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d功能也能滿足需求，這種系統(tǒng)的調(diào)試過程比較簡單。
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)也會因相似的稱呼而含義相反。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，請參考所選變頻器的說明書。 反饋邏輯是指被控制物理量通過傳感器檢測出的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。 例如在中央空調(diào)系統(tǒng)中，通過冷凝水溫度控制來調(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，反饋信號會變小，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，反饋信號減少，表示房間溫度過低。 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)信號和反饋信號
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和目標(biāo)信號，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)信號和反饋信號兩種控制信號。 這里的目標(biāo)信號是與某個(gè)物理量的預(yù)期穩(wěn)定值對應(yīng)的電信號，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量的實(shí)際值對應(yīng)的電信號稱為反饋信號，也稱為反饋量或當(dāng)前值。 PID控制的功能示意圖請參照圖3-2。 圖中有PID開關(guān)，可以通過變頻器的功能參數(shù)設(shè)定來啟用或禁用PID功能。 PID功能有效時(shí)，將開關(guān)向下對準(zhǔn)，由PID電路決定運(yùn)行頻率。 PID功能無效時(shí)，將開關(guān)對準(zhǔn)上方，通過頻率設(shè)定信號決定運(yùn)行頻率。 PID開關(guān)、動作選擇開關(guān)、反饋信號切換開關(guān)均由功能參數(shù)的設(shè)定決定動作狀態(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)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)，開環(huán)運(yùn)行時(shí)的頻率指定功能自動轉(zhuǎn)移到目標(biāo)值指定的自動轉(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，對目標(biāo)信號的輸入通道進(jìn)行了說明，然后決定目標(biāo)值的大小。 目標(biāo)信號和反饋信號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
的絕對值。表2 幾種變頻器的目標(biāo)值給定功能
反饋信號的連接
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)信號的輸入通道，則其它輸入端子均可作為反饋信號的輸入端?？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通道選擇見表3。
表3 幾種變頻器反饋信號通道
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)信號和反饋信號的差值來調(diào)節(jié)輸出頻率的，一方面，我們希望目標(biāo)信號和反饋信號無限接近，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進(jìn)行放大。比例增益P就是用來設(shè)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(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放大后的差值信號在積分時(shí)間內(nèi)逐漸增大（或減?。瑥亩鴾p緩其變化速度，防止振蕩。但積分時(shí)間I太長，又會當(dāng)反饋信號急劇變化時(shí)，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此，I的取值與拖動系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)短些；拖動系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)長些。
微分時(shí)間D是根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作，從而縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，克服因積分時(shí)間過長而使恢復(fù)滯后的缺陷。D的取值也與拖動系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，微分時(shí)間應(yīng)短些；反之，拖動系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，微分時(shí)間應(yīng)長些。
P、I、D參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運(yùn)行現(xiàn)場應(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(jù)，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(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)置見表3-4。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)置變得相對簡單。參數(shù)P98的設(shè)置（見表3-4）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/FB1和GND端子（見圖3-3），由參數(shù)P99設(shè)定反饋信號為電壓輸入0～5V。目標(biāo)信號由參數(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(shè)置為0～100℃，相應(yīng)的輸出信號為0～5V，即溫度為100℃時(shí)輸出5V電壓信號，0℃時(shí)輸出0V電壓信號，這與參數(shù)P99設(shè)定的反饋信號選擇相吻合。這個(gè)測溫輸出信號就是對變頻器的反饋信號。
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），電動機(jī)開始起動運(yùn)轉(zhuǎn)，之后對參數(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：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）
