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調(diào)節(jié)器、變頻器多參數(shù)共同作用對水泵變頻調(diào)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(xué)術(shù)研究會年會
作者 劉自放,李長友,陳艷勇,黃作能,胡傳寶
關(guān)鍵詞 PID控制 變頻調(diào)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(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 ...

標(biāo)題:

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

可見全文

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(xué)術(shù)研究會年會

關(guān)鍵字:

PID控制;變頻調(diào)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(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 0-90顯示輸出頻率
P002加速時間(秒)0-65020水泵啟動時間為20秒
P003 減速時間(秒)0-65020水泵停泵時間為20秒
P006頻率設(shè)定方式選擇0—31通過模擬量輸入完成頻率控制
P010顯示量比例系數(shù)0—5001輸出頻率實際值
P012最小電機頻率(Hz) 0—4000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—6500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—650100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—300---10V模擬量信號輸入
P208反饋傳感器作用類型0—10電機轉(zhuǎn)速升高,引起反饋信號值增加
P211反饋信號0%0—1000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—l0050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—6500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—650100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—200--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PIDTnw
參數(shù)初定值10010050
參數(shù)大致值1.20.110501030

  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
PIDTNW
10.500111
21.00.055252520
31.50.1010505040
42.00.1515757560
52.50.202010010080

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)
PIDTnwy1y2t1t2d
1111111665.995.760
2122222765.695.301.5
3133333776.316.302
414444412118.457.423.5
515555513149.619.293
6212345686610.789.614
722345165769.7811.218
823451264658.999.647
924512396949.179.390
10251234969710.7512.200
1131352470729.799.498
1232413592956.696.170
1333524175738.158.274
14341352848813.8114.555
1535241392928.618.113
1641425382829.279.144
1742531472706.686.202
18431425929211.5411.690
19442531828210.4510.098
2045314290927.107.360
2151543276788.568.234
22521543929214.1414.1913
2353215493915.935.590
2454321592925.105.230
2555432176787.567.125

  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PIDTnw
超調(diào)量y1×99.0122.2123.8106.5101.2
298.4109.0111.0114.8111.7106.2
3104.1107.5108.2100.3116.3120.3
4104.5118.3105.7110.5108.0110.2
5107.5118.8105.71032110.2114.8
過渡時間t1×12.517.19.69.812.1
212.712.511.512.712.613.0
311.711.610.813.012.213.7
411.213.010.813.013.311.1
510.211.510.814.513.211.1
穩(wěn)定后被動幅值d1×6.76.00.04.08.3
24.87.75.02.74.35.3
35.03.75.35.34.06.7
43.54.35.35.07.03.3
55.52.73.312.05.71.3

  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)PIDTNW
y9.119.816.5123.59.819.2
t2.51.56.44.93.52.6
d2.05.02.712.03.07.0

  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PIDTnw
參數(shù)最佳值1.50.110505040

  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。

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