PID閉環(huán)控制功能是逆變器應(yīng)用技術(shù)的重要領(lǐng)域之一也是逆變器發(fā)揮其卓越性能的重要技術(shù)手段。 變頻產(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，積累豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為變頻技術(shù)的普及應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。
在企業(yè)生產(chǎn)和部分運(yùn)行中的系統(tǒng)裝置中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、滿足工藝要求，往往需要穩(wěn)定的壓力、溫度、流量、液位或轉(zhuǎn)速，需要變頻器的PID控制功能。 PID控制是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使所控制的物理量迅速且準(zhǔn)確地?zé)o限接近控制目標(biāo)的手段。
要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的PID控制功能，必須首先有效地預(yù)設(shè)PID功能。 具體方法有以下兩種。 一種是用變頻器的功能參數(shù)代碼進(jìn)行預(yù)置，例如，科博CVF-G2系列變頻器如果將參數(shù)H-48設(shè)定為0，就沒(méi)有PID功能。 如果設(shè)置為1，則變?yōu)槌Ｒ?guī)的PID控制； 如果設(shè)定為2，則變?yōu)楹銐汗┧甈ID。 二是由變頻器的外置多功能端子的狀態(tài)決定。 例如，如圖3-1所示，zydz系列逆變器選擇多功能輸入端子S1~S10中的某一個(gè)，將功能代碼H1-01~H1-10 (對(duì)應(yīng)于端子S1~S10 )預(yù)設(shè)為19時(shí)，其端子受到PID控制大多數(shù)變頻器兼具上述兩種預(yù)置方式，但少數(shù)品牌的變頻器只有其中一種方式。
在一些控制要求并不嚴(yán)格的系統(tǒng)中，有時(shí)只使用PI控制功能，不啟動(dòng)d功能也能滿足需求，這種系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程比較簡(jiǎn)單。
PID的反饋邏輯
各變頻器的反饋邏輯的稱呼各不相同，有時(shí)也會(huì)因相似的稱呼而含義相反。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)參考所選變頻器的說(shuō)明書(shū)。 反饋邏輯是指被控制物理量通過(guò)傳感器檢測(cè)出的反饋信號(hào)對(duì)變頻器輸出頻率的控制極性。 例如在中央空調(diào)系統(tǒng)中，通過(guò)冷凝水溫度控制來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 冬季供暖時(shí)，如果冷凝水溫度低，反饋信號(hào)會(huì)變小，表示房間溫度低。 要求提高變頻器的輸出頻率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，增大溫水的流量。 夏天制冷時(shí)，冷凝水溫度低，反饋信號(hào)減少，表示房間溫度過(guò)低。 從節(jié)能的觀點(diǎn)出發(fā)，可以降低變頻器的輸出頻率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少冷水的流量。 如上所述，雖然同樣溫度低、反饋信號(hào)變小，但反饋邏輯的功能選擇與參照表1求逆變器的頻率變化的方向相反。 這就是引入反饋邏輯的原因。
表1幾種逆變器反饋邏輯的功能選擇
目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)
為了使變頻器系統(tǒng)的某個(gè)物理量穩(wěn)定在目標(biāo)值，變頻器的PID功能電路不斷比較反饋信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)，并根據(jù)比較結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速。 因此，變頻器的PID控制至少需要目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)兩種控制信號(hào)。 這里的目標(biāo)信號(hào)是與某個(gè)物理量的預(yù)期穩(wěn)定值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，也稱為目標(biāo)值或預(yù)定值，并且將與該物理量由傳感器測(cè)量的實(shí)際值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)稱為反饋信號(hào)，也稱為反饋量或當(dāng)前值。 PID控制的功能示意圖請(qǐng)參照?qǐng)D3-2。 圖中有PID開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)變頻器的功能參數(shù)設(shè)定來(lái)啟用或禁用PID功能。 PID功能有效時(shí)，將開(kāi)關(guān)向下對(duì)準(zhǔn)，由PID電路決定運(yùn)行頻率。 PID功能無(wú)效時(shí)，將開(kāi)關(guān)對(duì)準(zhǔn)上方，通過(guò)頻率設(shè)定信號(hào)決定運(yùn)行頻率。 PID開(kāi)關(guān)、動(dòng)作選擇開(kāi)關(guān)、反饋信號(hào)切換開(kāi)關(guān)均由功能參數(shù)的設(shè)定決定動(dòng)作狀態(tài)。
被給定目標(biāo)值
