變頻器PID控制應用

企業(yè)在生產中，往往需要有穩(wěn)定的壓力、溫度、流量、液位或轉速，以此作為保證產品質量、提高生產效率、滿足工藝要求的前提，這就要用到變頻器的 PID 控制功能。

所謂 PID 控制，就是在一個閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使被控物理量能夠迅速而準確地無限接近于控制目標的一種手段。 PID 控制功能是變頻器應用技術的重要領域之一，也是變頻器發(fā)揮其卓越效能的重要技術手段。

變頻調速產品的設計、運行、維護人員應該充分熟悉并掌握 PID 控制的基本理論。

一、 PID 控制的實現(xiàn)

1 ． PID 的反饋邏輯

各種變頻器的反饋邏輯稱謂各不相同，甚至有類似的稱謂而含義相反的情形。系統(tǒng)設計時應以所選用變頻器的說明書介紹為準。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經傳感器檢測到的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調系統(tǒng)中，用回水溫度控制調節(jié)變頻器的輸出頻率和水泵電機的轉速。冬天制熱時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機轉速，加大熱水的流量；而夏天制冷時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度過低，可以降低變頻器的輸出頻率和電機轉速．減少冷水的流量。由上可見，同樣是溫度偏低，反饋信號減小，但要求變頻器的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。幾種變頻器反饋邏輯的功能選擇見表 1 。

2 ．打開 PID 功能

要實現(xiàn)閉環(huán)的 PID 控制功能，首先應將 PID 功能預置為有效。具體方法有兩種：一是通過變頻器的功能參數(shù)碼預置，例如，康沃 CVF-G2 系列變頻器，將參數(shù) H-48 設為 O 時，則無 PID 功能；設為 1 時為普通 PID 控制；設為 2 時為恒壓供水 PID 。二是由變頻器的外接多功能端子的狀態(tài)決定。例如安川 CIMR-G 7A 系列變頻器，如圖 1 所示，在多功能輸入端子 Sl-S10 中任選一個，將功能碼 H1-01 ～ H1-10( 與端子 S1-S10 相對應 ) 預置為 19 ，則該端子即具有決定 PI[) 控制是否有效的功能，該端子與公共端子 SC “ ON ”時無效，“ OFF ”時有效。應注意的是．大部分變頻器兼有上述兩種預置方式，但有少數(shù)品牌的變頻器只有其中的一種方式。

在一些控制要求不十分嚴格的系統(tǒng)中，有時僅使用 PI 控制功能、不啟動 D 功能就能滿足需要，這樣的系統(tǒng)調試過程比較簡單。

3 ．目標信號與反饋信號

欲使變頻系統(tǒng)中的某一個物理量穩(wěn)定在預期的目標值上，變頻器的 PID 功能電路將反饋信號與目標信號不斷地進行比較，并根據比較結果來實時地調整輸出頻率和電動機的轉速。所以，變頻器的 PID 控制至少需要兩種控制信號：目標信號和反饋信號。這里所說的目標信號是某物理量預期穩(wěn)定值所對應的電信號，亦稱目標值或給定值；而該物理量通過傳感器測量到的實際值對應的電信號稱為反饋信號，亦稱反饋量或當前值。 PID 控制的功能示意圖見圖 2 。圖中有一個 PID 開關?？赏ㄟ^變頻器的功能參數(shù)設置使 PID 功能有效或無效。 PID 功能有效時，由 PID 電路決定運行頻率； PID 功能無效時，由頻率設定信號決定運行頻率。 PID 開關、動作選擇開關和反饋信號切換開關均由功能參數(shù)的設置決定其工作狀態(tài)。

4 ．目標值給定

如何將目標值 ( 目標信號 ) 的命令信息傳送給變頻器，各種變頻器選擇了不同的方法，而歸結起來大體上有如下兩種方案：一是自動轉換法，即變頻器預置 PID 功能有效時，其開環(huán)運行時的頻率給定功能自動轉為目標值給定．如表 2 中的安川 CIMR-G 7A 與富士 P11S 變頻器。二是通道選擇法，如表 2 中的康沃 CVF-G2 、森蘭 SB12 和普傳 P17000 系列變頻器。

以上介紹了目標信號的輸入通道，接著要確定目標值的大小。由于目標信號和反饋信號通常不是同一種物理量。難以進行直接比較，所以，大多數(shù)變頻器的目標信號都用傳感器量程的百分數(shù)來表示。例如，某儲氣罐的空氣壓力要求穩(wěn)定在 1 ． 2MPa ，壓力傳感器的量程為 2MPa ，則與 1 ． 2MPa 對應的百分數(shù)為 60 ％，目標值就是 60 ％。而有的變頻器的參數(shù)列表中，有與傳感器量程上下限值對應的參數(shù)，例如富士 P11S 變頻器，將參數(shù) E40( 顯示系數(shù) A) 設為 2 ，即壓力傳感器的量程上限 2MPa ：參數(shù) E41( 顯示系數(shù) B) 設為 0 ，即量程下限為 0 ，則目標值為 1 ． 2 。即壓力穩(wěn)定值為 1 ． 2 MPa 。目標值即是預期穩(wěn)定值的絕對值。

