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【摘要】該文以空壓機(jī)的變頻調(diào)速恒壓控制為例，介紹了變頻器中PID功能的特點和使用要點。變頻調(diào)速系統(tǒng)需要閉環(huán)控制時，應(yīng)采用變頻器的PID調(diào)節(jié)功能。使用時須事先預(yù)置PID功能有效，并注意了解PID功能有效后的特.點，壓力變送器的接線方法，以及起動問題的解決等。還應(yīng)注意變頻器里的P，是指比例增益;而外部PID調(diào)節(jié)器的P是指比例帶，兩者互為倒數(shù)。

拖動系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速后，常有人反映，PID調(diào)節(jié)的效果往往不盡如人意。這里所說的PID調(diào)節(jié)，通常是指采用了變頻器以外的閉環(huán)控制功能，如PLC、工控機(jī)以及某些與傳感器結(jié)合的控制器等。究其原因是因為變頻器輸出頻率上升或下降的快慢嚴(yán)格地受用戶預(yù)置的“加速時間”和“減速時間”限制的。舉例說明如下:

外部PID控制存在的問題

當(dāng)拖動系統(tǒng)在運行過程中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩從TL:突然增加為T_L2，如圖1(a)所示時，拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速從1200r/min瞬間下降為1140r/min，如圖1(b)所示。我們希望通過PID調(diào)節(jié)，系統(tǒng)本來應(yīng)該在5ms內(nèi)就恢復(fù)到原來的轉(zhuǎn)速1200r/min。然而，變頻器的加速時間已經(jīng)預(yù)置為25s(指從零加速到1200r/min)，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速從1140r/min上升到1200r/min，需要1s。顯然，外部控制器的PID調(diào)節(jié)功能沒能滿足要求。

以上數(shù)據(jù)雖然有些夸大，但說明了問題的所在。其實，變頻器自身也有PID調(diào)節(jié)功能，凡是變頻拖動系統(tǒng)，只有在采用了變頻器的PID調(diào)節(jié)功能后，系統(tǒng)的閉環(huán)控制才比較理想。

本文以空氣壓縮機(jī)的恒壓控制為例，介紹變頻器在PID功能有效后的特點和使用要點。

1、變頻器在PID功能有效后的特點

1.1模擬量輸入端的目標(biāo)信號和反饋信號

模擬量輸入端功能圖

在一般情況下，變頻器的閉環(huán)控制功能是無效的。其模擬量輸人端，如圖2(a)中端子12, V2和C1的功能是頻率給定信號的輸人通道。如果有多個給定信號同時輸人時，必有一個是主給定信號，其余為輔助給定信號。

當(dāng)變頻器的閉環(huán)控制功能預(yù)置為“有效”(PID功能有效)時，變頻器的模擬量輸人端中，可以選擇一個為目標(biāo)信號Xt，的輸人通道;其余輸人端中，可選擇一個為反饋信號X。的輸人通道，如圖2 (b)所示。

目標(biāo)信號也可以通過鍵盤給定，則所有的模擬量輸人端都可以作為反饋信號的輸人通道。

1.2顯示屏的顯示數(shù)據(jù)

當(dāng)PID功能無效時，顯示屏上顯示的是變頻器的運行數(shù)據(jù)，如頻率、電流、電壓等，與顯示數(shù)據(jù)相關(guān)的單位指示燈點亮，如圖2 (a)所示。而當(dāng)PID功能有效時，顯示屏上顯示的是與目標(biāo)信號或反饋信號成正比的百分?jǐn)?shù)，如圖2 (b)所示。

1 .3加、減速取決于PID的運算結(jié)果

當(dāng)變頻器預(yù)置為PID功能有效后，原來預(yù)置的加速時間和減速時間均失效，如圖3 (a)所示。其輸出頻率的上升或下降，以及上升、下降的快慢，完全取決于PID運算的結(jié)果△PID。如圖3(b)所示:當(dāng)△PID =0，輸出頻率將不發(fā)生變化;當(dāng)△PID>0，輸出頻率將上升，△PID大、頻率上升得快;當(dāng)△PID<0，輸出頻率將下降，△P1D的覺對值大，頻率下降的快。

閉環(huán)控制的加、減速

2變頻器在PID功能有效后的使用要點

2.1目標(biāo)信號用百分?jǐn)?shù)表示

因為變頻調(diào)速系統(tǒng)中，被控制的物理量是各不相同的(如壓力、溫度、流量、真空度等)，即使是相同的物理量，又因為傳感器的量程不同，以及傳感器輸出的信號不同(電壓信號或電流信號)等原因，目標(biāo)值不可能用具體的物理量來表述，而只能用百分?jǐn)?shù)來表述。

