接口及RS485芯片进行复位输出高电平。

13、检测串行通讯接口及RS485芯片复位是否正常：MCU识别串行通讯接口及RS485处理芯片复位GOOD信号，若接口及芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步。

14、系统数据初始化：系统对所有全局变量、EEPROM存储数据进行初始化，MCU识别初始化返回的GOOD信号，若初始化失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步。(结束)

如图4所示，系统启动运行程序流程：

1、过程变量数据初始化：读取EEPROM存储数据，系统启动参数按设定值初始化。

2、判断过程变量数据初始化是否成功，MCU识别初始化GOOD信号，若初始化失败，系统返回重启过程变量初始化过程，若成功，执行下一步。

3、检测设备运行数据故障信号情况：对初始化后的数据进行检测。

4、检测数据是否符合系统启动运行要求，若不符合，系统执行第5步；否则，执行第7步。

5、设备故障报警输出，继续检测设备各项数据信号及系统复位信号。

6检测系统复位信号：检测是否有复位信号，若没有，返回执行第5步；反之，执行下一步。

7、检测运行信号是否为“1”：若为“0”，返回执行第3步；反之，执行下一步。

8、启动闭环频率输出控制程序集泵组切换逻辑控制程序。(结束)

如图5所示，NFC闭环控制程序流程：

3、实际4～20mA模拟量数据过滤，AD转换：为闭环控制系统提供实际数字量参数(反馈值)。

4、检测数据是否符合要求，若不符合，系统返回执行第3步；否则，执行第5步。

5、频率输出数据计算：公式：A＝N(M-Kn)+F(Kn-Kn-1)-Cu*u(详见NFC2.00闭环控制设计方案)。

6、频率信号A值,DA转换为模拟信号，4～20mA输出。

7、检测A值是否达到切换泵设定值要求，若未达到，返回执行第3步；否则，执行第8步。

8、启动切换泵逻辑控制：启动启动切换泵逻辑控制功能程序。(结束)

如图6所示，启动切换逻辑控制程序流程：

3、泵组运行位置识别机检测变频故障：泵组切换时的位置确定，及变频泵是否有故障。

4、检测变频是否故障，若有故障，执行第5步；否则，执行第6步。

5、检测故障是否复位：若复位返回执行第3步，否则功能流程结束。

6、变频泵启动运行及故障检测：变频泵运行启动，并实时检测故障信号。

7、检测是否达到切换泵条件及是否运行正常：检测实时数据，判断是否到达切换设定值要求，并实时检测当前运行状态是否正常。若异常，系统返回第3步，否则执行下一步。

8、切换变频泵为工频运行，启动下一台泵为变频泵并输出复位信号。

9、检测当前工频泵是否故障：MCU接收当前工频泵运行故障信号，若为“1”执行第10步，否则流程结束。

10、停止当前工频泵运行，并报警：系统自动返回执行第8步。

3.闭环控制方案

1、计算公式说明

本发明主要是针对恒压(无负压)变频控制应用领域的闭环控制技术，采用新的算法组合达到恒定供水压力的目的，其使用效果达到《建筑给水排水设计规范》(GB50015-2009)版中3.8条款关于增压设备的相关规定和要求。详细设计方案如下：

计算公式：A＝N(M-Kn)+F(Kn-Kn-1)-Cu*u--(1)

Pout＝Pout+A--(2)

A:数字量频率输出值变化系数；

N：实际差值比例系数(给定值)；

M：设定目标值；

Kn：当前实际值(n：第n个周期)；

F:过程量差值比例系数(给定值)；

Cu：节能比例优化系数(给定值)；

U：节能优化值；

Pout:数字量频率实际输出值；

例1：系统设定压力值：0.32Mpa；实际差值比例系数为20(给定值)；过程量差值比例系数为80(给定值)；节能比例优化系数为3(给定值)；节能优化值取1；当前实际值初始值取0；MCU频率f＝16000000Hz；指令总量160000条。

解：系统周期：t＝160000/f＝0.01(秒)：系统运行周期为0.01秒。

引用计算公式(1)：A＝N(M-Kn)+F(Kn-Kn-1)-Cu*u；

根据实例：N＝20；M＝0.32；F＝80；Cu＝3；u＝1；

代入公式得：A＝20(0.32-Kn)+80(Kn-Kn-1)-3--(3)

根据实际情况系统在第一个运行周期内K1＝0,K0＝0；

得：A＝20*0.32-3＝3.4；

引用计算公式(2):Pout＝Pout+A；(Pout初始值取0)

