调节器、变频器多参数共同作用对水泵变频调速系统运行的影响

论文类型	运营与管理	发表日期	2001-05-01
来源	2001年全国水处理自动化控制学术研究会年会
作者	刘自放,李长友,陈艳勇,黄作能,胡传宝
关键词	PID控制变频调速正交实验参数整定
摘要	刘自放李长友陈艳勇黄作能胡传宝长春工程学院环工系 (130012) 　　摘要: 采用西门子公司（SIEMENS）具有PID闭环调节功能的变频器、孔板差压流量计组成变频调速恒流控制系统进行正交实验，研究比便增益（P）、积分增益（I）、微分增益（D）、采样周T）、滤波 ...

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可见全文

作者：

刘自放;李长友;陈艳勇;黄作能;胡传宝;

发布时间：

2001-5-9

出自：

2001年全国水处理自动化控制学术研究会年会

关键字：

PID控制;变频调速;正交实验;参数整定

摘要：

简介：

刘自放李长友陈艳勇黄作能胡传宝
长春工程学院环工系 (130012)

　　摘要: 采用西门子公司（SIEMENS）具有PID闭环调节功能的变频器、孔板差压流量计组成变频调速恒流控制系统进行正交实验，研究比便增益（P）、积分增益（I）、微分增益（D）、采样周T）、滤波次数（n）与积分范围（W）等多参数共邮政信箱下，对恒流供水系统的影响，并在实验基础上分析基础上分析给出恒流供水系统的最佳参数。该实验所小脑的参数整定问题，并在实验基础上分析给出恒流供水系统的最佳参数。该实验所小脑的参数整定问题，对于一般闭环PID控制的恒流、恒压供水系统，进行调节器、变频器参数的整定，具有一定的借鉴意义。
　　关键词：PID控制变频调速正交实验参数整定

　　随着水泵变频调速控制技术的不断进步，采用变频调速技术实现水泵的调速运行，已成为水泵调速系统的首选方案。由于水泵变频调速恒流供水系统具有控制灵活、启停平稳、流量稳定、节约能源等优点，所以在给水排水工程中得到了越来越广泛的应用。但在实际工程中，许多类型的调节器与变频器参数繁多，给系统运行参数的整定带来了一定的困难，有时难以将其整定至最佳状态。以至成为变频调速系统调试与运行管理的一大障碍，在一定程度上影响了调节器、变频器的广泛应用。本文以带PID闭环调节功能的(SIEMENS)变频器组成的变频调速系统的参数整定为实例，通过实验研究多参数共同作用下，对变频调速恒流供水系统工作的影响。

　　1．变频调速水泵恒流供水实验系统

　　图1为一水泵变频调速恒流供水系统。该系统主要由水泵机组、具有PID调节功能的变频器、孔板流量传感器、供水管路等组成。图中，供水管路以供水流量恒定在l±0．05m3／h为系统运行目标。系统主要设备为西门子公司(SIEMENS)带PID闭环调节功能的MMV型变频器。

　　该变频器功能强大，比较适合用于简单的恒压、恒流供水系统的水泵变频调速控制。该变频器可灵活编程设定给定信号与反馈信号的类型及比率；PID等闭环控制参数；渐变频率启泵与停泵的渐变延时时间；最大、最小工作频率及其他运行参数等的设定：具有很强的设备超限运行及安全保证功能；等等。
　　根据系统运行要求，选定变频器的主要工作参数，如表1。

**变频器主要工作参数设定表　　　　　　表１**
参数代码	参数功能	参数范围	参数设定值	参数说明
P001	显示选择	0-9	0	显示输出频率
P002	加速时间(秒)	0-650	20	水泵启动时间为20秒
P003	减速时间(秒)	0-650	20	水泵停泵时间为20秒
P006	频率设定方式选择	0—3	1	通过模拟量输入完成频率控制
P010	显示量比例系数	0—500	1	输出频率实际值
P012	最小电机频率(Hz)	0—400	0	最小电机工作频率(Hz)
P013	最大电机频率(Hz)	0—	50	最大电机工作频率(Hz)
P021	最小给定模拟量频率	0—650	0	最小给定模拟量时输出频率为工作频率(50Hz)的0％
P022	最大给定模拟量频率	0—650	100	最大给定模拟量时输出频率为工作频率(50Hz)的l00％
P023	给定模拟量输人类型	0—3	0	0---10V模拟量信号输入
P208	反馈传感器作用类型	0—1	0	电机转速升高，引起反馈信号值增加
P211	反馈信号0％	0—100	0	反馈信号0％对应输出频率的最小工作频率
P212	反馈信号100％	0—l00	50	反馈信号50％对应输出频率的最大工作频率
P321	最小反馈模拟量频率	0—650	0	最小反馈模拟量时输出频率为工作频率(50Hz)的0％
P322	最大反馈模拟量频率	0—650	100	最大反馈模拟量时输出频率为工作频率(50Hz)的100％
P323	反馈模拟量输入类型	0—2	0	0--10V模拟量信号输入

