變頻器內(nèi)置PID功能在閉環(huán)控制中應(yīng)用
2023年01月19日 11:51:03
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PID閉環(huán)控制功能是應(yīng)用技術(shù)的重要領(lǐng)域之一，也是變頻器發(fā)揮其效能的重要技術(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。
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，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。
圖1 PID原理框圖
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
變頻器型號 功能碼 功能含義 數(shù)據(jù)碼及含義
安川CIMR-G7A b5-09 選擇PID的正反特性 0為PID輸出正特性；1為PID輸出反特性
富士P11S H20 PID模式 0為不動作；1為正作用；2為反作用
康沃CVF-G2 H-51 反饋信號特性 0為正特性；1為逆特性
森蘭SB12 F51 反饋極性 0為正特性；1為負(fù)特性
創(chuàng)世CSBG P98 PID控制模式 0為不動作；1為正動作；2為反動作
傳動之星P系列 F0-092 變送器模式 0為正作用；1為反作用
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)。
圖2 PID功能示意圖
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，壓力變送器的量程為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)定值的值。表2 幾種變頻器的目標(biāo)值給定功能
變頻器型號 功能碼 功能含義 數(shù)據(jù)碼及含義
安川CIMR-G7A b5-01 選擇PID功能是否有效 當(dāng)通過B5-01選擇PID功能有效時，b1-01的各項頻率給定通道
b1-01 均轉(zhuǎn)為目標(biāo)輸入通道
富士P11S H20 選擇PID功能是否有效 當(dāng)通過H20選擇PID功能有效時，目標(biāo)值即可按“F01頻率設(shè)定1”
選定的通道輸入
康沃CVF-G2 H-49 設(shè)定通道選擇 0為面板電位器；1為面板數(shù)字設(shè)定；2為外部電壓信號(0-10V)；
3為外部電壓信號(-10~10V)；4為外部電流信號；5為外部脈沖
信號；6為RS485接口設(shè)定
森蘭SB12 F47 目標(biāo)給定方式 0為面板給定；1為外部端子VRF給定；2為外部端子IRF給定
普傳PI7000 P03 給定信號選擇 0為外接端子I2(0-20mA)；1為外接端子I2(4-20mA)；2為外接端
子V2(0-10V)；3為鍵盤輸入；4為RS485；5為鍵盤電位器給定
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。可通過相應(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
變頻器型號 功能碼 功能含義 數(shù)據(jù)碼及含義
康沃CVF-G2 H-50 反饋通道選擇 0為外部電壓信號(0-10V)；1為電流輸入；2為脈沖輸入；3為外部電壓信號(-10~10V)
森蘭SB12 F50 反饋方式 0為電壓0-5V(0-10V)；1為電流0-20mA；2為電壓1-5V(2-10V)；3為電流4-20mA
普傳PI7000 P20 反饋信號 0為外接端子IF(0-20mA)；1為外接端子IF(4-20mA)；2為外接端子VF(0-10V)；
3為外接端子VF(1-5V)
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)果達到值時不能立即停止，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)實際情況進行如下細調(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)用實例昌暉儀表選用某型號變頻器，并利用其PID功能對某市辦公樓空調(diào)的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進行自動控制。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水壓力之差進行控制。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)，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 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
參數(shù)設(shè)置 名稱 出廠值 設(shè)定值 說明
P126 數(shù)據(jù)保護選擇 0 2 恢復(fù)出廠值
P00 轉(zhuǎn)速指令選擇 0 0 RUN/STOP面板控制
P03 設(shè)定頻率 0.00 ×× 目標(biāo)信號，××為回水管溫度設(shè)定值
P16 下限頻率 0.00 20 水泵運轉(zhuǎn)頻率
P98 PID控制模式 0 1 PID正動作
P99 PID反饋信號選擇 0 0 電壓輸入0-5V
P100 比例增益P 50 50 比例增益P可選范圍的中間值
P101 積分時間 1 1 1s時間
P103 PID顯示數(shù)據(jù)值 1.0 100 溫度傳感器量程上限
P104 PID顯示數(shù)據(jù)值 0.0 0 溫度傳感器量程上限
P105 下限頻率模式 0 1 頻率降至下維持運轉(zhuǎn)
測溫為昌暉儀表制造有限公司的YR-GFC401-05-09-NN-N-T，將儀表的溫度測量范圍設(shè)置為Pt100/0-100℃，相應(yīng)的變送輸出為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。
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