Pout＝0+3.4＝3.4；

说明：系统运行时在第一个运行周期0.01秒，系统输出的频率信号值为3.4(该数值经过DA转化，转化为实际的频率控制模拟量信号)。

根据实际情况若系统在第二个运行周期内K2＝0.03，那么K1＝0(等于第一周期Kn)

代入公式(1)：A＝20(0.32-0.03)+80(0.03-0)-3；得:A＝5.2；

代入公式(2)：Pout＝3.4+5.2；得：Pout＝8.6；

以此类推：当M>Kn时，A为正数(给定值需取一定范围)；Pout值不断增加；M-Kn差值越大，增加幅度越明显。

当M＝Kn时，A＝Cu*u；为负数，对Pout值进行微调，Pout值减小幅度到达最小，达到节能优化的目的，可设置不同的节能比例优化系数Cu，根据实际工况调整节能优化效果。

当M<Kn时，A为负数(给定值需取一定范围)；Pout值不断减小；M-Kn负差值越大，减小幅度越明显。

根据实际情况若系统在第n个运行周期内Kn＝0.34，Kn-1＝0.36；

代入公式(1)：A＝20(0.32-0.34)+80(0.34-0.36)-3；得:A＝(-5)；

代入公式(2)：Pout＝Pout-5；Pout逐步减小。

在实际使用过程中，可不断调整给定值N、F、Cu的大小来改变控制的精度范围，满足使用需求。

2.特性曲线的分析：

由例1中的公式(3)：A＝20(0.32-Kn)+80(Kn-Kn-1)-3；

得：A＝60Kn-80Kn-1+3.4；

因为Kn与Kn-1值之间的关系与系统的周期时间t、不同泵组的运行流量、扬程的特性曲线、管路损失、变频转化效率、变频输出效率、电机效率、流体特性等等因素有关。故该公式可视为非线性特性曲线关系。

3、软件代码算法编程分析

例2：根据计算公式(1)：A＝N(M-Kn)+F(Kn-Kn-1)-Cu*u；

C语言算法代码如下：

硬件平台：ATMAGE128A-16；

编程环境：AVRStudio6.0；

编程语言：C语言；

/*--------------------------------------------------------------*/

//闭环控制频率输出

/*--------------------------------------------------------------*/

uintNFC_POWER0＝0；//定义频率输出值全局变量

ulongLOW_NFC＝0；//定义频率输出最低限制值全局变量

voidNFC_POWER_OUTPUT(ucharN,ucharF,ucharCu,)//A＝N(M-Kn)+F(Kn-Kn-1)-Cu*u算法公式函数

{

ucharoption0＝EEPROM_read(0x0070)；//读取设定值运行目标值:M＝option0

intEt_POWER＝0,OUTPUTS_POWER＝0；//初始化局部变量：A＝OUTPUTS_POWER

uintx1,x2,x3,x4；//定义局部变量

SET_POWER＝SET_POWER_DATA()；//读取设定值运行目标值:M＝SET_POWER

READ_POWER＝READ_POWER_DATA()；//读取当前实际值Kn

Et_POWER＝SET_POWER-READ_POWER；//计算差值：M-Kn

OUTPUTS_POWER＝N/10*Et_POWER；//计算差值比例值：A＝N(M-Kn)

OUTPUTS_POWER＝OUTPUTS_POWER+F*(Et_POWER-Et_POWER0)-Cu*0x0001；

//代入公式A＝N(M-Kn)+F(Kn-Kn-1)-Cu*u，Kn＝Et_POWER；Kn-1＝Et_POWER0；u＝0x0001

Et_POWER0＝SET_POWER-READ_POWER；//第n-1次差值计算：Kn-1＝M-Kn-2

PID_POWER＝PID_POWER+OUTPUTS_POWER；//频率输出值计算：Pout＝Pout+A

LOW_PID＝SET_NUM_DATA00(0x0009,0x000A)；//频率低限制值计算

LOW_PID＝LOW_PID*0x0E56/0x00A0；//频率低限值计算

if(PID_POWER<＝0){PID_POWER＝0；}//频率低限值比较

elseif(PID_POWER>＝0x0E56){PID_POWER＝0x0EA6；}//频率高限值比较

if(INVERTER＝＝0)MCP4922_DA_SET(0x7000,0)；//判断是否输出允许

elseMCP4922_DA_SET(0x7000,PID_POWER)；//通道A输出频率模拟量

if(option0＝＝6&&(ERROR9＝＝1||ERROR10＝＝1))//判断是否故障

MCP4922_DA_SET(0xF000,PID_POWER)；

//通道A输出频率模拟量频率电压输出显示百分比计算0～100％--4～20mA

本发明简化公式算法，控制原理通俗易懂，方便设计者运用开发及普通用户使用。在满足使用要求的前提下，减少了软件开发过程中代码量，及复杂程度，并根据实际使用情况，在算法上加入了节能优化功能，有效提高整个系统的运行效率，增强系统实用性。