5 ．反饋信號的連接

各種變頻器都有若干個頻率給定輸入端，在這些輸入端子中，如果已經確定一個為目標信號的輸入通道，則其他輸入端子均可作為反饋信號的輸入端?？赏ㄟ^相應的功能參數(shù)碼選擇其中的一個使用。比較典型的幾種變頻器反饋信號通道選擇見表 3 。

6 ． P 、 I 、 D 參數(shù)的預置與調整

(1) 比例增益 P

變頻器的 PID 功能是利用目標信號和反饋信號的差值來調節(jié)輸出頻率的，一方面，我們希望目標信號和反饋信號無限接近，即差值很小，從而滿足調節(jié)的精度：另一方面，我們又希望調節(jié)信號具有一定的幅度，以保證調節(jié)的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號進行放大。比例增益 P 就是用來設置差值信號的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù) P 都給出一個可設置的數(shù)值范圍，一般在初次調試時， P 可按中間偏大值預置．或者暫時默認出廠值，待設備運轉時再按實際情況細調。

(2) 積分時間

如上所述．比例增益 P 越大，調節(jié)靈敏度越高，但由于傳動系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調節(jié)結果達到最佳值時不能立即停止，導致“超調”，然后反過來調整，再次超調，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié) I ，其效果是，使經過比例增益 P 放大后的差值信號在積分時間內逐漸增大 ( 或減小 ) ，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時間 I 太長，又會當反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復。因此， I 的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，積分時間應短些；拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，積分時間應長些。

(3) 微分時間 D

微分時間 D 是根據差值信號變化的速率，提前給出一個相應的調節(jié)動作，從而縮短了調節(jié)時間，克服因積分時間過長而使恢復滯后的缺陷。 D 的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，微分時間應短些；反之，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時， 微分時間應長些。

(4)P 、 I 、 D 參數(shù)的調整原則

P 、 I 、 D 參數(shù)的預置是相輔相成的，運行現(xiàn)場應根據實際情況進行如下細調：被控物理量在目標值附近振蕩，首先加大積分時間 I ，如仍有振蕩，可適當減小比例增益 P 。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復，首先加大比例增益 P ，如果恢復仍較緩慢，可適當減小積分時間 I ，還可加大微分時間 D 。

二、 PlD 應用實例

1 ．項目描述

選用創(chuàng)世 C ： SBG 型變頻器，利用其 PID 功能對某辦公樓中央空調的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進行自動控制。

對于冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的控制方式，有以下幾種方案可供選擇：

一是恒溫差控制，就是以回水溫度和出水溫度之差作為控制依據，利用溫差控制器的 PID 功能，輸出變頻器的頻率給定信號，這種方案無須啟用變頻器的 PID 功能。

二是恒壓差控制，即根據冷凍水泵的出水壓力和進水壓力之差進行控制。

三是恒溫度控制。如果冷凍主機的出水溫度比較穩(wěn)定，只要測量系統(tǒng)的回水溫度，利用變頻器的 PID 功能．即可實現(xiàn)與恒溫差控制相同的控制效果。本實例選用的是這種方案，應用于夏天制冷。

2 ．應用電路

應用電路見圖 3 。圖中的變頻器為創(chuàng)世 CSB 型，規(guī)袼為 30kW ，其參數(shù)設置見表 4 。設置時首先通過 P126( 見表 4) 使所有參數(shù)恢復出廠值，這樣做的好處是，盡管該變頻器的參數(shù)有一百多個，但有相當一部分在本實例中并無實際意義；而有用的參數(shù)又有一部分可以 默認使用出廠值。這使得參數(shù)設置變得相對簡單。參數(shù) P98 的設置 ( 見表 4) 使． PID 功能有效，反饋邏輯為正動作。創(chuàng)世變頻器有專用的反饋信號輸入通道，即 PID ／ FBl 和 GND 端子 ( 見圖 3) ，由參數(shù) P99 設定反饋信號為電壓輸入 0 ～ 5V 。目標信號由參數(shù)． P03 設定，由于參數(shù) P103 和 P104 已設定了溫度傳感器的量程上限和下限，所以這里可設定回水期望的溫度絕對值，具體數(shù)值，可比出水溫度高 5 -10 ℃ ，根據空調房間的降溫要求確定。

冷凍水循環(huán)水泵在運行中不允許停機．所以對參數(shù) P16 和 P105 進行了設置。變頻器的其他有效應用參數(shù)在表 4 中沒有列出，默認使用出廠值。

測溫儀為廈門恩萊公司的 XST 型自動化儀表，將儀表的溫度測量范圍設置為 0 ～ 100 ℃ ，相應的輸出信號為 0-5V ，即溫度為 100 ℃ 時輸出 5V 電壓信號， 0 ℃ 時輸出 0V 電壓信號，這與參數(shù) P99 設定的反饋信號選擇相吻合。這個測溫輸出信號就是對變頻器的反饋信號。

3 ．應用效果變頻器與空調系統(tǒng)安裝完成后，投入正式運行，獲得節(jié)約 30 ％電能與房間溫度穩(wěn)定的良好效果。