PID閉環(huán)控制功能是逆變器應用技術(shù)的重要領(lǐng)域之一也是逆變器發(fā)揮其卓越性能的重要技術(shù)手段。 變頻產(chǎn)品的設計、運行、維護人員應該充分熟悉并掌握PID控制的基本理論，積累豐富的實(shí)踐經(jīng)驗，為變頻技術(shù)的普及應用做出貢獻。
在企業(yè)生產(chǎn)和部分運行中的系統裝置中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、滿(mǎn)足工藝要求，往往需要穩定的壓力、溫度、流量、液位或轉速，需要變頻器的PID控制功能。 PID控制是在閉環(huán)控制系統中，使所控制的物理量迅速且準確地無(wú)限接近控制目標的手段。
要實(shí)現閉環(huán)的PID控制功能，必須首先有效地預設PID功能。 具體方法有以下兩種。 一種是用變頻器的功能參數代碼進(jìn)行預置，例如，科博CVF-G2系列變頻器如果將參數H-48設定為0，就沒(méi)有PID功能。 如果設置為1，則變?yōu)槌Ｒ幍腜ID控制； 如果設定為2，則變?yōu)楹銐汗┧甈ID。 二是由變頻器的外置多功能端子的狀態(tài)決定。 例如，如圖3-1所示，zydz系列逆變器選擇多功能輸入端子S1~S10中的某一個(gè)，將功能代碼H1-01~H1-10 (對應于端子S1~S10 )預設為19時(shí)，其端子受到PID控制大多數變頻器兼具上述兩種預置方式，但少數品牌的變頻器只有其中一種方式。
在一些控制要求并不嚴格的系統中，有時(shí)只使用PI控制功能，不啟動(dòng)d功能也能滿(mǎn)足需求，這種系統的調試過(guò)程比較簡(jiǎn)單。
PID的反饋邏輯
各變頻器的反饋邏輯的稱(chēng)呼各不相同，有時(shí)也會(huì )因相似的稱(chēng)呼而含義相反。 系統設計時(shí)，請參考所選變頻器的說(shuō)明書(shū)。 反饋邏輯是指被控制物理量通過(guò)傳感器檢測出的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。 例如在中央空調系統中，通過(guò)冷凝水溫度控制來(lái)調節變頻器的輸出頻率和泵電機的轉速。 冬季供暖時(shí)，如果冷凝水溫度低，反饋信號會(huì )變小，表示房間溫度低。 要求提高變頻器的輸出頻率和電機的轉速，增大溫水的流量。 夏天制冷時(shí)，冷凝水溫度低，反饋信號減少，表示房間溫度過(guò)低。 從節能的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，可以降低變頻器的輸出頻率和電機的轉速，減少冷水的流量。 如上所述，雖然同樣溫度低、反饋信號變小，但反饋邏輯的功能選擇與參照表1求逆變器的頻率變化的方向相反。 這就是引入反饋邏輯的原因。
表1幾種逆變器反饋邏輯的功能選擇
目標信號和反饋信號
為了使變頻器系統的某個(gè)物理量穩定在目標值，變頻器的PID功能電路不斷比較反饋信號和目標信號，并根據比較結果實(shí)時(shí)調整輸出頻率和電機轉速。 因此，變頻器的PID控制至少需要目標信號和反饋信號兩種控制信號。 這里的目標信號是與某個(gè)物理量的預期穩定值對應的電信號，也稱(chēng)為目標值或預定值，并且將與該物理量由傳感器測量的實(shí)際值對應的電信號稱(chēng)為反饋信號，也稱(chēng)為反饋量或當前值。 PID控制的功能示意圖請參照圖3-2。 圖中有PID開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)變頻器的功能參數設定來(lái)啟用或禁用PID功能。 PID功能有效時(shí)，將開(kāi)關(guān)向下對準，由PID電路決定運行頻率。 PID功能無(wú)效時(shí)，將開(kāi)關(guān)對準上方，通過(guò)頻率設定信號決定運行頻率。 PID開(kāi)關(guān)、動(dòng)作選擇開(kāi)關(guān)、反饋信號切換開(kāi)關(guān)均由功能參數的設定決定動(dòng)作狀態(tài)。