4、软件交互界面功能设计介绍

1、显示主界面设计

详细介绍：

南方泵业公司LOGO、系统版本V2.00、系统名称。

实时时间、日期。

PID频率000％；

出口设定压力；

出口实际压力；

进口实际压力；

泵识别及状态显示；

变频器运行参数：电压、电流、温度、转速、功率等；

每台泵的运行实时状态；

故障报警信息；

设备运行曲线；

设备识别泵数量；

设备总运行时间；

各级界面按键:监控界面、用户设置、系统设置、设备动画、数据记录等。

2、用户设置参数界面设计

详细介绍：

设定压力；单位Mpa，设定设备出口所需压力大小。

高压报警设定：单位Mpa，设定出口压力高限值，超过改造设备停机报警，自动复位。低压报警设定:单位Mpa，设定设备出口爆管保护压力，当设备满负荷运行时压力低限，低于改压力设备停机报警，手动复位；

最低频率设定：单位Hz，变频泵运行频率低限。

时间设定：设定系统运行时间。

用户密码设定：设定用户设置登录密码。

辅助运行压力：设定设备启动出口压力偏差值(出口压力减实际压力)，大于该值设备启动下一台待机泵投入运行，当前变频泵由变频转为工频，当设备休眠时，为设备启动偏差值。启动延时时间，单位：秒。

辅助停止压力：设定设备停止出口压力偏差值(出口压力减实际压力)，，大于该值设备停止一台工频泵，先启先停，当前只有一台变频泵时，设备停止该泵进入待机状态。停止延时时间，单位：秒。

