變頻器內置PID功能及應用

0 引言

KV2000 無(wú)感矢量變頻器在各行業(yè)的應用越來(lái)越多，用戶(hù)經(jīng)常會(huì )用到PID功能。雖然使用說(shuō)明書(shū)中對PID功能已經(jīng)有詳細的描述和說(shuō)明，但由于技術(shù)人員對KV2000獨特的PID 功能，諸如系統的組成、功能選擇、方向確定、設定值定義、正/ 反作用及PID參數的調整等的理解有所不同，以及各行業(yè)的自動(dòng)控制系統被控對象的千差萬(wàn)別，導致PID的參數也必須隨之變化，以滿(mǎn)足系統的性能要求，加之一些新用戶(hù)對PID功能不熟悉，這都會(huì )給使用帶來(lái)相當大的麻煩。

作者依據十多年從事以變頻器為主的自動(dòng)化控制設計、應用經(jīng)驗，詳細介紹了KV2000 無(wú)感矢量變頻器內置PID 的豐富功能，PID 控制的系統組成、參數調試及運行的要點(diǎn)。算是對產(chǎn)品使用手冊的補充，以便廣大用戶(hù)能在較短時(shí)間內理解并簡(jiǎn)便地完成該功能的調試。

1 KV2000無(wú)感矢量變頻器PID控制器介紹

PID控制器有多種形式，而在實(shí)用上多數仍采用比例- 積分-微分(PID)控制器，尤其在溫度、壓力、流量值控制上應用最為廣泛。

PID控制屬于閉環(huán)控制(Closed-loop Control System)，是調整反饋量與給定量保持一致的常用的過(guò)程控制方法，主要目的是在閉環(huán)控制回路中提供系統誤差量維持最小以及系統反應速度適當，避免過(guò)激振蕩或過(guò)度遲鈍現象的可能。如圖1所示，變頻器內置的PID控制器通過(guò)控制對象的傳感器等檢測到物理量(如壓力，溫度等)即反饋量，將其與系統給定量進(jìn)行比較。如有偏差，則通過(guò)PID調節的作用使偏差為零。

1.1 PID主要控制參數

現將PID控制器中主要使用的控制參數做逐項介紹并說(shuō)明其用法。

1.1.1 F073 PID設定來(lái)源與反饋來(lái)源的選擇

從圖1得知，在控制系統中，必須要有設定值(目標值)，PID 功能模塊才會(huì )計算反饋值與設定值之間的誤差量，然后產(chǎn)生PID 的輸出結果給控制系統。

F073 就是用來(lái)設定PID 功能模塊所需要的設定值的來(lái)源和反饋值的來(lái)源，其數值結構由小數點(diǎn)左邊的整數部分和小數點(diǎn)右邊的小數部分組成。

1)整數部分用來(lái)定義PID 控制所需設定值(目標值)的來(lái)源;

2)小數部分用來(lái)定義PID 控制所需反饋值的來(lái)源。

表1列出可供選擇的來(lái)源設定方式，除了第10號功能選項只能用于設定值來(lái)源的設定，其余的選項都是用于設定值以及反饋值來(lái)源的選用。

1.1.2 以下說(shuō)明重要的注意事項

1)選擇1、2、3 的設定，表示設定值或反饋值的來(lái)源是模擬信號，并且信號是正向的。所謂的正向信號源是指信號電位越高，代表設定值越高，是正斜率的輸入信號源。即當輸入在0～+5 V(或0～+10 V或0～20 mA)間變化時(shí)，代表設定值或反饋值在0～100%變化。

2)選擇4、5、6的設定，與1、2、3 類(lèi)似，只是輸入信號是負向的，意指信號電位越高，代表設定值或反饋值越低，是負斜率輸入信號源。即當輸入在0～+5 V(或0～+10 V或0～20 mA)間變化時(shí)，代表設定值或反饋值在100%～0變化。

1.2 PID 控制功能的比例、積分、微分增益參數說(shuō)明

在PID控制中有三個(gè)很重要的控制參數，即比例、積分、微分增益，其說(shuō)明如表2所列，這三個(gè)參數用來(lái)調整PID控制模塊的響應時(shí)間，對于系統整體運作呈現出來(lái)的反應速度、穩定性和最終追求的精確度有很大的影響。關(guān)于三個(gè)增益的作用和設定在《變頻技術(shù)應用》2007(3)中刊登的《中央空調智能控制系統》一文中有詳述，在此不再贅述。

2 如何調整最佳的PID增益

參考圖2，若將I 和D 的增益設成最小值(最小僅能為0.1)，那么將可以看成只有P 增益了，因為此時(shí)I和D增益影響不大。

在只有P增益的情況下，就可以很容易地嘗試設定P增益的值，此時(shí)系統直接輸出對于P增益的反應。當決定了P增益后，下一步就是設定I增益了，I增益的設定原則是讓系統能夠補充P增益無(wú)法修正的的部分即可，若要讓系統反應更快一些，那么就要增加I增益的值，以增加積分累計來(lái)提升反應速度;

但是要注意別太大了從而造成過(guò)度修正的現象。

一般而言，在有回饋的控制系統中，僅設P和I的增益就足以完成控制的需求了，并不特別需要D增益部分;D 增益的目的是為了讓系統在時(shí)間響應上有更好的結果。設定D增益的值時(shí)，要仔細觀(guān)察系統的反應動(dòng)作，它的作用是在誤差的值發(fā)生變化的時(shí)候，才會(huì )有最好的效果，而且它還包括了誤差量變化的方向性，所以，D 增益是一個(gè)有方向性的向量值?？傊?，是一個(gè)很好的加速、剎車(chē)的角色，因此，只要觀(guān)察系統的變化，由輸出效果就能設定出一個(gè)適當的值。

3 其他重要的基本控制項目

要讓PID順利啟動(dòng)，除了要了解F073的定義和PID 增益參數之外，還必須了解以下幾個(gè)參數，并按照要求設定后才可順利執行PID的控制功能。

3.1 PID的啟動(dòng)控制

首先，必須選定一個(gè)數字輸入端口作為PID 啟動(dòng)信號的輸入口，在被選定的數字端口的對應功能選擇參數位置處輸入50。例如，選定X1作為PID啟動(dòng)輸入口，那么就必須設定F041=50。當設定好后，X1 若有信號動(dòng)作時(shí)，PID功能就被啟動(dòng)，若X1 的信號停止，那么PID功能就停止。

3.2 PID的輸出方式

當了解處理PID的增益和啟動(dòng)方式后，接下來(lái)就是PID的輸出了。PID的輸出方式有兩種：一是直接用作變頻器的速度指令，二是直接用作模擬輸出端口(AM端口)的輸出量。兩種方式的設定方法見(jiàn)表3。