變頻器PID控制應用方法

陳昶宏

摘 要：隨著電力電子技術和自動控制技術的日益發展，變頻器的調速已經從繼電器控制時代發展到今天的由變頻器控制調速，而且在工業各個領域中得到了極為廣泛的應用。本文以變頻調速基本原理及特點，重點闡述了如何通過PID控制來實現對變頻器的頻率調節。

關鍵字：PID；變頻控制；頻率調節

0 引言

在現在的在工業自動化控制系統中，最為常見的是由PID控制變頻器，來控制電動機頻率的改變從而實現速度控制。但企業在生產中，往往需要有精密穩定的壓力、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，從而實現對被控量的時時控制，以此來實現更為準確自動控制。以下簡單介紹PID控制應用方法。

1 變頻器簡介

變頻器是將固定頻率的交流電轉換成頻率和大小連續可調的交流電的裝置。如圖1-1所示；

圖1-1 變頻器的組成

如上圖；變頻器主要由主電路和控制電路組成。主電路包括整流電路（工頻電源的交流電變換成直流電且對直流電進行平滑濾波）和逆變電路（直流電變換成各種頻率的交流電）兩部分，逆變器是通過改變晶體管的導通順序來改變電機的旋轉方向的。控制電路是完成對主電路的控制和保護的電路。

已知交流電動機的轉速n公式為：

n=60f/p（1-s）；

式中：f—頻率；

p—極對數；

s—轉差率（0～3%或0～6%）。

由轉速公式可見，通過變頻器改變三相異步電動機電源頻率，可以改變旋轉磁通勢的同步轉速，達到調速的目的。額定頻率稱為基頻，變頻調速時，可以從基頻向上調（恒功率調速），也可以從基頻向下調（恒轉距調速）。因此變頻調速方式，比改變極對數p和轉差率s兩個參數簡單得多。同時還具有很好的性價比、操作方便、機械特性較硬、靜差率小、轉速穩定性好、調速范圍廣等優點，因此變頻調速方式擁有廣闊的發展前景。

2 變頻器的PID控制

2.1 PID控制閉環控制簡介

PID 閉環控制是指將被控量的檢測信號反饋到變頻器，并與被控量的目標信號相比較以判斷是否已經達到預定的控制目標。如尚未達到，則根據兩者的差值進行調整，直到達到預定的的控制目標為止。變頻器的輸出頻率只根據實際數值與目標值的比較結果進行調整，使被控物理量能夠迅速而準確地無限接近于控制目標，變頻器輸出的頻率與被控量之間無對應關系。

變頻器的PID控制有兩種情況：一種是變頻器的內置PID功能，給定信號通過變頻器的端子輸入，反饋信號也反饋給變頻器的控制端，在變頻器內部進行PID調節以改變輸出頻率；另外一種的PID調節器將給定量與反饋量比較好后輸出給變頻器，加到控制端子作為控制信號。PID 控制功能是變頻器應用技術的重要領域之一，也是變頻器發揮其卓越效能的重要技術手段。

2.2 系統方案

案例：假如現有一個冶煉的鍋爐，由于對冶煉金屬質量要求非常高，要求時刻保持恒溫，那么我們采取什么方法對爐溫進行準確的控制呢？

傳統的控制方法是在爐身的四周打開幾個通風口，當溫度過高就把通風口打開，溫度低時就閉，以此來達到控制的目的。這種控制方法雖然簡單，但是對于其精密控制要求，不論是在時間上還是在準確性上都還不夠理想，冶煉出來的產品在質量上往往達不到最佳。

現代的控制方法是利用變頻器的PID閉環的自動控制，PID 控制是利用PI控制的優點組合而成的控制。PI控制由比例（P）和積分（I）組成根據偏差及時間變化，產生一個執行量。PD控制由比例控制（P）和微分控制（D）組成，根據改變動態特性的偏差速率，產生一個執行量。積分控制可以消除靜差或減小靜差，提高精度；微分控制可以抑制過大的超調量，加快過渡過程。對上述的控制要求可以得到很好的控制效果。

爐的溫度主要由與電機相連的風機調節，在鍋爐內安裝一個溫度傳感器，溫度傳感器檢測到鍋爐的實際溫度，然后將其轉換成電壓信號或電流信號，反饋到變頻器的接收端子，使溫度反饋值與目標值進行比較，然后得出偏差，根據偏差利用變頻器的PID控制功能，使變頻器輸出適當的頻率控制風機的轉速，使溫度達到預定的目標。這樣就可以方便有效及時地對爐溫進行控制，簡單方便，準確性高。

目標值通常是被測量的實際大小與傳感器量程之比的百分數。例如：鍋爐的要求溫度為60攝氏度，所用溫度表量程是0-100攝氏度，則目標值是60%。PID目標值預置可以通過面板輸入式由鍵盤直接給定，也可由外接電位器進行預置，調整方便。

2.3 系統硬件接線圖

（1）變頻器的PID控制基本原理接線圖如圖所示

PID控制接線圖

（2）控制系統的接線

1）反饋信號的接入 將溫度傳感器的紅線與黑線分別接到+24V電源與負極上，綠線接到變頻器4端上，電源負極接到5端子上。

2）目標信號的接入 這里采用電位器輸入目標信號的方式，目標信號要接在給定頻率的輸入端，當 變頻器為PID工作方式時，2端就是目標信號。

（3）定義變頻器端子功能

定義端子功能參數

參數號 作 用 功 能

Pr.183=14 將RT端子設定為X14的功能 PID控制有效

Pr.184=4 接通電流輸入端子AU 電流輸入選擇

Pr.192=16 從IPF端子輸出正反轉信號 PID正反轉方向顯示

Pr.193=14 從OL端子輸出下限信號 PID下限

Pr.194=15 從FU端子輸出上限信號 PID上限

Pr.128=20 對于溫度的控制，PID為負作用。

Pr.129=30 P增益是決定P動作對偏差響應程度的參數，P取大時響應快，取小時響應滯后，但過大產生振蕩。

Pr.130=10 I積分時間常數，設定范圍為0.1-3600S。積分時間長相應遲緩，對外部擾動控制能力差；積分時間短，響應速度快，會發生振蕩。

Pr.131=100% Pr.132=0% PID檢測值上限與下限。當設定上、下限時，如果檢測值超過此設定范圍，就會輸出報警信號。檢測值為4mA時為0%，20mA為100%的變化量。

Pr.134=3S D微分時間常數，參數值在0.01-10S之間。微分時間常數僅向微分作用提供一個與比例作用相同的檢測值，隨著時間的增加，偏差改變會有較大的響應。

如上表表1-4，預置PID的調節功能是十分重要的，其內容是變頻器的PID調節功能是否有效。預置有效后，其升降過程將完全取決于由P、I、D數據所決定的動態響應過程，而原來的“升速時間”和“降速時間”將不在起作用。

3 結束語

上述的PID控制方法在實際使用過程中節能、環保、控制方便，對于要求較高的控制可以收到很好的效果，為現代企業提高生產效率和產品質量，獲得更好的經濟效益有十分重要的意義。所以作為一個技術人員，掌握好更新、更先進的設備和應用方法是十分必要的。

參考文獻

[1]唐修波，《變頻技術及應用》，中國勞動社會保障出版社。

[2]王廷才 王偉，《變頻原理及應用》，機械工業出版社。

[3]丁斗章，《變頻調速技術與系統應用》，機械工業出版社。