顺次运行压力：只在设备变频器故障时有效，所有设备工频启动，工频停止，运行原理同辅助运行压力设定；

顺次停止压力：只在设备变频器故障时有效，所有设备工频启动，工频停止，运行原理同辅助停止压力设定；

预约运行：设备根据年、月、日不同的设定时间，根据相应的设定压力，定时改变设备出口运行设定压力值；

防冻运行：设备休眠时启动低频巡检功能；

3、系统参数设置功能设计

泵最高压力：系统运行最高压力设定上限,超过该压力，泵停机报警；

感应低压力：系统压力传感器最小感应压力级别，下限休眠压力参考偏差值；

感应高压力：系统压力传感器最高感应压力上限，故障辨别最高压力值。

感应器偏差：系统显示值与实际值偏差设定；

压差运行：功能使能，使用/不使用可选；

压差范围：运行时出水端与进水端压差范围；

进口高压报警：进水口压力报警上限；

进口低压报警：进水口压力报警下限；

(1)OptINV运行模式：

①NOTUSED：不使用该功能；

②SYNCMODE:SYNC模式运行变频器2；

③STACKMODE:STACK模式运行变频器2；

④TEMPMODE:TEMP模式运行变频器2；

⑤SmallPump1：小流量泵运行模式1；

⑥SmallPump2：小流量泵运行模式2；

⑦Inv2Mode：变频器互备运行模式；

(2)系统初始化设定：系统初始化功能选择，当选择YES时，等待3s左。

4、通讯参数功能设计(采用标准MODBUSRTU通讯协议)：

SlaveID:通讯参数地址。

BaudRate:波特率参数设定。

DelayTime：通讯延迟时间设定。

DateType：数据传输类型，电流型：Current；频率型：Herz。

DriveMode：控制类型选择系统控制：Contorller；485通讯控制：485。

5、运行动画界面及功能设计：

进水压力显示(无负压)；

实时显示1#泵～6#泵运行状态；

设备运行状态：设备停止/设备正常/设备故障；

泵识别数/运行数量/故障数量；

出水口实际压力、设定压力显示。

6、超级密码参数功能设计

语言设定：中英文语言选择；

运行限制：运行时间限制设定，999为无效值。

①当设备剩余2天运行时间时，系统停止并提示用户(按确定键可继续运行2天)：

②当设备剩余0天运行时间，系统已停止提示用户(请联系供应商)：

UnitType:压力单位选择，1：Bar；2：Kgf/cm2。

DACMin：频率电压输出下限。

DACMax：频率电压输出上限。

FANRun:风扇运行温度。

FANStop:风扇停止温度。

7、数据记录参数设计

故障报警记录共能保存最近发生的14项故障报警信息，故障报警数据循环存储。

1#泵～6#泵的数据记录存储，包括：运行时间、运行数据、故障次数。

运行次数：每次泵启动计数一次，最大值65535；

运行时间：单位小时计算，最大值65535；

报警次数：泵故障计数，最大值65535

8、防冻运行功能设计

防冻运行条件：(1)防冻运行使能(USED)；(2)环境温度低于0℃；(3)泵组处于休眠状态。

防冻运行间隔时间：每次防冻运行，泵启动的间隔时间。

防冻运行时间：泵防冻运行时间。

防冻运行频率：5至10Hz。

防冻运行间隔时间、防冻运行时间不可设为0，无效。

9、预约运行功能设计

1)按小时运行每天可按6段不同的压力运行；

例如：(00时设定压力为3.5Bar，07时设定压力为5.0Bar，则系统在00至07时运行压力为3.5Bar，07至00时运行压力为5.0Bar。)

2)按小时设定压力为00.0Bar时，为无效值。

3)按日运行月可按5段不同的压力运行，每星期可按工作日和、双休日分别设定运行压力值；

例如：(02日设定压力为3.5Bar，15日设定压力为5.0Bar，则系统在02至15日运行压力为3.5Bar，15至02日运行压力为5.0Bar。)

4)按日设定压力为00.0Bar或00日，为无效值。

5)按月运行每年可按6段不同的压力运行；

例如：(01月设定压力为3.5Bar，07月设定压力为5.0Bar，则系统在01至07月运行压力为3.5Bar，07至01月运行压力为5.0Bar。)

6)按月设定压力为00.0Bar或00月，为无效值。

10、故障报警功能设计

报警时设备蜂鸣器响，报警灯闪烁，同时液晶上显示故障内容。按复位清除键可复位该故障报警；

报警时LCD显示内容及故障报警功能设计(表2)

序号	显示内容	可能故障原因	复位
				1	低水位报警	进水管路缺水，或有空气	自动
2	泵过载	电机过热	自动
				3	传感器异常	压力传感器故障	自动
4	变频器1故障	变频器1故障	手动
				5	变频器2故障	变频器2故障	手动
6	压力异常报警	外部压力异常	自动
				7	高压报警	出水口压力高	自动
8	低压报警	出水口压力低	自动
				9	进水高压报警	进水口压力高	自动
10	进水低压报警	进水口压力低	自动
				11	出水口超压	出水口超压	自动
12	水位溢出	外部检测水位溢出	自动

NFC2.00闭环控制设计方案如图8所示：说明：在控制输出过程中，系统的输入参考值M与实际值Kn，通过计算公式：A＝N(M-Kn)+F(Kn-Kn-1)-Cu*u与Pout＝Pout+A计算后输出频率控制信号Pout给变频器，变频器输出相应频率Hz；使被控对象(泵)输出相应转速为管网增压，压力通过反馈信号(传感器检测)，再次得到新的实际反馈值Kn。原Kn值则变为Kn-1，在算法中根据实际情况增加相应的节能系数Cu和u，起到节能优化的效果。

闭环控制系统运行曲线如图7所示(实际运行效果)：说明：系统设定目标值M,实际值Kn；变频输出值Pout；在t＝0时系统启动输出，此时M-Kn差值为最大，变频输出值Pout增加到最大值，此时变化速率最快；系统在t0时刻，进入泵组切换阶段，变频输出值由最大值第一次复位为0，重新带入公式A＝N(M-Kn)+F(Kn-Kn-1)-Cu*u与Pout＝Pout+A计算，Kn值不断增加；在t1时刻，M-Kn差值达到最小(约0.01Mpa)，系统进入输出平衡状态。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种三核极速恒压变频控制方法，其特征在于：在控制输出过程中，系统的输入参考值M与实际值Kn，通过计算公式：A＝N(M-Kn)+F(Kn-Kn-1)-Cu*u与Pout＝Pout+A计算后输出频率控制信号Pout给变频器，变频器输出相应频率Hz；使被控对象(泵)输出相应转速为管网增压，压力通过传感器检测反馈信号，再次得到新的实际反馈值Kn,原Kn值则变为Kn-1；其中，

