變頻器內置PID功能及應用

4 恒壓供水電氣原理及相關(guān)參數的設置

4.1 恒壓供水電氣原理圖

圖3 所示是典型的恒壓供水電氣原理圖，供工程人員設計施工時(shí)參考。圖中變頻器選用KV2000無(wú)感矢量變頻器，功率從0.75 ~650 kW可選;PS是壓力變送器，所選型號是PT124B-1/4NPT，輸入范圍0~1.6MPa，輸出范圍4~20 mA，工作電壓為DC24 V。

系統采用以變頻器內部參數F027 設定希望保持恒定的壓力值，恒壓設定值是0.4 MPa。以壓力傳感器測定最終的供水壓力，并反饋給變頻器PID 控制系統監控，確保恒壓供水。選用的壓力傳感器的測定范圍最大是1.6 MPa，在此壓力下傳感器回饋的電壓值是20 mA，并且將壓力傳感器信號從V2 模擬端口輸入。系統以PID功能控制水泵的運行，保證水管內的恒定壓力值。

4.2 變頻器參數設置

1)F073=0.2 表示PID 的設定值選擇從F027直接設定，反饋值選擇從V2模擬輸入端口輸入。

2)F027=25.0(25%) F027的設定值與壓力傳感器的量程和系統要求有關(guān)系，系統要求壓力為0.4 MPa，如圖4 所示，8 mA對應0.4 MPa，為1.6 MPa的25%，所以設定F027=25.0，代表設定值是最大值的25%，而系統最終通過(guò)PID控制水泵的運行，將反饋信號修正到25%的位置，也就是壓力傳感器會(huì )感應到0.4 MPa。

3)F016 下限頻率30.00 設定水泵的最低運轉頻率為30 Hz。一般此頻率的設定參考水泵在各頻率段的有效輸出壓力值(或者扭力的輸出值)，以及整個(gè)供水系統的設計方式(包括止水閥的選擇、水泵電機的散熱和效率等因素)。

4)F015 上限頻率50.00 設定水泵最高運轉頻率為50 Hz。此為一般條件的設定，若有特殊要求，則另外設定合乎要求的值。

5)F001，F002 加、減速時(shí)間依現場(chǎng)要求設定，設定的時(shí)間愈長(cháng)則系統反應愈慢，設定愈短則對于電機的額定要求愈高。

6)F039啟動(dòng)/ 停止方式設定依照現場(chǎng)運行的要求設定，在圖3 的電氣原理中，F039設定為2.0，即外部端子控制運行方式。

7)F040=40 輸出頻率由PID輸出決定。

8)F041=50 選擇X1 功能為PID啟動(dòng)功能。選擇X1數字輸入端口作為PID啟動(dòng)的輸入，若沒(méi)有特殊要求，最簡(jiǎn)單的方式就是將X1直接與變頻器的運轉信號并聯(lián)，與變頻器的運轉同時(shí)啟動(dòng)。

9)F055=4 模擬轉換器輸入信號選擇V2 的測量值。F055選擇需要檢測的信號通道，當選擇4時(shí)，檢測的是電流通道，即檢測壓力變送器的輸出信號。變頻器中央處理器的10 位A/D 轉換器將該模擬信號轉換成數字信號，并將轉換的資料存放在F056之中，被轉換的資料范圍在0~1 023之間。

10)調整F091 V2端子輸入最低值。

11)F092 V2端子輸入最高值的設定值。

設定參數F091和F092，首先將變頻器輸出到電機的電力線(xiàn)斷開(kāi)，不讓電機運轉，以確保安全。F091、F092的調整是為了設定V2 端口與壓力變送器的輸入范圍，因為V2 是用于接收壓力傳感器的反饋信號，F091、F092 的值主要是用來(lái)配合壓力傳感器的反饋信號范圍(4～20 mA)。F091設定為220[當給V2端子輸入4 mA 時(shí)，變頻器接收的信號為220(即4 mA/20 mA×1 024=204)]，F092設定為1020。

