變頻器PID控制原理及調(diào)試

摘 要：文章介紹通用變頻器PID功能組原理，給定方法、及參數(shù)的調(diào)試和應(yīng)用案例。

關(guān)鍵詞：變頻器；PID；智能PID調(diào)節(jié)儀

引言

目前，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器的功能越來(lái)越豐富，制造商在開(kāi)發(fā)、制造變頻器時(shí)，充分考慮到用戶需求，設(shè)計(jì)了多種可供用戶選擇的功能，其中PID控制技術(shù)是過(guò)程控制的一種常用方法，在保證系統(tǒng)平穩(wěn)安全運(yùn)行方面起著十分關(guān)鍵的作用。

1 變頻器PID控制工作原理分析

1.1 結(jié)構(gòu)原理

PID控制屬于閉環(huán)控制，是指將被控量的檢測(cè)信號(hào)（即由傳感器測(cè)得的實(shí)際值）反饋到變頻器，與被控量的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，來(lái)調(diào)整變頻器的輸出頻率，如尚未達(dá)到，則根據(jù)兩者的差值進(jìn)行調(diào)整，使被控量始終穩(wěn)定在目標(biāo)量上，通常適用于流量控制，壓力控制及溫度控制等，過(guò)程控制基本原理框圖如下：

1.2 PID控制的工作過(guò)程

以空氣壓縮機(jī)為例，某變頻調(diào)整系統(tǒng)基本構(gòu)成如下圖所示：圖中BP是壓力變送器，用以測(cè)量?jī)?chǔ)氣罐的實(shí)際壓力。

R.S.T為變頻器三相電源進(jìn)線，U.V.W為變頻器三相電源出線，+5V為頻率設(shè)定用電源，VRF、VPF為模擬量輸入端子，GND為公共端，RP為頻率調(diào)節(jié)電位器，其中，5V、VFRF、GND構(gòu)成變頻器外部頻率給定。

空氣壓縮機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本要求是保持儲(chǔ)氣罐壓力的恒定，系統(tǒng)工作過(guò)程介紹如下。設(shè)XT為目標(biāo)信號(hào)，其大小與所需的儲(chǔ)氣罐壓力相對(duì)應(yīng)，XF為壓力變送器的反饋信號(hào)，則變頻器輸出頻率f的大小由合成信號(hào)（XT-XF）決定。

如儲(chǔ)氣罐壓力超過(guò)目標(biāo)值，則XF>XT→（XT-XF）O→變頻器輸出頻率↑→電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速↑→儲(chǔ)氣罐壓力P↑→直至與所要求的目標(biāo)壓力相符（XF≈XT）為止。

以上舉例說(shuō)明為PID輸出特性為正特性，即當(dāng)反饋信號(hào)大于PID的給定量時(shí)，要求變頻順輸出頻率下降才能使PID達(dá)到平衡，如收卷的張力PID控制。

PID的負(fù)特性指當(dāng)反饋信號(hào)大于PID給定，要求變頻器輸出頻率上升，才能使PID達(dá)到平衡，如放卷的張力PID控制。

2 PID參數(shù)意義

2.1 比例增益P

決定整個(gè)PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)強(qiáng)度，P越大調(diào)節(jié)強(qiáng)度越大，該參數(shù)為100表示PID反饋量和給定量的偏差為100%時(shí)，PID調(diào)節(jié)器對(duì)輸出頻率指令的調(diào)節(jié)幅度為最大頻率。

2.2 積分時(shí)間I

決定PID調(diào)節(jié)器對(duì)PID反饋量和給定量的偏差進(jìn)行積分調(diào)節(jié)的快慢，積分時(shí)間是指當(dāng)PID反饋量和給定的偏差為100%時(shí)，積分調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)該時(shí)間連續(xù)調(diào)整，調(diào)整量達(dá)到最大頻率。積分時(shí)間越短，調(diào)節(jié)強(qiáng)度越大。

2.3 微分時(shí)間D

決定PID調(diào)節(jié)器對(duì)PID反饋量和給定量的偏差的變化率進(jìn)行調(diào)節(jié)的強(qiáng)度，微分時(shí)間是指若反饋量在該時(shí)間內(nèi)變化100%，微分調(diào)節(jié)器的整定量為最大頻率，微分時(shí)間越長(zhǎng)調(diào)節(jié)強(qiáng)度越大。

3 PID參數(shù)調(diào)試方法

PID調(diào)節(jié)儀雖然具有自整定功能，但是自整定得到的參數(shù)值不一定是最佳值，所以自整定后儀表的控制效果不一定很理想。如不能滿足控制系統(tǒng)的精度要求，可通過(guò)微調(diào)這幾個(gè)參數(shù)的值，使系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制效果。

