PID閉環(huán)控制功能是變頻器應(yīng)用技術(shù)的重要領(lǐng)域之一，也是變頻器發(fā)揮其卓越效能的重要技術(shù)手段。變頻調(diào)速產(chǎn)品的設(shè)計、運行、維護(hù)人員應(yīng)該充分熟悉并掌握PID控制的基本理論，積累豐富的實踐經(jīng)驗，為變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。

在企業(yè)生產(chǎn)或某些運轉(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，則無PID功能；設(shè)為1時為普通PID控制；設(shè)為2時為恒壓供水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，如圖3-1所示，在多功能輸入端子S1～S10中任選一個，將功能碼H1-01～H1-10（與端子S1～S10相對應(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”時無效，“OFF”時有效。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，有時僅使用PI控制功能、不啟動D功能就能滿足需要，這樣的系統(tǒng)調(diào)試過程比較簡單。

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)計時應(yīng)以所選用變頻器的說明書介紹為準(zhǔn)。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測到的反饋信號對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的轉(zhuǎn)速，冬天制熱時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機轉(zhuǎn)速，加大熱水的流量。而夏天制冷時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度過低，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轉(zhuǎn)速，減少冷水的流量。由上可見，同樣是溫度偏低，反饋信號減小，但要反饋邏輯的功能選擇見表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

目標(biāo)信號與反饋信號

欲使變頻系統(tǒng)中的某一個物理量穩(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與目標(biāo)信號不斷地進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來實時地調(diào)整輸出頻率和電動機的轉(zhuǎn)速。所以，變頻器的PID控制至少需要兩種控制信號：目標(biāo)信號和反饋信號。這里所說的目標(biāo)信號是某物理量預(yù)期穩(wěn)定值所對應(yīng)的電信號，亦稱目標(biāo)值或給定值；而該物理量通過傳感器測量到的實際值對應(yīng)的電信號稱為反饋信號，亦稱反饋量或當(dāng)前值。PID控制的功能示意圖見圖3-2，圖中有一個PID開關(guān)，可通過變頻器的功能參數(shù)設(shè)置使PID功能有效或無效，PID功能有效時開關(guān)合向下方，由PID電路決定運行頻率；PID功能無效時開關(guān)合向上方，由頻率設(shè)定信號決定運行頻率。PID開關(guān)、動作選擇開關(guān)和反饋信號切換開關(guān)均由功能參數(shù)的設(shè)置決定其工作狀態(tài)。

目標(biāo)值給定

如何將目標(biāo)值（目標(biāo)信號）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)起來大體上有如下兩種方案。一是自動轉(zhuǎn)換法，即變頻器預(yù)置PID功能有效時，其開環(huán)運行時的頻率給定功能自動轉(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)信號的輸入通道，接著要確定目標(biāo)值的大小。由于目標(biāo)信號和反饋信號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)信號都用傳感器量程的百分?jǐn)?shù)來表示。例如，某儲氣罐的空氣壓力要求穩(wěn)定在1.2MPa，壓力傳感器的量程為2Mpa，則與1.2Mpa對應(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頻率給定輸入端，在這些輸入端子中，如果已經(jīng)確定一個為目標(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都給出一個可設(shè)置的數(shù)值范圍，一般在初次調(diào)試時，P可按中間偏大值預(yù)置，或者暫時默認(rèn)出廠值，待設(shè)備運轉(zhuǎn)時再按實際情況細(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。但積分時間I太長，又會當(dāng)反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此，I的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，積分時間應(yīng)短些；拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，積分時間應(yīng)長些。

微分時間D是根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個相應(yīng)的調(diào)節(jié)動作，從而縮短了調(diào)節(jié)時間，克服因積分時間過長而使恢復(fù)滯后的缺陷。D的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，微分時間應(yīng)短些；反之，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，微分時間應(yīng)長些。

P、I、D參數(shù)的預(yù)置是相輔相成的，運行現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)實際情況進(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)減小積分時間I，還可加大微分時間D。

應(yīng)用實例

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，即可實現(xiàn)與恒溫差控制相同的控制效果。本實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，但有相當(dāng)一部分在本實例中并無實際意義；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)水泵在運行中不允許停機，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℃時輸出5V電壓信號，0℃時輸出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)行試運行，按壓變頻器面板上的RUN鍵（表4中參數(shù)P00將運轉(zhuǎn)指令選擇為面板RUN/STOP鍵控制），電動機開始起動運轉(zhuǎn)，之后對參數(shù)P100比例增益P、P101積分時間I、P21加速時間、P22減速時間等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，投入正式運行，獲得節(jié)約電能25%與房間溫度穩(wěn)定的良好效果。

END