被給定目標值
關(guān)于如何向變頻器發(fā)送目標值(目標信號)的指令信息，各個(gè)變頻器選擇了不同的方法，但總結起來(lái)大致分為以下2種方案。 一種是如表2的zydz和富士P11S變頻器那樣，變頻器的預置PID功能有效時(shí)，開(kāi)環(huán)運行時(shí)的頻率指定功能自動(dòng)轉移到目標值指定的自動(dòng)轉換法。 第二種是頻道選擇法，類(lèi)似表2中的康沃爾斯CVF-G2、森蘭SB12和普傳PI7000系列變頻器。
以上，對目標信號的輸入通道進(jìn)行了說(shuō)明，然后決定目標值的大小。 目標信號和反饋信號通常不是相同的物理量，難以直接比較，因此許多逆變器的目標信號用傳感器范圍的百分比表示。 例如，某個(gè)罐的氣壓要求在1.2Mpa下穩定，如果壓力傳感器的范圍為2MPa，則相對于1.2Mpa的百分率為60%，目標值為60%。 某變頻器的參數列表中有與傳感器范圍的上下限值對應的參數。 例如，富士P11S變頻器將參數E40 (顯示系數a )設定為2，即壓力傳感器的范圍上限2Mpa。 將參數E41 (顯示系數b )設為0，即范圍下限設為0； 目標值為1.2，即壓力穩定值為1.2 Mpa。 目標值是預想穩定值
的絕對值。表2 幾種變頻器的目標值給定功能
反饋信號的連接
各種變頻器都有若干個(gè)頻率給定輸入端，在這些輸入端子中，如果已經(jīng)確定一個(gè)為目標信號的輸入通道，則其它輸入端子均可作為反饋信號的輸入端?？赏ㄟ^(guò)相應的功能參數碼選擇其中的一個(gè)使用。比較典型的幾種變頻器反饋信號通道選擇見(jiàn)表3。
表3 幾種變頻器反饋信號通道
P、I、D參數的預置與調整
變頻器的PID功能是利用目標信號和反饋信號的差值來(lái)調節輸出頻率的，一方面，我們希望目標信號和反饋信號無(wú)限接近，即差值很小，從而滿(mǎn)足調節的精度；另一方面，我們又希望調節信號具有一定的幅度，以保證調節的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號進(jìn)行放大。比例增益P就是用來(lái)設置差值信號的放大系數的。任何一種變頻器的參數P都給出一個(gè)可設置的數值范圍，一般在初次調試時(shí)，P可按中間偏大值預置，或者暫時(shí)默認出廠(chǎng)值，待設備運轉時(shí)再按實(shí)際情況細調。
如上所述，比例增益P越大，調節靈敏度越高，但由于傳動(dòng)系統和控制電路都有慣性，調節結果達到最佳值時(shí)不能立即停止，導致“超調”，然后反過(guò)來(lái)調整，再次超調，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節I，其效果是，使經(jīng)過(guò)比例增益P放大后的差值信號在積分時(shí)間內逐漸增大（或減?。?，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時(shí)間I太長(cháng)，又會(huì )當反饋信號急劇變化時(shí)，被控物理量難以迅速恢復。因此，I的取值與拖動(dòng)系統的時(shí)間常數有關(guān)：拖動(dòng)系統的時(shí)間常數較小時(shí)，積分時(shí)間應短些；拖動(dòng)系統的時(shí)間常數較大時(shí)，積分時(shí)間應長(cháng)些。
微分時(shí)間D是根據差值信號變化的速率，提前給出一個(gè)相應的調節動(dòng)作，從而縮短了調節時(shí)間，克服因積分時(shí)間過(guò)長(cháng)而使恢復滯后的缺陷。D的取值也與拖動(dòng)系統的時(shí)間常數有關(guān)：拖動(dòng)系統的時(shí)間常數較小時(shí)，微分時(shí)間應短些；反之，拖動(dòng)系統的時(shí)間常數較大時(shí)，微分時(shí)間應長(cháng)些。
