劉自放 李長友 陳艷勇 黃作能 胡傳寶
長春工程學(xué)院環(huán)工系 (130012) 摘要: 采用西門子公司（SIEMENS）具有PID閉環(huán)調(diào)節(jié)功能的變頻器、孔板差壓流量計組成變頻調(diào)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(chǔ)上分析基礎(chǔ)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(chǔ)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(diào)節(jié)器、變頻器參數(shù)的整定，具有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：PID控制 變頻調(diào)速 正交實驗 參數(shù)整定 隨著水泵變頻調(diào)速控制技術(shù)的不斷進步，采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)水泵的調(diào)速運行，已成為水泵調(diào)速系統(tǒng)的首選方案。由于水泵變頻調(diào)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(yīng)用。但在實際工程中，許多類型的調(diào)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(diào)速系統(tǒng)調(diào)試與運行管理的一大障礙，在一定程度上影響了調(diào)節(jié)器、變頻器的廣泛應(yīng)用。本文以帶PID閉環(huán)調(diào)節(jié)功能的(SIEMENS)變頻器組成的變頻調(diào)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(diào)速恒流供水系統(tǒng)工作的影響。 1．變頻調(diào)速水泵恒流供水實驗系統(tǒng) 圖1為一水泵變頻調(diào)速恒流供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由水泵機組、具有PID調(diào)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(biāo)。系統(tǒng)主要設(shè)備為西門子公司(SIEMENS)帶PID閉環(huán)調(diào)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(diào)速控制。該變頻器可靈活編程設(shè)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(shè)定：具有很強的設(shè)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(shè)定表 表１| 參數(shù)代碼 | 參數(shù)功能 | 參數(shù)范圍 | 參數(shù)設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)定表中P211、P212、P321、P322、P323的設(shè)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(diào)節(jié)關(guān)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(fù)調(diào)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(fù)調(diào)整新增參數(shù)的值；每進行一次調(diào)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(biāo)準(zhǔn)，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(jié)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(shè)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(diào)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(guān)斷和開啟閥門的方法制造流量擾動，并記錄超調(diào)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 | | 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) | | 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(biāo)，待定參數(shù)同一水平過渡過程指標(biāo)值的均值，見表5。 待定參數(shù)同一水平過渡過程指標(biāo)值的均值 表5| 過濾過程指標(biāo) | 待定參數(shù)某水平下過渡過程指標(biāo)值的均值 | | 水平 | P | I | D | T | n | w | | 超調(diào)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(biāo)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(biāo)值的極差 表6| 過渡過程指標(biāo) | 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(jié)果 1）待定參數(shù)對過渡過程指標(biāo)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(biāo)值的影響如下：
a）影響超調(diào)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(quán)重不同時，會得出不同的結(jié)論。本文依穩(wěn)定后波動幅值（d）、超調(diào)量（y）、過濾時間（t）為權(quán)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。 變頻器主要運行參數(shù)最佳值 表7| 參數(shù)名稱 | P | I | D | T | n | w | | 參數(shù)最佳值 | 1.5 | 0.1 | 10 | 50 | 50 | 40 | 表7與表2對照可知，最佳參數(shù)與初定參數(shù)的取值發(fā)生了變化，但從實驗中得出的更重要的結(jié)論是：對過渡過程的要求不同時，應(yīng)選取不用的待定的參數(shù)值，這樣才能取得最好的系統(tǒng)控制效果。 | 
