變頻器PID控制應(yīng)用

企業(yè)在生產(chǎn)中，往往需要有穩(wěn)定的壓力、溫度、流量、液位或轉(zhuǎn)速，以此作為保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)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(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使被控物理量能夠迅速而準(zhǔn)確地?zé)o限接近于控制目標(biāo)的一種手段。 PID 控制功能是變頻器應(yīng)用技術(shù)的重要領(lǐng)域之一，也是變頻器發(fā)揮其卓越效能的重要技術(shù)手段。

變頻調(diào)速產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)人員應(yīng)該充分熟悉并掌握 PID 控制的基本理論。

一、 PID 控制的實(shí)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以所選用變頻器的說明書介紹為準(zhǔn)。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測(cè)到的反饋信號(hào)對(duì)變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調(diào)系統(tǒng)中，用回水溫度控制調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。冬天制熱時(shí)，如果回水溫度偏低，反饋信號(hào)減小，說明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，加大熱水的流量；而夏天制冷時(shí)，如果回水溫度偏低，反饋信號(hào)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(jī)轉(zhuǎn)速．減少冷水的流量。由上可見，同樣是溫度偏低，反饋信號(hào)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)的 PID 控制功能，首先應(yīng)將 PID 功能預(yù)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(yù)置，例如，康沃 CVF-G2 系列變頻器，將參數(shù) H-48 設(shè)為 O 時(shí)，則無(wú) PID 功能；設(shè)為 1 時(shí)為普通 PID 控制；設(shè)為 2 時(shí)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(gè)，將功能碼 H1-01 ～ H1-10( 與端子 S1-S10 相對(duì)應(yīng) ) 預(yù)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(shí)無(wú)效，“ OFF ”時(shí)有效。應(yīng)注意的是．大部分變頻器兼有上述兩種預(yù)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(yán)格的系統(tǒng)中，有時(shí)僅使用 PI 控制功能、不啟動(dòng) D 功能就能滿足需要，這樣的系統(tǒng)調(diào)試過程比較簡(jiǎn)單。

3 ．目標(biāo)信號(hào)與反饋信號(hào)

欲使變頻系統(tǒng)中的某一個(gè)物理量穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值上，變頻器的 PID 功能電路將反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)不斷地進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來實(shí)時(shí)地調(diào)整輸出頻率和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以，變頻器的 PID 控制至少需要兩種控制信號(hào)：目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)。這里所說的目標(biāo)信號(hào)是某物理量預(yù)期穩(wěn)定值所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，亦稱目標(biāo)值或給定值；而該物理量通過傳感器測(cè)量到的實(shí)際值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)稱為反饋信號(hào)，亦稱反饋量或當(dāng)前值。 PID 控制的功能示意圖見圖 2 。圖中有一個(gè) PID 開關(guān)。可通過變頻器的功能參數(shù)設(shè)置使 PID 功能有效或無(wú)效。 PID 功能有效時(shí)，由 PID 電路決定運(yùn)行頻率； PID 功能無(wú)效時(shí)，由頻率設(shè)定信號(hào)決定運(yùn)行頻率。 PID 開關(guān)、動(dòng)作選擇開關(guān)和反饋信號(hào)切換開關(guān)均由功能參數(shù)的設(shè)置決定其工作狀態(tài)。

4 ．目標(biāo)值給定

如何將目標(biāo)值 ( 目標(biāo)信號(hào) ) 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(jié)起來大體上有如下兩種方案：一是自動(dòng)轉(zhuǎn)換法，即變頻器預(yù)置 PID 功能有效時(shí)，其開環(huán)運(yùn)行時(shí)的頻率給定功能自動(dòng)轉(zhuǎn)為目標(biāo)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(biāo)信號(hào)的輸入通道，接著要確定目標(biāo)值的大小。由于目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)通常不是同一種物理量。難以進(jìn)行直接比較，所以，大多數(shù)變頻器的目標(biāo)信號(hào)都用傳感器量程的百分?jǐn)?shù)來表示。例如，某儲(chǔ)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(duì)應(yīng)的百分?jǐn)?shù)為 60 ％，目標(biāo)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(duì)應(yīng)的參數(shù)，例如富士 P11S 變頻器，將參數(shù) E40( 顯示系數(shù) A) 設(shè)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(shè)為 0 ，即量程下限為 0 ，則目標(biāo)值為 1 ． 2 。即壓力穩(wěn)定值為 1 ． 2 MPa 。目標(biāo)值即是預(yù)期穩(wěn)定值的絕對(duì)值。