2.2描述目標(biāo)值的基本方法

當(dāng)被測的物理量等于目標(biāo)值時，傳感器輸出的反饋信號，就等于目標(biāo)信號。

假設(shè)某空氣壓縮機(jī)的目標(biāo)壓力為1. 2 MPa，如壓力傳感器量程為2 MPa，則當(dāng)實際壓力達(dá)到目標(biāo)值時，因為1. 2 MPa是滿刻度的60%，所以，反饋信號等于60%，如圖4 (a}所示。目標(biāo)信號就是60%，如圖4 (b)所示。

壓力傳感器的目標(biāo)信號確定一

如壓力傳感器量程為5 MPa，則當(dāng)實際壓力達(dá)到目標(biāo)值時，因為1. 2 MPa是滿刻度的24%，所以，反饋信號等于24%，如圖5 (a)所示。目標(biāo)信號就是24%，如圖5 (b)所示。

壓力傳感器的目標(biāo)信號確定二

所以說，相同的目標(biāo)壓力，如果壓力變送器的量程不同，目標(biāo)信號也是不一樣的。

2.3壓力傳感器的接入

目前常用的壓力傳感器主要有兩種:遠(yuǎn)傳壓力表和壓力變送器，分別說明如下:

(1)遠(yuǎn)傳壓力表。這種壓力表PV內(nèi)部有一個電位器。電位器的滑動端與壓力表的指針相連，故滑動端的位置與指針指示的讀數(shù)相對應(yīng)，如圖6所示。電位器的阻值大多是400歐姆，兩個固定端可以直接和目標(biāo)值給定電位器的固定端并聯(lián)，也可以另用外部的(0一10 V)直流電源，其0v端與變頻器目標(biāo)信號的0v端相接，則滑動端輸出的就是與實際壓力成正比的反饋信號，接到變頻器的反饋信號通道。這里的反饋信號是電壓信號，從V2端輸人。

(2)壓力變送器。壓力變送器BP是一種輸出信號與被測物理量成正比的測量儀器。其輸出信號大多是電流信號，所需電源通常是直流24 V，變頻器一般都為用戶提供+24 V的直流電源，如圖7所示。

遠(yuǎn)傳壓力表與壓力變送器的接線方法

壓力變送器的輸出端只有兩根線:紅線接電源的“+24 V"，黑線與電源的0v之間，串聯(lián)電流信號的接收電路，如圖7的上部所示。具體到變頻器，則壓力變送器的黑線只需接到反饋信號輸人端，如圖7中C1端，電流信號的接收電路在變頻器內(nèi)部的C1和11 (0 V端)之間。

2.4 PID的控制邏輯

對于空氣壓縮機(jī)來說，當(dāng)實際壓力小于目標(biāo)壓力時，要求變頻器的輸出頻率上升，即:

X_F<X_T →f_X↑

式中:X_F—反饋信號，與壓力的當(dāng)前值成正比，%

X_T —目標(biāo)信號，與壓力的目標(biāo)值成正比，%

f_X—變頻器的輸出頻率，Hz

這種情況稱為負(fù)反饋。也有的書上根據(jù):f_X↑->X_F↑的特點，稱為正邏輯，如圖8 (a)所示[P_T為目標(biāo)壓力(MPa) ; Px為實際壓力(MPa)]。

變頻器的輸出頻率反饋邏輯圖

圖8 (b)【θ_T為目標(biāo)溫度(℃);θX為實際溫度(℃)】是會議室溫度控制的例子。該會議室是通過風(fēng)機(jī)吹入冷空氣來降溫的，風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速。當(dāng)會議室的實際溫度高于目標(biāo)溫度時，要求變頻器的輸出頻率上升，即:X_F> X_T →f_X↑，這種情況稱為正反饋，或負(fù)邏輯。

使用閉環(huán)控制時，對于控制邏輯，一定要分辨清楚，否則達(dá)不到控制要求。

2.5比例增益和比例帶互為倒數(shù)

還有一個必須注意的問題，是關(guān)于P的概念。變頻器中的P，是指比例增益，或稱放大倍數(shù)，用K_p表示;而其他裝置中的P，常常是指比例帶，意思是在上、下限相同的情況下，按比例變化的區(qū)間，數(shù)值上與K_p正好互為倒數(shù)。

