在企業(yè)生產(chǎn)或某些運(yùn)轉(zhuǎn)著的系統(tǒng)裝置中，往往需要有穩(wěn)定的壓力、溫度、流量、液位或轉(zhuǎn)速，以此作為保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)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。所謂PID控制，就是在一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使被控物理量能夠迅速而準(zhǔn)確地?zé)o限接近于控制目標(biāo)的一種手段。
要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的PID控制功能，首先應(yīng)將PID功能預(yù)置為有效。具體方法有如下兩種：一是通過(guò)變頻器的功能參數(shù)碼預(yù)置，例如，康沃CVF-G2系列變頻器，將參數(shù)H-48設(shè)為0時(shí)，則無(wú)PID功能；設(shè)為1時(shí)為普通PID控制；設(shè)為2時(shí)為恒壓供水PID。二是由變頻器的外接多功能端子的狀態(tài)決定，例如安川CIMR-G7A系列變頻器，在多功能輸入端子S1~S10中任選一個(gè)，將功能碼H1-01~H1-10(與端子S1～S10相對(duì)應(yīng))預(yù)置為19，則該端子即具有決定PID控制是否有效的功能，該端子與公共端子SC“ON”時(shí)無(wú)效，“OFF”時(shí)有效。應(yīng)注意的是，大部分變頻器兼有上述兩種預(yù)置方式，但有少數(shù)品牌的變頻器只有其中的一種方式。
在一些控制要求不十分嚴(yán)格的系統(tǒng)中，有時(shí)僅使用PI控制功能、不啟動(dòng)D功能就能滿足需要，這樣的系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程比較簡(jiǎn)單。
圖1 PID原理框圖
PID的反饋邏輯
各種變頻器的反饋邏輯稱謂各不相同，甚至有類似的稱謂而含義相反的情形。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以所選用變頻器的說(shuō)明書(shū)介紹為準(zhǔn)。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測(cè)到的反饋信號(hào)對(duì)變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調(diào)系統(tǒng)中，用回水溫度控制調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，冬天制熱時(shí)，如果回水溫度偏低，反饋信號(hào)減小，說(shuō)明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，加大熱水的流量。而夏天制冷時(shí)，如果回水溫度偏低，反饋信號(hào)減小，說(shuō)明房間溫度過(guò)低，從節(jié)約能源的角度考慮，可以降低變頻器的輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少冷水的流量。由上可見(jiàn)，同樣是溫度偏低，反饋信號(hào)減小，但要反饋邏輯的功能選擇見(jiàn)表1求變頻器的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。
表1 幾種變頻器反饋邏輯的功能選擇
變頻器型號(hào) 功能碼 功能含義 數(shù)據(jù)碼及含義
安川CIMR-G7A b5-09 選擇PID的正反特性 0為PID輸出正特性；1為PID輸出反特性
富士P11S H20 PID模式 0為不動(dòng)作；1為正作用；2為反作用
康沃CVF-G2 H-51 反饋信號(hào)特性 0為正特性；1為逆特性
森蘭SB12 F51 反饋極性 0為正特性；1為負(fù)特性
創(chuàng)世CSBG P98 PID控制模式 0為不動(dòng)作；1為正動(dòng)作；2為反動(dòng)作
傳動(dòng)之星P系列 F0-092 變送器模式 0為正作用；1為反作用
目標(biāo)信號(hào)與反饋信號(hào)
欲使變頻系統(tǒng)中的某一個(gè)物理量穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值上，變頻器的PID功能電路將反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)不斷地進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)整輸出頻率和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以，變頻器的PID控制至少需要兩種控制信號(hào)：目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)。這里所說(shuō)的目標(biāo)信號(hào)是某物理量預(yù)期穩(wěn)定值所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，亦稱目標(biāo)值或給定值；而該物理量通過(guò)傳感器測(cè)量到的實(shí)際值對(duì)應(yīng)的電信號(hào)稱為反饋信號(hào)，亦稱反饋量或當(dāng)前值。PID控制的功能示意圖見(jiàn)圖2，圖中有一個(gè)PID開(kāi)關(guān)，可通過(guò)變頻器的功能參數(shù)設(shè)置使PID功能有效或無(wú)效，PID功能有效時(shí)開(kāi)關(guān)合向下方，由PID電路決定運(yùn)行頻率；PID功能無(wú)效時(shí)開(kāi)關(guān)合向上方，由頻率設(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)和反饋信號(hào)切換開(kāi)關(guān)均由功能參數(shù)的設(shè)置決定其工作狀態(tài)。
