變頻器PID控制原理及調試

摘 要：文章介紹通用變頻器PID功能組原理，給定方法、及參數的調試和應用案例。

關鍵詞：變頻器；PID；智能PID調節儀

引言

目前，隨著我國科學技術、電子技術、計算機網絡等高新技術的不斷發展，變頻器的功能越來越豐富，制造商在開發、制造變頻器時，充分考慮到用戶需求，設計了多種可供用戶選擇的功能，其中PID控制技術是過程控制的一種常用方法，在保證系統平穩安全運行方面起著十分關鍵的作用。

1 變頻器PID控制工作原理分析

1.1 結構原理

PID控制屬于閉環控制，是指將被控量的檢測信號（即由傳感器測得的實際值）反饋到變頻器，與被控量的目標信號進行比例、積分、微分運算，來調整變頻器的輸出頻率，如尚未達到，則根據兩者的差值進行調整，使被控量始終穩定在目標量上，通常適用于流量控制，壓力控制及溫度控制等，過程控制基本原理框圖如下：

1.2 PID控制的工作過程

以空氣壓縮機為例，某變頻調整系統基本構成如下圖所示：圖中BP是壓力變送器，用以測量儲氣罐的實際壓力。

R.S.T為變頻器三相電源進線，U.V.W為變頻器三相電源出線，+5V為頻率設定用電源，VRF、VPF為模擬量輸入端子，GND為公共端，RP為頻率調節電位器，其中，5V、VFRF、GND構成變頻器外部頻率給定。

空氣壓縮機變頻調速系統的基本要求是保持儲氣罐壓力的恒定，系統工作過程介紹如下。設XT為目標信號，其大小與所需的儲氣罐壓力相對應，XF為壓力變送器的反饋信號，則變頻器輸出頻率f的大小由合成信號（XT-XF）決定。

如儲氣罐壓力超過目標值，則XF>XT→（XT-XF）O→變頻器輸出頻率↑→電動機轉速↑→儲氣罐壓力P↑→直至與所要求的目標壓力相符（XF≈XT）為止。

以上舉例說明為PID輸出特性為正特性，即當反饋信號大于PID的給定量時，要求變頻順輸出頻率下降才能使PID達到平衡，如收卷的張力PID控制。

PID的負特性指當反饋信號大于PID給定，要求變頻器輸出頻率上升，才能使PID達到平衡，如放卷的張力PID控制。

2 PID參數意義

2.1 比例增益P

決定整個PID調節器的調節強度，P越大調節強度越大，該參數為100表示PID反饋量和給定量的偏差為100%時，PID調節器對輸出頻率指令的調節幅度為最大頻率。

2.2 積分時間I

決定PID調節器對PID反饋量和給定量的偏差進行積分調節的快慢，積分時間是指當PID反饋量和給定的偏差為100%時，積分調節器經過該時間連續調整，調整量達到最大頻率。積分時間越短，調節強度越大。

2.3 微分時間D

決定PID調節器對PID反饋量和給定量的偏差的變化率進行調節的強度，微分時間是指若反饋量在該時間內變化100%，微分調節器的整定量為最大頻率，微分時間越長調節強度越大。

3 PID參數調試方法

PID調節儀雖然具有自整定功能，但是自整定得到的參數值不一定是最佳值，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的精度要求，可通過微調這幾個參數的值，使系統達到滿意的控制效果。

3.1 比例帶P的選取

由于P的大小直接影響到系統的超調量，過渡時間和穩態誤差，因此，P的選取尤為重要，比例帶P減小，系統動作靈敏度加快。但偏小，超調量增大，振蕩次數增多，調節時間越長。P增大，系統會趨向平穩定，若P太大，會使系統動作緩慢，P的大小與穩態誤差呈反比關系。減小比例作用，可減小比例作用，可減小穩態誤差，提高控制精度。

3.2 積分時間I的選取

積分作用指在消除穩態誤差，積分時間I與積分作用的強弱是反比關系，I太小積分作用太強，使系統不穩定，振蕩次數較多，而I太大對系統性能影響減弱，以至不能消除穩態誤差。

3.3 微分時間D的選取

微分作用能夠預測偏差，產生超前校正作用，可以較好的改善動態性能。

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參數相互影響相壓制約，另外，PID的取值與系統慣性大小有很大關系。因此，很難一次調定，在許多要求不高的控制系統中，微分功能D可以不用，保持變頻器的出廠值不變，使系統運轉起來，觀察其工作情況。如壓力下降式上升難以恢復，說明反應太慢，同應加大比例增益P，直至比較滿意為止；在增大P后，雖然反應快了，卻容易在目標值附近波動，說明系統有振蕩，應加大積分時間，直至基本不振蕩為止。

總之，在反應太慢時，應調大KP式減小積分時間，在發生振蕩時，應調小KP式加大積分時間。在某些對反應速度要求較高的系統中，可考慮增大微分環節D。

4 結合實際說明PID在恒壓供水的應用

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，參數如何設置？

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）相關參數設置如下表：

5 再介紹一下PID調節儀與變頻器的連接使用

以XMT62X系列智能PID調節器為例，簡單的說就是將壓力變送器的電流信號先輸入到PID調節儀，經內部運算處理后，輸出連續約4-20mA調節信號，輸出的信號與變頻器的控制端子相連，其工作原理與外置電位置一樣，不同點就是電位器反饋電壓信號，而PID調節儀反饋電流信號，PID調節儀能直觀的顯示實際值與設定值操作更方便簡潔。

由上述分析可知，PID控制是用于過程控制的一種常用方法，通過對被控信號與目標信號的差量進行比例，積分微分運算，來調節變頻器輸出頻率，構成負反饋系統，使被控量穩定在目標量上。可廣泛用于石化，供暖、供水、冶金、食品、熱變換等行業，對溫度壓力液位流量等參數進行測量，顯示精確控制，而且具有通訊功能，能方便的與計算機式PIC聯網，實現遠程控制。

參考文獻

[1]張燕賓.SPWM變頻調速應用技術[M].北京機械工業出版社，2004.

[2]黃威，黃禹.變頻器的使用與節能改選[M].北京化學工業出版社，2011.

[3]英威騰產品說明書 V1.2版.1997.

作者簡介：石慧利，男，本科，講師，在中原油田培訓中心工作，主要從事電氣培訓教學工作，兩次指導學員參加中石化維修電工技能比賽均獲得第一的好成績。