P=1/Kp

式中:P—比例帶

K_p—比例增益

如圖9 (a)中，當(dāng)自變量X改變增量△X時，曲線①的函數(shù)增量為△Y₁，而曲線②的函數(shù)增量為△Y2。假設(shè):

△Y2>△Y₁

則曲線②的比例增益比曲線①大:

K_P₂>K_p₁

但在函數(shù)的變化范圍相同的前提下，比例增益大者，按比例變化的區(qū)間(比例帶P₂)則小，如圖9 (b)中曲線②所示;反之，比例增益小者，按比例變化的區(qū)間(比例帶P₁)則大，如圖9 (b)中曲線①所示。

故有：K_P2>K_p₁→P₂<P₁

2.6閉環(huán)控制的起動功能

以上述的會議室的冷風(fēng)控制系統(tǒng)為例，會議室在不開會時，是沒有必要吹人冷空氣的，故室內(nèi)溫度較高，假設(shè)為35℃，這時的反饋信號X_F較大;而我們的目標(biāo)溫度只有2090，目標(biāo)信號X_T較小，差值△X(X_T一X_F)較大，PID運算的結(jié)果△PID就相當(dāng)大了。這就要求變頻器的輸出頻率迅速地上升，如圖10 (a)所示，電動機(jī)的起動電流較大，變頻器容易因過電流而跳閘。

為此，各種變頻器都專門設(shè)置了“PID有效時的起動功能”:在剛開始起動的過程中，令加速時間有效，或者另行設(shè)置加速時間，如圖10 (b)所示。舉例如下:

(1)安川CIMR一G7 A系列變頻器。功能碼b5-17用于預(yù)置“PID指令用加減速時間”。當(dāng)PID功能有效時，其起動過程中的加、減速時間將由b5 -17功能好立決定。

(2)西門子430系列變頻器。功能碼P2293為" PID上升時間”，用于起動時防止因加速太快而跳閘。

(3)丹佛斯VLT5000系列變頻器。功能碼439為“工藝PID起動頻率”，當(dāng)收到起動信號時，變頻器將轉(zhuǎn)人開環(huán)控制方式運行，按加速時間加速。在達(dá)到439功能所預(yù)置的起動頻率時，才轉(zhuǎn)為閉環(huán)工藝控制。

2.7 P、I、D的初次和運行調(diào)試

2.7.1初次調(diào)試

所謂初次調(diào)試，是指拖動系統(tǒng)安裝完畢后，對拖動系統(tǒng)的工作性能不十分清楚的情況下，預(yù)置P、I、D的步驟與方法(在多數(shù)情況下，主要是K_p和I)，介紹如下:

地衣步，把比例增益K，預(yù)置到#小，而把積分時間I預(yù)置到20一30S。

第二步，逐漸加大K_p，一直到系統(tǒng)發(fā)生振蕩，

然后取其半。

第三步，逐漸減小I，一直到系統(tǒng)發(fā)生振蕩，然后增加50%。

第四步，一般說來，按照上述步驟調(diào)試后，問題已經(jīng)不大了。但如果發(fā)現(xiàn)有輕微振蕩，則略減小一點K_p，或增加一點八如果希望在用氣量改變后壓力恢復(fù)得快一些，則略增大一點K_p，或減小一點I。

2.7.2運行調(diào)試

這里所說的運行調(diào)試，是指在實際工作中，對運行情況感到不滿意時，需要進(jìn)行的調(diào)試。運行過程中，不外是兩種情況:

地衣種情況:儲氣罐的壓力時高時低，不大穩(wěn)定，說明系統(tǒng)發(fā)生了振蕩，如圖11 (a)所示。解決的方法是:或減小K_p，或增加積分時間I。

第二種情況:用戶的用氣量改變后，壓力偏離目標(biāo)值的時間較長，反應(yīng)比較遲緩，如圖11 (b)所示。解決的方法是:或增大Kp，或減小積分時間I。

比例積分的環(huán)節(jié)調(diào)試

實踐證明，在變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)中，利用變頻器自身的PID調(diào)節(jié)功能來實現(xiàn)閉環(huán)控制，效果是比較理想的。

3結(jié)語

變頻器具有十分完善的PID調(diào)節(jié)功能，變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)需要閉環(huán)控制時，應(yīng)采用變頻器的PID調(diào)節(jié)功能。使用時須事先預(yù)置PID功能“有效”，并注意了解PID功能有效后的特點，壓力變送器的接線方法，以及起動功能的解決等。除此以外，還應(yīng)注意，變頻器里的P，指的是比例增益，而其他PID調(diào)節(jié)器里的P，常常是指比例帶，兩者互為倒數(shù)。