4.3 調節PID參數

PID參數整定是控制系統設計的核心內容，一般根據被控過(guò)程的特性來(lái)確定PID 控制器的比例系數、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID參數整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計算整定法，它主要是依據系統的數學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計算確定控制參數，這種方法所得到的計算數據不可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調整和修改;二是工程整定法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗，直接在控制系統的試驗中進(jìn)行，方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。

此恒壓供水電氣系統按工程經(jīng)驗值設定F075=300、F076=300、F077=200即可滿(mǎn)足系統要求，或按如下步驟進(jìn)行設置。

1)設F001=0.1、F002=0.1、F075=0.1、F076=0.1、F077=0.1。

2)當壓力為0 MPa時(shí)，即V2 的輸入為4 mA，讓PID啟動(dòng)，觀(guān)察變頻器輸出的頻率顯示，調整F075讓輸出能超過(guò)F016設定的值即可。此時(shí)調整好的值就是P增益必須設定的最小值，若小于此值那么系統的反應就太慢了。注意，每次重新設定F075 的值后，應將變頻器重新復歸后再啟動(dòng)PID，這樣觀(guān)察到的輸出頻率會(huì )比較準確。在做以下的步驟時(shí)，也應掌握這項原則，避免觀(guān)察的現象受以前的PID 參數影響造成誤判。

3)將V2的輸入保持為4 mA，把F027 的值降在原來(lái)的10%以?xún)?原為25，現設為2.5)，再將F016設為0。這時(shí)啟動(dòng)PID并觀(guān)察輸出的頻率，然后再調整F076的值，直到頻率增加的速度達到滿(mǎn)意為止(增加到50 Hz)。切記，夠了就好，別讓I增益太大，保留裕量在實(shí)際運轉時(shí)再調整。

4)暫時(shí)不調整F077，保持設定值0.1。

5)恢復V2以及F027的設置。

如果想要修正更快速，可以增加P和I 的值(彼此依照比例同步增加)，再重新復歸后，就能見(jiàn)到變更的效果(或是等待比較久的時(shí)間也可以)。當增加P 和I 的值后，若發(fā)生振蕩或過(guò)度修正，則增加D 增益來(lái)改善。檢查反饋信號的值和實(shí)際狀況是否相同，若一切正常，那么KV2000的PID即可正常工作。

4.4 PID的動(dòng)作的檢查

其他類(lèi)型變頻器的內置PID，用戶(hù)完全要看壓力的大小以及變頻器設置的數值，才能判斷變頻器的頻率什么時(shí)候上升或下降，工作是否正確。而KV2000無(wú)感矢量變頻器使用起來(lái)非常方便。上面介紹到F055=4 的時(shí)候，模擬轉換器輸入信號選擇V2的測量值。轉換的資料范圍在0~1 023 之間，被存放在F056 之中。也就是說(shuō)，從F056 參數中，就可以了解到壓力的大小。而設定值的計算為

( F092-F091 )×F027+F091 (1)

式(1)中的F091 為V2端子輸入最低值，F092為V2端子輸入最高值，F027是系統目標值，所以有(1020-220)× 0.25+220=420，這個(gè)420 就是要與我們F056讀到的數值大小進(jìn)行比較的參考值。當F056讀取的值大于420時(shí)，變頻器輸出頻率下降，表示檢測到的實(shí)際供水壓力大于目標值;當F056讀取的值小于420時(shí)，變頻器輸出頻率上升，表示供水壓力低于目標值。

5 結語(yǔ)

最后提醒，PID僅是整個(gè)系統控制環(huán)節里的一個(gè)單元，PID響應時(shí)間的快慢，還要考慮到系統中其他單元對系統的響應速度的影響，這些因素包括：

1)變頻器的加、減速度時(shí)間(若PID 的輸出結果是用作變頻器的速度指令);

2)電機對速度變化的反應(電機的時(shí)間響應特性，電機的扭力、功率是否足夠大);

3)回饋裝置的系統反應時(shí)間(當系統在修正時(shí)，反饋信號是否及時(shí)反應，系統整體是屬于快速反應還是慢速反應)。因此，當系統的反應速度不能令人滿(mǎn)意時(shí)，要注意不要一味地調整PID增益，有時(shí)可能是其他因素造成的結果，所以必須要找出原因，才能徹底解決問(wèn)題。