變頻器內(nèi)置PID功能及應(yīng)用

0 引言

KV2000 無感矢量變頻器在各行業(yè)的應(yīng)用越來越多，用戶經(jīng)常會用到PID功能。雖然使用說明書中對PID功能已經(jīng)有詳細(xì)的描述和說明，但由于技術(shù)人員對KV2000獨(dú)特的PID 功能，諸如系統(tǒng)的組成、功能選擇、方向確定、設(shè)定值定義、正/ 反作用及PID參數(shù)的調(diào)整等的理解有所不同，以及各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)被控對象的千差萬別，導(dǎo)致PID的參數(shù)也必須隨之變化，以滿足系統(tǒng)的性能要求，加之一些新用戶對PID功能不熟悉，這都會給使用帶來相當(dāng)大的麻煩。

作者依據(jù)十多年從事以變頻器為主的自動化控制設(shè)計(jì)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了KV2000 無感矢量變頻器內(nèi)置PID 的豐富功能，PID 控制的系統(tǒng)組成、參數(shù)調(diào)試及運(yùn)行的要點(diǎn)。算是對產(chǎn)品使用手冊的補(bǔ)充，以便廣大用戶能在較短時間內(nèi)理解并簡便地完成該功能的調(diào)試。

1 KV2000無感矢量變頻器PID控制器介紹

PID控制器有多種形式，而在實(shí)用上多數(shù)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(yīng)用最為廣泛。

PID控制屬于閉環(huán)控制(Closed-loop Control System)，是調(diào)整反饋量與給定量保持一致的常用的過程控制方法，主要目的是在閉環(huán)控制回路中提供系統(tǒng)誤差量維持最小以及系統(tǒng)反應(yīng)速度適當(dāng)，避免過激振蕩或過度遲鈍現(xiàn)象的可能。如圖1所示，變頻器內(nèi)置的PID控制器通過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(tǒng)給定量進(jìn)行比較。如有偏差，則通過PID調(diào)節(jié)的作用使偏差為零。

1.1 PID主要控制參數(shù)

現(xiàn)將PID控制器中主要使用的控制參數(shù)做逐項(xiàng)介紹并說明其用法。

1.1.1 F073 PID設(shè)定來源與反饋來源的選擇

從圖1得知，在控制系統(tǒng)中，必須要有設(shè)定值(目標(biāo)值)，PID 功能模塊才會計(jì)算反饋值與設(shè)定值之間的誤差量，然后產(chǎn)生PID 的輸出結(jié)果給控制系統(tǒng)。

F073 就是用來設(shè)定PID 功能模塊所需要的設(shè)定值的來源和反饋值的來源，其數(shù)值結(jié)構(gòu)由小數(shù)點(diǎn)左邊的整數(shù)部分和小數(shù)點(diǎn)右邊的小數(shù)部分組成。

1)整數(shù)部分用來定義PID 控制所需設(shè)定值(目標(biāo)值)的來源;

2)小數(shù)部分用來定義PID 控制所需反饋值的來源。

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

1.1.2 以下說明重要的注意事項(xiàng)

1)選擇1、2、3 的設(shè)定，表示設(shè)定值或反饋值的來源是模擬信號，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(shè)定值越高，是正斜率的輸入信號源。即當(dāng)輸入在0～+5 V(或0～+10 V或0～20 mA)間變化時，代表設(shè)定值或反饋值在0～100%變化。

2)選擇4、5、6的設(shè)定，與1、2、3 類似，只是輸入信號是負(fù)向的，意指信號電位越高，代表設(shè)定值或反饋值越低，是負(fù)斜率輸入信號源。即當(dāng)輸入在0～+5 V(或0～+10 V或0～20 mA)間變化時，代表設(shè)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(shù)說明

在PID控制中有三個很重要的控制參數(shù)，即比例、積分、微分增益，其說明如表2所列，這三個參數(shù)用來調(diào)整PID控制模塊的響應(yīng)時間，對于系統(tǒng)整體運(yùn)作呈現(xiàn)出來的反應(yīng)速度、穩(wěn)定性和最終追求的精確度有很大的影響。關(guān)于三個增益的作用和設(shè)定在《變頻技術(shù)應(yīng)用》2007(3)中刊登的《中央空調(diào)智能控制系統(tǒng)》一文中有詳述，在此不再贅述。

2 如何調(diào)整最佳的PID增益

參考圖2，若將I 和D 的增益設(shè)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?yàn)榇藭rI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(shè)定P增益的值，此時系統(tǒng)直接輸出對于P增益的反應(yīng)。當(dāng)決定了P增益后，下一步就是設(shè)定I增益了，I增益的設(shè)定原則是讓系統(tǒng)能夠補(bǔ)充P增益無法修正的的部分即可，若要讓系統(tǒng)反應(yīng)更快一些，那么就要增加I增益的值，以增加積分累計(jì)來提升反應(yīng)速度;

但是要注意別太大了從而造成過度修正的現(xiàn)象。

一般而言，在有回饋的控制系統(tǒng)中，僅設(shè)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(tǒng)在時間響應(yīng)上有更好的結(jié)果。設(shè)定D增益的值時，要仔細(xì)觀察系統(tǒng)的反應(yīng)動作，它的作用是在誤差的值發(fā)生變化的時候，才會有最好的效果，而且它還包括了誤差量變化的方向性，所以，D 增益是一個有方向性的向量值?？傊且粋€很好的加速、剎車的角色，因此，只要觀察系統(tǒng)的變化，由輸出效果就能設(shè)定出一個適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

3 其他重要的基本控制項(xiàng)目

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

3.1 PID的啟動控制

首先，必須選定一個數(shù)字輸入端口作為PID 啟動信號的輸入口，在被選定的數(shù)字端口的對應(yīng)功能選擇參數(shù)位置處輸入50。例如，選定X1作為PID啟動輸入口，那么就必須設(shè)定F041=50。當(dāng)設(shè)定好后，X1 若有信號動作時，PID功能就被啟動，若X1 的信號停止，那么PID功能就停止。

3.2 PID的輸出方式

當(dāng)了解處理PID的增益和啟動方式后，接下來就是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(shè)定方法見表3。