5 ．反饋信號(hào)的連接

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

6 ． P 、 I 、 D 參數(shù)的預(yù)置與調(diào)整

(1) 比例增益 P

變頻器的 PID 功能是利用目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)的差值來調(diào)節(jié)輸出頻率的，一方面，我們希望目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)無(wú)限接近，即差值很小，從而滿足調(diào)節(jié)的精度：另一方面，我們又希望調(diào)節(jié)信號(hào)具有一定的幅度，以保證調(diào)節(jié)的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號(hào)進(jìn)行放大。比例增益 P 就是用來設(shè)置差值信號(hào)的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù) P 都給出一個(gè)可設(shè)置的數(shù)值范圍，一般在初次調(diào)試時(shí)， P 可按中間偏大值預(yù)置．或者暫時(shí)默認(rèn)出廠值，待設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再按實(shí)際情況細(xì)調(diào)。

(2) 積分時(shí)間

如上所述．比例增益 P 越大，調(diào)節(jié)靈敏度越高，但由于傳動(dòng)系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調(diào)節(jié)結(jié)果達(dá)到最佳值時(shí)不能立即停止，導(dǎo)致“超調(diào)”，然后反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié) I ，其效果是，使經(jīng)過比例增益 P 放大后的差值信號(hào)在積分時(shí)間內(nèi)逐漸增大 ( 或減小 ) ，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時(shí)間 I 太長(zhǎng)，又會(huì)當(dāng)反饋信號(hào)急劇變化時(shí)，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此， I 的取值與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)：拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)短些；拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些。

(3) 微分時(shí)間 D

微分時(shí)間 D 是根據(jù)差值信號(hào)變化的速率，提前給出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，克服因積分時(shí)間過長(zhǎng)而使恢復(fù)滯后的缺陷。 D 的取值也與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)：拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，微分時(shí)間應(yīng)短些；反之，拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)， 微分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些。

(4)P 、 I 、 D 參數(shù)的調(diào)整原則

P 、 I 、 D 參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行如下細(xì)調(diào)：被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間 I ，如仍有振蕩，可適當(dāng)減小比例增益 P 。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復(fù)，首先加大比例增益 P ，如果恢復(fù)仍較緩慢，可適當(dāng)減小積分時(shí)間 I ，還可加大微分時(shí)間 D 。

二、 PlD 應(yīng)用實(shí)例

1 ．項(xiàng)目描述

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

對(duì)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(jù)，利用溫差控制器的 PID 功能，輸出變頻器的頻率給定信號(hào)，這種方案無(wú)須啟用變頻器的 PID 功能。

二是恒壓差控制，即根據(jù)冷凍水泵的出水壓力和進(jìn)水壓力之差進(jìn)行控制。

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

2 ．應(yīng)用電路

應(yīng)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(shè)置見表 4 。設(shè)置時(shí)首先通過 P126( 見表 4) 使所有參數(shù)恢復(fù)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(gè)，但有相當(dāng)一部分在本實(shí)例中并無(wú)實(shí)際意義；而有用的參數(shù)又有一部分可以 默認(rèn)使用出廠值。這使得參數(shù)設(shè)置變得相對(duì)簡(jiǎn)單。參數(shù) P98 的設(shè)置 ( 見表 4) 使． PID 功能有效，反饋邏輯為正動(dòng)作。創(chuàng)世變頻器有專用的反饋信號(hào)輸入通道，即 PID ／ FBl 和 GND 端子 ( 見圖 3) ，由參數(shù) P99 設(shè)定反饋信號(hào)為電壓輸入 0 ～ 5V 。目標(biāo)信號(hào)由參數(shù)． P03 設(shè)定，由于參數(shù) P103 和 P104 已設(shè)定了溫度傳感器的量程上限和下限，所以這里可設(shè)定回水期望的溫度絕對(duì)值，具體數(shù)值，可比出水溫度高 5 -10 ℃ ，根據(jù)空調(diào)房間的降溫要求確定。

冷凍水循環(huán)水泵在運(yùn)行中不允許停機(jī)．所以對(duì)參數(shù) P16 和 P105 進(jìn)行了設(shè)置。變頻器的其他有效應(yīng)用參數(shù)在表 4 中沒有列出，默認(rèn)使用出廠值。

測(cè)溫儀為廈門恩萊公司的 XST 型自動(dòng)化儀表，將儀表的溫度測(cè)量范圍設(shè)置為 0 ～ 100 ℃ ，相應(yīng)的輸出信號(hào)為 0-5V ，即溫度為 100 ℃ 時(shí)輸出 5V 電壓信號(hào)， 0 ℃ 時(shí)輸出 0V 電壓信號(hào)，這與參數(shù) P99 設(shè)定的反饋信號(hào)選擇相吻合。這個(gè)測(cè)溫輸出信號(hào)就是對(duì)變頻器的反饋信號(hào)。

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