圖2 PID功能示意圖
目標(biāo)值給定
如何將目標(biāo)值(目標(biāo)信號(hào))的命令信息傳送給變頻器，各種變頻器選擇了不同的方法，而歸結(jié)起來(lái)大體上有如下兩種方案。一是自動(dòng)轉(zhuǎn)換法，即變頻器預(yù)置PID功能有效時(shí)，其開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)的頻率給定功能自動(dòng)轉(zhuǎn)為目標(biāo)值給定，如表2中的安川CIMR-G7A與富士P11S變頻器。二是通道選擇法，如表2中的康沃CVF-G2、森蘭SB12和普傳PI7000系列變頻器。
以上介紹了目標(biāo)信號(hào)的輸入通道，接著要確定目標(biāo)值的大小。由于目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)通常不是同一種物理量，難以進(jìn)行直接比較，所以，大多數(shù)變頻器的目標(biāo)信號(hào)都用傳感器量程的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。例如，某儲(chǔ)氣罐的空氣壓力要求穩(wěn)定在1.2MPa，壓力變送器的量程為2MPa，則與1.2MPa對(duì)應(yīng)的百分?jǐn)?shù)為60%，目標(biāo)值就是60%。而有的變頻器的參數(shù)列表中，有與傳感器量程上下限值對(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)為2，即壓力傳感器的量程上限2MPa；參數(shù)E41(顯示系數(shù)B)設(shè)為0，即量程下限為0；則目標(biāo)值為1.2，即壓力穩(wěn)定值為1.2 MPa。目標(biāo)值即是預(yù)期穩(wěn)定值的絕對(duì)值。
表2 幾種變頻器的目標(biāo)值給定功能
變頻器型號(hào) 功能碼 功能含義 數(shù)據(jù)碼及含義
安川CIMR-G7A b5-01 選擇PID功能是否有效 當(dāng)通過(guò)B5-01選擇PID功能有效時(shí)，b1-01的各項(xiàng)頻率給定通道
b1-01 均轉(zhuǎn)為目標(biāo)輸入通道
富士P11S H20 選擇PID功能是否有效 當(dāng)通過(guò)H20選擇PID功能有效時(shí)，目標(biāo)值即可按“F01頻率設(shè)定1”
選定的通道輸入
康沃CVF-G2 H-49 設(shè)定通道選擇 0為面板電位器；1為面板數(shù)字設(shè)定；2為外部電壓信號(hào)(0-10V)；
3為外部電壓信號(hào)(-10~10V)；4為外部電流信號(hào)；5為外部脈沖
信號(hào)；6為RS485接口設(shè)定
森蘭SB12 F47 目標(biāo)給定方式 0為面板給定；1為外部端子VRF給定；2為外部端子IRF給定
普傳PI7000 P03 給定信號(hào)選擇 0為外接端子I2(0-20mA)；1為外接端子I2(4-20mA)；2為外接端
子V2(0-10V)；3為鍵盤(pán)輸入；4為RS485；5為鍵盤(pán)電位器給定
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
變頻器型號(hào) 功能碼 功能含義 數(shù)據(jù)碼及含義
康沃CVF-G2 H-50 反饋通道選擇 0為外部電壓信號(hào)(0-10V)；1為電流輸入；2為脈沖輸入；3為外部電壓信號(hào)(-10~10V)
森蘭SB12 F50 反饋方式 0為電壓0-5V(0-10V)；1為電流0-20mA；2為電壓1-5V(2-10V)；3為電流4-20mA
普傳PI7000 P20 反饋信號(hào) 0為外接端子IF(0-20mA)；1為外接端子IF(4-20mA)；2為外接端子VF(0-10V)；
3為外接端子VF(1-5V)
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
昌暉儀表選用某型號(hào)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)，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
參數(shù)設(shè)置 名稱 出廠值 設(shè)定值 說(shuō)明
P126 數(shù)據(jù)保護(hù)選擇 0 2 恢復(fù)出廠值
P00 轉(zhuǎn)速指令選擇 0 0 RUN/STOP面板控制
P03 設(shè)定頻率 0.00 ×× 目標(biāo)信號(hào)，××為回水管溫度設(shè)定值
P16 下限頻率 0.00 20 水泵最低運(yùn)轉(zhuǎn)頻率
P98 PID控制模式 0 1 PID正動(dòng)作
P99 PID反饋信號(hào)選擇 0 0 電壓輸入0-5V
P100 比例增益P 50 50 比例增益P可選范圍的中間值
P101 積分時(shí)間 1 1 1s時(shí)間
P103 PID顯示數(shù)據(jù)最大值 1.0 100 溫度傳感器量程上限
P104 PID顯示數(shù)據(jù)最大值 0.0 0 溫度傳感器量程上限
P105 下限頻率模式 0 1 頻率降至下限時(shí)維持運(yùn)轉(zhuǎn)
測(cè)溫顯示儀表為昌暉儀表制造有限公司的YR-GFC401-05-09-NN-N-T，將儀表的溫度測(cè)量范圍設(shè)置為Pt100/0-100℃，相應(yīng)的變送輸出為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。
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