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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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。

　　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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。

　　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(jìn)一步進(jìn)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(jìn)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(jìn)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。

　　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。

　　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(jìn)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。

　　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(jìn)行直觀分析，并給出各待定參數(shù)的最佳值如表7。

　　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。