　　流量传感器 选用量程范围为0—5m3／h、精度为0．2％、零点至满量程对应输出0—5V信号电压的孔板差压流量传感器。因传感器满量程信号仅为变频器规定输人信号的50％，故上表参数设定表中P211、P212、P321、P322、P323的设定非常重要。
　　给定值 采用变频器规定使用的4．7K多圈电位器进行给定值模拟量输入，输入类型为0一l0V模拟量信号。
　　以上即为本文的恒流供水实验系统。

　　2．恒流供水试验

　　系统实验分为两步，第一步先进行初运行实验，选取变频器中与闭环调节关系比较密切的比例增益(P)、积分增益(I)、微分增益(D)、采样周期(T)、滤波次数(n)与积分范围(W)等参数为主要实验参数，然后根据PID控制原理及参数的经验整定规律，确定比例增益(P＝2)、积分增益(I＝0)、微分增益(D＝0)、采样周期(T＝100ms)、滤波次数(n＝5)、积分范围(W＝0)为系统的初始值，然后按照P、I、D、T、n、W的先后顺序，待前一参数反复调整并找到较佳取值后将其固定；接着再增加后一新的参数并反复调整新增参数的值；每进行一次调节，均以系统能够在目前取值情况下较稳定的工作为判断标准，最终确定上述各参数的大致值。系统参数初值与最终实验取值结果见表2。

**变频器主要运行参数试运行初定值　　　表２**
参数名称	P	I	D	T	n	w
参数初定值	1	0	0	100	5	0
参数大致值	1.2	0.1	10	50	10	30

　　试运行期间，由于极难同时考虑上述6项参数同时改变对系统的影响，故整定的参数并不是整体组合最优。为找出上述6项参数的最佳组合，以初运行参数为参考，还需进一步进行实验。
　　考虑到实验必须能够在多因素影响下以较少的实验次数找出各参数对系统运行的影响规律，故设计正交实验方案进行下一步的实验。鉴于西门子变频器参数调整较为方便，故选定6因素5水平25次实验的L₂₅（5⁶）正交实验表进行实验。
　　实验采用突然关断和开启阀门的方法制造流量扰动，并记录超调量（y1、y2）、过渡时间（t1、t2）每组参数平行实验2次，第二次系统稳定后记录波动幅值（d）。各因素正交实验水平取值见表3，正交实验数据见表4。

**各因素实验水平取值表3**
水平	实验因素
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

**变频器6参数5水平正交实验方案及实验数据表4**
序号	变频器待整定参数水平						正交实验数据
序号	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个序号的实验由于流量太小，无法满足管路系统的运行要求，故将这部分实验数据剔除。
　　从6--25序号的实验数据中，分别计算y=（y1+y2）/2，t=（t1+t2)/2，d三项控制过程状态指标，待定参数同一水平过渡过程指标值的均值，见表5。

**待定参数同一水平过渡过程指标值的均值表5**
过滤过程指标	待定参数某水平下过渡过程指标值的均值
过滤过程指标	水平	P	I	D	T	n	w
超调量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
过渡时间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
稳定后被动幅值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“×”表示该项数据已剔除。
　　根据表2所得数据，可进行各待定参数同水平下过渡过程指标值均值的极差计算，见表6。

**各待定参数同一水平过渡过程指标值的极差表6**
过渡过程指标	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、实验数据分析与结果

　　1）待定参数对过渡过程指标值的影响：由表6可以看出，在所给定的6个待定参数及其水平值变化范围内，对过渡过程指标值的影响如下：
　　a）影响超调量（y）的前三个因素依次为采样周期（t)、积分增益（i）和积分范围（w）；
　　b）影响过渡时间（t）的前三个因素依次为微分增益（D）、采样周期（T）和滤波次数（n）；
　　c）影响稳定后波动幅值（d）的前三个因素依次为采样周期（T)、积分范围（W）和积分增益（I）；
　　2）各参数的最佳值：从表5中可以看出，y、t、d各过渡参数对6个待定参数的最佳值要求并不一致，甚至相互矛盾，考虑y、t、d三者权重不同时，会得出不同的结论。本文依稳定后波动幅值（d）、超调量（y）、过滤时间（t）为权重顺序，综合考虑对过渡过程的影响，对表5进行直观分析，并给出各待定参数的最佳值如表7。