变频器PID控制应用

企业在生产中，往往需要有稳定的压力、温度、流量、液位或转速，以此作为保证产品质量、提高生产效率、满足工艺要求的前提，这就要用到变频器的 PID 控制功能。

所谓 PID 控制，就是在一个闭环控制系统中，使被控物理量能够迅速而准确地无限接近于控制目标的一种手段。 PID 控制功能是变频器应用技术的重要领域之一，也是变频器发挥其卓越效能的重要技术手段。

变频调速产品的设计、运行、维护人员应该充分熟悉并掌握 PID 控制的基本理论。

一、 PID 控制的实现

1 ． PID 的反馈逻辑

各种变频器的反馈逻辑称谓各不相同，甚至有类似的称谓而含义相反的情形。系统设计时应以所选用变频器的说明书介绍为准。所谓反馈逻辑，是指被控物理量经传感器检测到的反馈信号对变频器输出频率的控制极性。例如中央空调系统中，用回水温度控制调节变频器的输出频率和水泵电机的转速。冬天制热时，如果回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度低，要求提高变频器输出频率和电机转速，加大热水的流量；而夏天制冷时，如果回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度过低，可以降低变频器的输出频率和电机转速．减少冷水的流量。由上可见，同样是温度偏低，反馈信号减小，但要求变频器的频率变化方向却是相反的。这就是引入反馈逻辑的原由。几种变频器反馈逻辑的功能选择见表 1 。

2 ．打开 PID 功能

要实现闭环的 PID 控制功能，首先应将 PID 功能预置为有效。具体方法有两种：一是通过变频器的功能参数码预置，例如，康沃 CVF-G2 系列变频器，将参数 H-48 设为 O 时，则无 PID 功能；设为 1 时为普通 PID 控制；设为 2 时为恒压供水 PID 。二是由变频器的外接多功能端子的状态决定。例如安川 CIMR-G 7A 系列变频器，如图 1 所示，在多功能输入端子 Sl-S10 中任选一个，将功能码 H1-01 ～ H1-10( 与端子 S1-S10 相对应 ) 预置为 19 ，则该端子即具有决定 PI[) 控制是否有效的功能，该端子与公共端子 SC “ ON ”时无效，“ OFF ”时有效。应注意的是．大部分变频器兼有上述两种预置方式，但有少数品牌的变频器只有其中的一种方式。

在一些控制要求不十分严格的系统中，有时仅使用 PI 控制功能、不启动 D 功能就能满足需要，这样的系统调试过程比较简单。

3 ．目标信号与反馈信号

欲使变频系统中的某一个物理量稳定在预期的目标值上，变频器的 PID 功能电路将反馈信号与目标信号不断地进行比较，并根据比较结果来实时地调整输出频率和电动机的转速。所以，变频器的 PID 控制至少需要两种控制信号：目标信号和反馈信号。这里所说的目标信号是某物理量预期稳定值所对应的电信号，亦称目标值或给定值；而该物理量通过传感器测量到的实际值对应的电信号称为反馈信号，亦称反馈量或当前值。 PID 控制的功能示意图见图 2 。图中有一个 PID 开关。可通过变频器的功能参数设置使 PID 功能有效或无效。 PID 功能有效时，由 PID 电路决定运行频率； PID 功能无效时，由频率设定信号决定运行频率。 PID 开关、动作选择开关和反馈信号切换开关均由功能参数的设置决定其工作状态。

4 ．目标值给定

如何将目标值 ( 目标信号 ) 的命令信息传送给变频器，各种变频器选择了不同的方法，而归结起来大体上有如下两种方案：一是自动转换法，即变频器预置 PID 功能有效时，其开环运行时的频率给定功能自动转为目标值给定．如表 2 中的安川 CIMR-G 7A 与富士 P11S 变频器。二是通道选择法，如表 2 中的康沃 CVF-G2 、森兰 SB12 和普传 P17000 系列变频器。

