調節器、變頻器多參數共同作用對水泵變頻調速系統運行的影響

論文類型	運營與管理	發表日期	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工系 (130012) 　　摘要: 采用西門子公司（SIEMENS）具有PID閉環調節功能的變頻器、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
長春工程學院環工系 (130012)

　　摘要: 采用西門子公司（SIEMENS）具有PID閉環調節功能的變頻器、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（n）與積分范圍（W）等多參數共郵政信箱下，對恒流供水系統的影響，并在實驗基礎上分析基礎上分析給出恒流供水系統的最佳參數。該實驗所小腦的參數整定問題，并在實驗基礎上分析給出恒流供水系統的最佳參數。該實驗所小腦的參數整定問題，對于一般閉環PID控制的恒流、恒壓供水系統，進行調節器、變頻器參數的整定，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水泵的調速運行，已成為水泵調速系統的首選方案。由于水泵變頻調速恒流供水系統具有控制靈活、啟停平穩、流量穩定、節約能源等優點，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，許多類型的調節器與變頻器參數繁多，給系統運行參數的整定帶來了一定的困難，有時難以將其整定至最佳狀態。以至成為變頻調速系統調試與運行管理的一大障礙，在一定程度上影響了調節器、變頻器的廣泛應用。本文以帶PID閉環調節功能的(SIEMENS)變頻器組成的變頻調速系統的參數整定為實例，通過實驗研究多參數共同作用下，對變頻調速恒流供水系統工作的影響。

　　1．變頻調速水泵恒流供水實驗系統

　　圖1為一水泵變頻調速恒流供水系統。該系統主要由水泵機組、具有PID調節功能的變頻器、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為系統運行目標。系統主要設備為西門子公司(SIEMENS)帶PID閉環調節功能的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等閉環控制參數；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。
　　根據系統運行要求，選定變頻器的主要工作參數，如表1。

**變頻器主要工作參數設定表　　　　　　表１**
參數代碼	參數功能	參數范圍	參數設定值	參數說明
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	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定輸人信號的50％，故上表參數設定表中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。

　　2．恒流供水試驗

　　系統實驗分為兩步，第一步先進行初運行實驗，選取變頻器中與閉環調節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(n)與積分范圍(W)等參數為主要實驗參數，然后根據PID控制原理及參數的經驗整定規律，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(n＝5)、積分范圍(W＝0)為系統的初始值，然后按照P、I、D、T、n、W的先后順序，待前一參數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并反復調整新增參數的值；每進行一次調節，均以系統能夠在目前取值情況下較穩定的工作為判斷標準，最終確定上述各參數的大致值。系統參數初值與最終實驗取值結果見表2。

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

　　試運行期間，由于極難同時考慮上述6項參數同時改變對系統的影響，故整定的參數并不是整體組合最優。為找出上述6項參數的最佳組合，以初運行參數為參考，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找出各參數對系統運行的影響規律，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）每組參數平行實驗2次，第二次系統穩定后記錄波動幅值（d）。各因素正交實驗水平取值見表3，正交實驗數據見表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5水平正交實驗方案及實驗數據表4**
序號	變頻器待整定參數水平						正交實驗數據
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，無法滿足管路系統的運行要求，故將這部分實驗數據剔除。
　　從6--25序號的實驗數據中，分別計算y=（y1+y2）/2，t=（t1+t2)/2，d三項控制過程狀態指標，待定參數同一水平過渡過程指標值的均值，見表5。

**待定參數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“×”表示該項數據已剔除。
　　根據表2所得數據，可進行各待定參數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、實驗數據分析與結果

　　1）待定參數對過渡過程指標值的影響：由表6可以看出，在所給定的6個待定參數及其水平值變化范圍內，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（n）；
　　c）影響穩定后波動幅值（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）各參數的最佳值：從表5中可以看出，y、t、d各過渡參數對6個待定參數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，并給出各待定參數的最佳值如表7。