3.1 比例帶P的選取

由于P的大小直接影響到系統(tǒng)的超調(diào)量，過(guò)渡時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差，因此，P的選取尤為重要，比例帶P減小，系統(tǒng)動(dòng)作靈敏度加快。但偏小，超調(diào)量增大，振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間越長(zhǎng)。P增大，系統(tǒng)會(huì)趨向平穩(wěn)定，若P太大，會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作緩慢，P的大小與穩(wěn)態(tài)誤差呈反比關(guān)系。減小比例作用，可減小比例作用，可減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。

3.2 積分時(shí)間I的選取

積分作用指在消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分時(shí)間I與積分作用的強(qiáng)弱是反比關(guān)系，I太小積分作用太強(qiáng)，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，振蕩次數(shù)較多，而I太大對(duì)系統(tǒng)性能影響減弱，以至不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。

3.3 微分時(shí)間D的選取

微分作用能夠預(yù)測(cè)偏差，產(chǎn)生超前校正作用，可以較好的改善動(dòng)態(tài)性能。

由以上可以看出，比例作用的快速性，積分作用的徹底性，微分作用的超前性三個(gè)參數(shù)相互影響相壓制約，另外，PID的取值與系統(tǒng)慣性大小有很大關(guān)系。因此，很難一次調(diào)定，在許多要求不高的控制系統(tǒng)中，微分功能D可以不用，保持變頻器的出廠值不變，使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，觀察其工作情況。如壓力下降式上升難以恢復(fù)，說(shuō)明反應(yīng)太慢，同應(yīng)加大比例增益P，直至比較滿意為止；在增大P后，雖然反應(yīng)快了，卻容易在目標(biāo)值附近波動(dòng)，說(shuō)明系統(tǒng)有振蕩，應(yīng)加大積分時(shí)間，直至基本不振蕩為止。

總之，在反應(yīng)太慢時(shí)，應(yīng)調(diào)大KP式減小積分時(shí)間，在發(fā)生振蕩時(shí)，應(yīng)調(diào)小KP式加大積分時(shí)間。在某些對(duì)反應(yīng)速度要求較高的系統(tǒng)中，可考慮增大微分環(huán)節(jié)D。

4 結(jié)合實(shí)際說(shuō)明PID在恒壓供水的應(yīng)用

以英威騰CHF-100A系列變頻器為例，要求：PID恒壓控制，壓力保持2Mpa，用4-20mA，5Mpa電流型壓力變送器控制線怎么接，參數(shù)如何設(shè)置？

答：壓力變送器約“+”接變頻器“+10V”壓力變送器為“-”接變頻器“AI2”變頻器J16跳線為電流端（I與GND短接）相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下表：

5 再介紹一下PID調(diào)節(jié)儀與變頻器的連接使用

以XMT62X系列智能PID調(diào)節(jié)器為例，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將壓力變送器的電流信號(hào)先輸入到PID調(diào)節(jié)儀，經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算處理后，輸出連續(xù)約4-20mA調(diào)節(jié)信號(hào)，輸出的信號(hào)與變頻器的控制端子相連，其工作原理與外置電位置一樣，不同點(diǎn)就是電位器反饋電壓信號(hào)，而PID調(diào)節(jié)儀反饋電流信號(hào)，PID調(diào)節(jié)儀能直觀的顯示實(shí)際值與設(shè)定值操作更方便簡(jiǎn)潔。

由上述分析可知，PID控制是用于過(guò)程控制的一種常用方法，通過(guò)對(duì)被控信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的差量進(jìn)行比例，積分微分運(yùn)算，來(lái)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，使被控量穩(wěn)定在目標(biāo)量上?？蓮V泛用于石化，供暖、供水、冶金、食品、熱變換等行業(yè)，對(duì)溫度壓力液位流量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，顯示精確控制，而且具有通訊功能，能方便的與計(jì)算機(jī)式PIC聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

參考文獻(xiàn)

[1]張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]黃威，黃禹.變頻器的使用與節(jié)能改選[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3]英威騰產(chǎn)品說(shuō)明書(shū) V1.2版.1997.

作者簡(jiǎn)介：石慧利，男，本科，講師，在中原油田培訓(xùn)中心工作，主要從事電氣培訓(xùn)教學(xué)工作，兩次指導(dǎo)學(xué)員參加中石化維修電工技能比賽均獲得第一的好成績(jī)。