調節(jié)器、變頻器多參數(shù)共同作用對水泵變頻調速系統(tǒng)運行的影響

論文類型	運營與管理	發(fā)表日期	2001-05-01
來源	2001年全國水處理自動化控制學術研究會年會
作者	劉自放,李長友,陳艷勇,黃作能,胡傳寶
關鍵詞	PID控制變頻調速正交實驗參數(shù)整定
摘要	劉自放李長友陳艷勇黃作能胡傳寶長春工程學院環(huán)工系 (130012) 　　摘要: 采用西門子公司（SIEMENS）具有PID閉環(huán)調節(jié)功能的變頻器、孔板差壓流量計組成變頻調速恒流控制系統(tǒng)進行正交實驗，研究比便增益（P）、積分增益（I）、微分增益（D）、采樣周T）、濾波 ...

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作者：

劉自放;李長友;陳艷勇;黃作能;胡傳寶;

發(fā)布時間：

2001-5-9

出自：

2001年全國水處理自動化控制學術研究會年會

關鍵字：

PID控制;變頻調速;正交實驗;參數(shù)整定

摘要：

簡介：

劉自放李長友陳艷勇黃作能胡傳寶
長春工程學院環(huán)工系 (130012)

　　摘要: 采用西門子公司（SIEMENS）具有PID閉環(huán)調節(jié)功能的變頻器、孔板差壓流量計組成變頻調速恒流控制系統(tǒng)進行正交實驗，研究比便增益（P）、積分增益（I）、微分增益（D）、采樣周T）、濾波次數(shù)（n）與積分范圍（W）等多參數(shù)共郵政信箱下，對恒流供水系統(tǒng)的影響，并在實驗基礎上分析基礎上分析給出恒流供水系統(tǒng)的最佳參數(shù)。該實驗所小腦的參數(shù)整定問題，并在實驗基礎上分析給出恒流供水系統(tǒng)的最佳參數(shù)。該實驗所小腦的參數(shù)整定問題，對于一般閉環(huán)PID控制的恒流、恒壓供水系統(tǒng)，進行調節(jié)器、變頻器參數(shù)的整定，具有一定的借鑒意義。
　　關鍵詞：PID控制變頻調速正交實驗參數(shù)整定

　　隨著水泵變頻調速控制技術的不斷進步，采用變頻調速技術實現(xiàn)水泵的調速運行，已成為水泵調速系統(tǒng)的首選方案。由于水泵變頻調速恒流供水系統(tǒng)具有控制靈活、啟停平穩(wěn)、流量穩(wěn)定、節(jié)約能源等優(yōu)點，所以在給水排水工程中得到了越來越廣泛的應用。但在實際工程中，許多類型的調節(jié)器與變頻器參數(shù)繁多，給系統(tǒng)運行參數(shù)的整定帶來了一定的困難，有時難以將其整定至最佳狀態(tài)。以至成為變頻調速系統(tǒng)調試與運行管理的一大障礙，在一定程度上影響了調節(jié)器、變頻器的廣泛應用。本文以帶PID閉環(huán)調節(jié)功能的(SIEMENS)變頻器組成的變頻調速系統(tǒng)的參數(shù)整定為實例，通過實驗研究多參數(shù)共同作用下，對變頻調速恒流供水系統(tǒng)工作的影響。

　　1．變頻調速水泵恒流供水實驗系統(tǒng)

　　圖1為一水泵變頻調速恒流供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由水泵機組、具有PID調節(jié)功能的變頻器、孔板流量傳感器、供水管路等組成。圖中，供水管路以供水流量恒定在l±0．05m3／h為系統(tǒng)運行目標。系統(tǒng)主要設備為西門子公司(SIEMENS)帶PID閉環(huán)調節(jié)功能的MMV型變頻器。

　　該變頻器功能強大，比較適合用于簡單的恒壓、恒流供水系統(tǒng)的水泵變頻調速控制。該變頻器可靈活編程設定給定信號與反饋信號的類型及比率；PID等閉環(huán)控制參數(shù)；漸變頻率啟泵與停泵的漸變延時時間；最大、最小工作頻率及其他運行參數(shù)等的設定：具有很強的設備超限運行及安全保證功能；等等。
　　根據(jù)系統(tǒng)運行要求，選定變頻器的主要工作參數(shù)，如表1。