以上介绍了目标信号的输入通道，接着要确定目标值的大小。由于目标信号和反馈信号通常不是同一种物理量。难以进行直接比较，所以，大多数变频器的目标信号都用传感器量程的百分数来表示。例如，某储气罐的空气压力要求稳定在 1 ． 2MPa ，压力传感器的量程为 2MPa ，则与 1 ． 2MPa 对应的百分数为 60 ％，目标值就是 60 ％。而有的变频器的参数列表中，有与传感器量程上下限值对应的参数，例如富士 P11S 变频器，将参数 E40( 显示系数 A) 设为 2 ，即压力传感器的量程上限 2MPa ：参数 E41( 显示系数 B) 设为 0 ，即量程下限为 0 ，则目标值为 1 ． 2 。即压力稳定值为 1 ． 2 MPa 。目标值即是预期稳定值的绝对值。

5 ．反馈信号的连接

各种变频器都有若干个频率给定输入端，在这些输入端子中，如果已经确定一个为目标信号的输入通道，则其他输入端子均可作为反馈信号的输入端。可通过相应的功能参数码选择其中的一个使用。比较典型的几种变频器反馈信号通道选择见表 3 。

6 ． P 、 I 、 D 参数的预置与调整

(1) 比例增益 P

变频器的 PID 功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我们希望目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从而满足调节的精度：另一方面，我们又希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。比例增益 P 就是用来设置差值信号的放大系数的。任何一种变频器的参数 P 都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时， P 可按中间偏大值预置．或者暂时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。

(2) 积分时间

如上所述．比例增益 P 越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。为此引入积分环节 I ，其效果是，使经过比例增益 P 放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大 ( 或减小 ) ，从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间 I 太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。因此， I 的取值与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长些。

(3) 微分时间 D

微分时间 D 是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。 D 的取值也与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时， 微分时间应长些。

(4)P 、 I 、 D 参数的调整原则

P 、 I 、 D 参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间 I ，如仍有振荡，可适当减小比例增益 P 。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益 P ，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间 I ，还可加大微分时间 D 。

二、 PlD 应用实例

1 ．项目描述

选用创世 C ： SBG 型变频器，利用其 PID 功能对某办公楼中央空调的冷冻水循环系统进行自动控制。

对于冷冻水循环系统的控制方式，有以下几种方案可供选择：

一是恒温差控制，就是以回水温度和出水温度之差作为控制依据，利用温差控制器的 PID 功能，输出变频器的频率给定信号，这种方案无须启用变频器的 PID 功能。

二是恒压差控制，即根据冷冻水泵的出水压力和进水压力之差进行控制。

三是恒温度控制。如果冷冻主机的出水温度比较稳定，只要测量系统的回水温度，利用变频器的 PID 功能．即可实现与恒温差控制相同的控制效果。本实例选用的是这种方案，应用于夏天制冷。

2 ．应用电路

应用电路见图 3 。图中的变频器为创世 CSB 型，规袼为 30kW ，其参数设置见表 4 。设置时首先通过 P126( 见表 4) 使所有参数恢复出厂值，这样做的好处是，尽管该变频器的参数有一百多个，但有相当一部分在本实例中并无实际意义；而有用的参数又有一部分可以 默认使用出厂值。这使得参数设置变得相对简单。参数 P98 的设置 ( 见表 4) 使． PID 功能有效，反馈逻辑为正动作。创世变频器有专用的反馈信号输入通道，即 PID ／ FBl 和 GND 端子 ( 见图 3) ，由参数 P99 设定反馈信号为电压输入 0 ～ 5V 。目标信号由参数． P03 设定，由于参数 P103 和 P104 已设定了温度传感器的量程上限和下限，所以这里可设定回水期望的温度绝对值，具体数值，可比出水温度高 5 -10 ℃ ，根据空调房间的降温要求确定。

冷冻水循环水泵在运行中不允许停机．所以对参数 P16 和 P105 进行了设置。变频器的其他有效应用参数在表 4 中没有列出，默认使用出厂值。

测温仪为厦门恩莱公司的 XST 型自动化仪表，将仪表的温度测量范围设置为 0 ～ 100 ℃ ，相应的输出信号为 0-5V ，即温度为 100 ℃ 时输出 5V 电压信号， 0 ℃ 时输出 0V 电压信号，这与参数 P99 设定的反馈信号选择相吻合。这个测温输出信号就是对变频器的反馈信号。

3 ．应用效果变频器与空调系统安装完成后，投入正式运行，获得节约 30 ％电能与房间温度稳定的良好效果。