P、I、D參數的預置是相輔相成的，運行現場(chǎng)應根據實(shí)際情況進(jìn)行如下細調：被控物理量在目標值附近振蕩，首先加大積分時(shí)間I，如仍有振蕩，可適當減小比例增益P。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復，首先加大比例增益P，如果恢復仍較緩慢，可適當減小積分時(shí)間I，還可加大微分時(shí)間D。
應用實(shí)例
選用創(chuàng )世CSBG型變頻器，并利用其PID功能對某市檢察院辦公樓中央空調的冷凍水循環(huán)系統進(jìn)行自動(dòng)控制。對于冷凍水循環(huán)系統的控制方式，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，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(wú)須啟用變頻器的PID功能。二是恒壓差控制，即根據冷凍水泵的出水壓力和進(jìn)水壓力之差進(jìn)行控制。三是恒溫度控制。如果冷凍主機的出水溫度比較穩定，只要測量系統的回水溫度，利用變頻器的PID功能，即可實(shí)現與恒溫差控制相同的控制效果。本實(shí)例選用的就是這種方案，應用于夏天制冷。
應用電路
應用電路見(jiàn)圖3。圖中的變頻器為創(chuàng )世CSBG型、規格為30kW的產(chǎn)品，其參數設置見(jiàn)表3-4。設置時(shí)首先通過(guò)P126（見(jiàn)表4）使所有參數恢復出廠(chǎng)值，這樣作的好處是，盡管該變頻器的參數有一百多個(gè)，但有相當一部分在本實(shí)例中并無(wú)實(shí)際意義；而有用的參數又有一部分可以默認使用出廠(chǎng)值，這使得參數設置變得相對簡(jiǎn)單。參數P98的設置（見(jiàn)表3-4）使PID功能有效，反饋邏輯為正動(dòng)作。創(chuàng )世變頻器有專(zhuān)用的反饋信號輸入通道，即PID/FB1和GND端子（見(jiàn)圖3-3），由參數P99設定反饋信號為電壓輸入0～5V。目標信號由參數P03設定，由于參數P103和P104已設定了溫度傳感器的量程上限和下限，所以這里可設定回水期望的溫度絕對值，具體數值，可比出水溫度高5～10℃，根據空調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P16和P105進(jìn)行了設置。變頻器的其它有效應用參數在表4中沒(méi)有列出，默認使用出廠(chǎng)值。
圖3 中央空調系統的恒溫控制
表4 實(shí)例中變頻器參數的設置
測溫儀為廈門(mén)恩萊公司的XST型自動(dòng)化儀表，將儀表的溫度測量范圍設置為0～100℃，相應的輸出信號為0～5V，即溫度為100℃時(shí)輸出5V電壓信號，0℃時(shí)輸出0V電壓信號，這與參數P99設定的反饋信號選擇相吻合。這個(gè)測溫輸出信號就是對變頻器的反饋信號。
應用效果
變頻器與空調系統安裝完成后，通電進(jìn)行試運行，按壓變頻器面板上的RUN鍵（表4中參數P00將運轉指令選擇為面板RUN/STOP鍵控制），電動(dòng)機開(kāi)始起動(dòng)運轉，之后對參數P100比例增益P、P101積分時(shí)間I、P21加速時(shí)間、P22減速時(shí)間等進(jìn)行適當調整，投入正式運行，獲得節約電能25%與房間溫度穩定的良好效果。
END
（本文節選自《電氣控制入門(mén)：變頻器實(shí)戰自學(xué)筆記》，機械工業(yè)出版社2019年10月出版）