**變頻器主要工作參數(shù)設定表　　　　　　表１**
參數(shù)代碼	參數(shù)功能	參數(shù)范圍	參數(shù)設定值	參數(shù)說明
P001	顯示選擇	0-9	0	顯示輸出頻率
P002	加速時間(秒)	0-650	20	水泵啟動時間為20秒
P003	減速時間(秒)	0-650	20	水泵停泵時間為20秒
P006	頻率設定方式選擇	0—3	1	通過模擬量輸入完成頻率控制
P010	顯示量比例系數(shù)	0—500	1	輸出頻率實際值
P012	最小電機頻率(Hz)	0—400	0	最小電機工作頻率(Hz)
P013	最大電機頻率(Hz)	0—	50	最大電機工作頻率(Hz)
P021	最小給定模擬量頻率	0—650	0	最小給定模擬量時輸出頻率為工作頻率(50Hz)的0％
P022	最大給定模擬量頻率	0—650	100	最大給定模擬量時輸出頻率為工作頻率(50Hz)的l00％
P023	給定模擬量輸人類型	0—3	0	0---10V模擬量信號輸入
P208	反饋傳感器作用類型	0—1	0	電機轉速升高，引起反饋信號值增加
P211	反饋信號0％	0—100	0	反饋信號0％對應輸出頻率的最小工作頻率
P212	反饋信號100％	0—l00	50	反饋信號50％對應輸出頻率的最大工作頻率
P321	最小反饋模擬量頻率	0—650	0	最小反饋模擬量時輸出頻率為工作頻率(50Hz)的0％
P322	最大反饋模擬量頻率	0—650	100	最大反饋模擬量時輸出頻率為工作頻率(50Hz)的100％
P323	反饋模擬量輸入類型	0—2	0	0--10V模擬量信號輸入

　　流量傳感器 選用量程范圍為0—5m3／h、精度為0．2％、零點至滿量程對應輸出0—5V信號電壓的孔板差壓流量傳感器。因傳感器滿量程信號僅為變頻器規(guī)定輸人信號的50％，故上表參數(shù)設定表中P211、P212、P321、P322、P323的設定非常重要。
　　給定值 采用變頻器規(guī)定使用的4．7K多圈電位器進行給定值模擬量輸入，輸入類型為0一l0V模擬量信號。
　　以上即為本文的恒流供水實驗系統(tǒng)。

　　2．恒流供水試驗

　　系統(tǒng)實驗分為兩步，第一步先進行初運行實驗，選取變頻器中與閉環(huán)調節(jié)關系比較密切的比例增益(P)、積分增益(I)、微分增益(D)、采樣周期(T)、濾波次數(shù)(n)與積分范圍(W)等參數(shù)為主要實驗參數(shù)，然后根據(jù)PID控制原理及參數(shù)的經(jīng)驗整定規(guī)律，確定比例增益(P＝2)、積分增益(I＝0)、微分增益(D＝0)、采樣周期(T＝100ms)、濾波次數(shù)(n＝5)、積分范圍(W＝0)為系統(tǒng)的初始值，然后按照P、I、D、T、n、W的先后順序，待前一參數(shù)反復調整并找到較佳取值后將其固定；接著再增加后一新的參數(shù)并反復調整新增參數(shù)的值；每進行一次調節(jié)，均以系統(tǒng)能夠在目前取值情況下較穩(wěn)定的工作為判斷標準，最終確定上述各參數(shù)的大致值。系統(tǒng)參數(shù)初值與最終實驗取值結果見表2。

**變頻器主要運行參數(shù)試運行初定值　　　表２**
參數(shù)名稱	P	I	D	T	n	w
參數(shù)初定值	1	0	0	100	5	0
參數(shù)大致值	1.2	0.1	10	50	10	30

　　試運行期間，由于極難同時考慮上述6項參數(shù)同時改變對系統(tǒng)的影響，故整定的參數(shù)并不是整體組合最優(yōu)。為找出上述6項參數(shù)的最佳組合，以初運行參數(shù)為參考，還需進一步進行實驗。
　　考慮到實驗必須能夠在多因素影響下以較少的實驗次數(shù)找出各參數(shù)對系統(tǒng)運行的影響規(guī)律，故設計正交實驗方案進行下一步的實驗。鑒于西門子變頻器參數(shù)調整較為方便，故選定6因素5水平25次實驗的L₂₅（5⁶）正交實驗表進行實驗。
　　實驗采用突然關斷和開啟閥門的方法制造流量擾動，并記錄超調量（y1、y2）、過渡時間（t1、t2）每組參數(shù)平行實驗2次，第二次系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄波動幅值（d）。各因素正交實驗水平取值見表3，正交實驗數(shù)據(jù)見表4。

**各因素實驗水平取值表3**
水平	實驗因素
水平	P	I	D	T	N	W
1	0.5	0	0	1	1	1
2	1.0	0.05	5	25	25	20
3	1.5	0.10	10	50	50	40
4	2.0	0.15	15	75	75	60
5	2.5	0.20	20	100	100	80