關(guān)于如何向變頻器發(fā)送目標(biāo)值(目標(biāo)信號(hào))的指令信息，各個(gè)變頻器選擇了不同的方法，但總結(jié)起來(lái)大致分為以下2種方案。 一種是如表2的zydz和富士P11S變頻器那樣，變頻器的預(yù)置PID功能有效時(shí)，開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)的頻率指定功能自動(dòng)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)值指定的自動(dòng)轉(zhuǎn)換法。 第二種是頻道選擇法，類似表2中的康沃爾斯CVF-G2、森蘭SB12和普傳PI7000系列變頻器。
以上，對(duì)目標(biāo)信號(hào)的輸入通道進(jìn)行了說(shuō)明，然后決定目標(biāo)值的大小。 目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)通常不是相同的物理量，難以直接比較，因此許多逆變器的目標(biāo)信號(hào)用傳感器范圍的百分比表示。 例如，某個(gè)罐的氣壓要求在1.2Mpa下穩(wěn)定，如果壓力傳感器的范圍為2MPa，則相對(duì)于1.2Mpa的百分率為60%，目標(biāo)值為60%。 某變頻器的參數(shù)列表中有與傳感器范圍的上下限值對(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)定為2，即壓力傳感器的范圍上限2Mpa。 將參數(shù)E41 (顯示系數(shù)b )設(shè)為0，即范圍下限設(shè)為0； 目標(biāo)值為1.2，即壓力穩(wěn)定值為1.2 Mpa。 目標(biāo)值是預(yù)想穩(wěn)定值
的絕對(duì)值。表2 幾種變頻器的目標(biāo)值給定功能
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，則其它輸入端子均可作為反饋信號(hào)的輸入端?？赏ㄟ^(guò)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(jiàn)表3。
表3 幾種變頻器反饋信號(hào)通道
P、I、D參數(shù)的預(yù)置與調(diào)整
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(lái)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(lái)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)。
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(guò)來(lái)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(guò)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。
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(guò)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。
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。
應(yīng)用實(shí)例
選用創(chuàng)世CSBG型變頻器，并利用其PID功能對(duì)某市檢察院辦公樓中央空調(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)例選用的就是這種方案，應(yīng)用于夏天制冷。
應(yīng)用電路
應(yīng)用電路見(jiàn)圖3。圖中的變頻器為創(chuàng)世CSBG型、規(guī)格為30kW的產(chǎn)品，其參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3-4。設(shè)置時(shí)首先通過(guò)P126（見(jiàn)表4）使所有參數(shù)恢復(fù)出廠值，這樣作的好處是，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(jiàn)表3-4）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/FB1和GND端子（見(jiàn)圖3-3），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。變頻器的其它有效應(yīng)用參數(shù)在表4中沒(méi)有列出，默認(rèn)使用出廠值。
圖3 中央空調(diào)系統(tǒng)的恒溫控制
表4 實(shí)例中變頻器參數(shù)的設(shè)置
測(cè)溫儀為廈門(mén)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)。
應(yīng)用效果
變頻器與空調(diào)系統(tǒng)安裝完成后，通電進(jìn)行試運(yùn)行，按壓變頻器面板上的RUN鍵（表4中參數(shù)P00將運(yùn)轉(zhuǎn)指令選擇為面板RUN/STOP鍵控制），電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，之后對(duì)參數(shù)P100比例增益P、P101積分時(shí)間I、P21加速時(shí)間、P22減速時(shí)間等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，投入正式運(yùn)行，獲得節(jié)約電能25%與房間溫度穩(wěn)定的良好效果。
END
（本文節(jié)選自《電氣控制入門(mén)：變頻器實(shí)戰(zhàn)自學(xué)筆記》，機(jī)械工業(yè)出版社2019年10月出版）