A:数字量频率输出值变化系数；

N：实际差值比例系数(给定值)；

M：设定目标值；

Kn：当前实际值(n：第n个周期)；

F:过程量差值比例系数(给定值)；

Cu：节能比例优化系数(给定值)；

U：节能优化值；

Pout:数字量频率实际输出值。

2.根据权利要求1所述的三核极速恒压变频控制方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：

系统上电初始化程序流程：

(1)、显示接口初始化、系统看门狗信号复位、电源电压信号检测、时钟信号复位；

(2)、电源电压信号检测是否正常：上电时MCU识别电压管理芯片POWERGOOD信号，若芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步；

(3)、看门狗复位信号是否正常：上电时MCU识别外部看门狗芯片GOOD信号，若芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步；

(4)、液晶复位信号是否正常：上电时MCU识别液晶控制芯片GOOD信号，若芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步；

(5)、时钟复位信号是否正常：上电时MCU识别时钟芯片GOOD信号，若芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步；

(6)、开关量I/O接口复位：MCU对所有开关量I/O接口进行复位成输出高电平；

(7)、检测开关量I/O接口复位是否正常：MCU识别开关量I/O接口复位GOOD信号，若复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步；

(8)、数字量I/O接口复位：MCU对所有数字量I/O接口及DA处理芯片进行复位输出高电平；

(9)、检测数字量I/O接口及DA处理芯片复位是否正常：MCU识别数字量I/O接口及DA处理芯片复位GOOD信号，若接口及芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步；

(10)、模拟量I/O接口复位：MCU对所有模拟量I/O接口及AD处理芯片进行复位输出高电平；

(11)、检测模拟量I/O接口及AD处理芯片复位是否正常：MCU识别模拟量I/O接口及AD处理芯片复位GOOD信号，若接口及芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步；

(12)、RS485通讯接口复位：MCU对所有串行通讯接口及RS485芯片进行复位输出高电平；

(13)、检测串行通讯接口及RS485芯片复位是否正常：MCU识别串行通讯接口及RS485处理芯片复位GOOD信号，若接口及芯片复位失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步；

(14)、系统数据初始化：系统对所有全局变量、EEPROM存储数据进行初始化，MCU识别初始化返回的GOOD信号，若初始化失败，系统返回重启初始化过程，若正常，执行下一步；

系统启动运行程序流程：

(1)、过程变量数据初始化：读取EEPROM存储数据，系统启动参数按设定值初始化；

(2)、判断过程变量数据初始化是否成功，MCU识别初始化GOOD信号，若初始化失败，系统返回重启过程变量初始化过程，若成功，执行下一步；

(3)、检测设备运行数据故障信号情况：对初始化后的数据进行检测；

(4)、检测数据是否符合系统启动运行要求，若不符合，系统执行第5步；否则，执行第7步；

(5)、设备故障报警输出，继续检测设备各项数据信号及系统复位信号；

(6)、检测系统复位信号：检测是否有复位信号，若没有，返回执行第5步；反之，执行下一步；

(7)、检测运行信号是否为“1”：若为“0”，返回执行第3步；反之，执行下一步；

(8)、启动闭环频率输出控制程序集泵组切换逻辑控制程序；

NFC闭环控制程序流程：

(3)、实际4～20mA模拟量数据过滤，AD转换：为闭环控制系统提供实际数字量参数；

(4)、检测数据是否符合要求，若不符合，系统返回执行第3步；否则，执行第5步；

(5)、频率输出数据计算：公式：A＝N(M-Kn)+F(Kn-Kn-1)-Cu*u；

(6)、频率信号A值,DA转换为模拟信号，4～20mA输出；

(7)、检测A值是否达到切换泵设定值要求，若未达到，返回执行第3步；否则，执行第8步；

(8)、启动切换泵逻辑控制：启动启动切换泵逻辑控制功能程序；

启动切换逻辑控制程序流程：

(3)、泵组运行位置识别机检测变频故障：泵组切换时的位置确定，及变频泵是否有故障；

(4)、检测变频是否故障，若有故障，执行第5步；否则，执行第6步；

(5)、检测故障是否复位：若复位返回执行第3步，否则功能流程结束；

(6)、变频泵启动运行及故障检测：变频泵运行启动，并实时检测故障信号；

(7)、检测是否达到切换泵条件及是否运行正常：检测实时数据，判断是否到达切换设定值要求，并实时检测当前运行状态是否正常；若异常，系统返回第3步，否则执行下一步；

(8)、切换变频泵为工频运行，启动下一台泵为变频泵并输出复位信号；

(9)、检测当前工频泵是否故障：MCU接收当前工频泵运行故障信号，若为“1”执行第10步，否则流程结束；

(10)、停止当前工频泵运行，并报警：系统自动返回执行第8步。