**變頻器6參數(shù)5水平正交實驗方案及實驗數(shù)據(jù) 表4**
序號	變頻器待整定參數(shù)水平						正交實驗數(shù)據(jù)
序號	P	I	D	T	n	w	y1	y2	t1	t2	d
1	1	1	1	1	1	1	6	6	5.99	5.76	0
2	1	2	2	2	2	2	7	6	5.69	5.30	1.5
3	1	3	3	3	3	3	7	7	6.31	6.30	2
4	1	4	4	4	4	4	12	11	8.45	7.42	3.5
5	1	5	5	5	5	5	13	14	9.61	9.29	3
6	2	1	2	3	4	5	68	66	10.78	9.61	4
7	2	2	3	4	5	1	65	76	9.78	11.21	8
8	2	3	4	5	1	2	64	65	8.99	9.64	7
9	2	4	5	1	2	3	96	94	9.17	9.39	0
10	2	5	1	2	3	4	96	97	10.75	12.20	0
11	3	1	3	5	2	4	70	72	9.79	9.49	8
12	3	2	4	1	3	5	92	95	6.69	6.17	0
13	3	3	5	2	4	1	75	73	8.15	8.27	4
14	3	4	1	3	5	2	84	88	13.81	14.55	5
15	3	5	2	4	1	3	92	92	8.61	8.11	3
16	4	1	4	2	5	3	82	82	9.27	9.14	4
17	4	2	5	3	1	4	72	70	6.68	6.20	2
18	4	3	1	4	2	5	92	92	11.54	11.69	0
19	4	4	2	5	3	1	82	82	10.45	10.09	8
20	4	5	3	1	4	2	90	92	7.10	7.36	0
21	5	1	5	4	3	2	76	78	8.56	8.23	4
22	5	2	1	5	4	3	92	92	14.14	14.19	13
23	5	3	2	1	5	4	93	91	5.93	5.59	0
24	5	4	3	2	1	5	92	92	5.10	5.23	0
25	5	5	4	3	2	1	76	78	7.56	7.12	5

　　表4中，前1--5個序號的實驗由于流量太小，無法滿足管路系統(tǒng)的運行要求，故將這部分實驗數(shù)據(jù)剔除。
　　從6--25序號的實驗數(shù)據(jù)中，分別計算y=（y1+y2）/2，t=（t1+t2)/2，d三項控制過程狀態(tài)指標，待定參數(shù)同一水平過渡過程指標值的均值，見表5。

**待定參數(shù)同一水平過渡過程指標值的均值表5**
過濾過程指標	待定參數(shù)某水平下過渡過程指標值的均值
過濾過程指標	水平	P	I	D	T	n	w
超調量y	1	×	99.0	122.2	123.8	106.5	101.2
	2	98.4	109.0	111.0	114.8	111.7	106.2
	3	104.1	107.5	108.2	100.3	116.3	120.3
	4	104.5	118.3	105.7	110.5	108.0	110.2
	5	107.5	118.8	105.7	1032	110.2	114.8
過渡時間t	1	×	12.5	17.1	9.6	9.8	12.1
	2	12.7	12.5	11.5	12.7	12.6	13.0
	3	11.7	11.6	10.8	13.0	12.2	13.7
	4	11.2	13.0	10.8	13.0	13.3	11.1
	5	10.2	11.5	10.8	14.5	13.2	11.1
穩(wěn)定后被動幅值d	1	×	6.7	6.0	0.0	4.0	8.3
	2	4.8	7.7	5.0	2.7	4.3	5.3
	3	5.0	3.7	5.3	5.3	4.0	6.7
	4	3.5	4.3	5.3	5.0	7.0	3.3
	5	5.5	2.7	3.3	12.0	5.7	1.3

　　注：表中“×”表示該項數(shù)據(jù)已剔除。
　　根據(jù)表2所得數(shù)據(jù)，可進行各待定參數(shù)同水平下過渡過程指標值均值的極差計算，見表6。

**各待定參數(shù)同一水平過渡過程指標值的極差表6**
過渡過程指標	P	I	D	T	N	W
y	9.1	19.8	16.5	123.5	9.8	19.2
t	2.5	1.5	6.4	4.9	3.5	2.6
d	2.0	5.0	2.7	12.0	3.0	7.0

　　3、實驗數(shù)據(jù)分析與結果

　　1）待定參數(shù)對過渡過程指標值的影響：由表6可以看出，在所給定的6個待定參數(shù)及其水平值變化范圍內(nèi)，對過渡過程指標值的影響如下：
　　a）影響超調量（y）的前三個因素依次為采樣周期（t)、積分增益（i）和積分范圍（w）；
　　b）影響過渡時間（t）的前三個因素依次為微分增益（D）、采樣周期（T）和濾波次數(shù)（n）；
　　c）影響穩(wěn)定后波動幅值（d）的前三個因素依次為采樣周期（T)、積分范圍（W）和積分增益（I）；
　　2）各參數(shù)的最佳值：從表5中可以看出，y、t、d各過渡參數(shù)對6個待定參數(shù)的最佳值要求并不一致，甚至相互矛盾，考慮y、t、d三者權重不同時，會得出不同的結論。本文依穩(wěn)定后波動幅值（d）、超調量（y）、過濾時間（t）為權重順序，綜合考慮對過渡過程的影響，對表5進行直觀分析，并給出各待定參數(shù)的最佳值如表7。