基于變頻器PID控制下負(fù)載量對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響分析

劉卓鴻

山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東淄博 256414

1 變頻器PID控制概述

大家知道，PID控制屬于閉環(huán)控制方式，即通過(guò)目標(biāo)（給定）信號(hào)與反饋信號(hào)相比較后，產(chǎn)生偏差，用這個(gè)偏差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)控制對(duì)象的響應(yīng)。變頻器PID內(nèi)部電路將反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)不斷地進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)整輸出頻率和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

實(shí)現(xiàn)PID控制功能可通過(guò)變頻器的功能參數(shù)設(shè)置使 PID 功能有效或無(wú)效。 PID 功能有效時(shí)，由PID電路決定運(yùn)行頻率； PID功能無(wú)效時(shí)，由頻率設(shè)定信號(hào)決定運(yùn)行頻率。 PID 開關(guān)、動(dòng)作選擇開關(guān)和反饋信號(hào)切換開關(guān)均由功能參數(shù)的設(shè)置決定其工作狀態(tài)。要實(shí)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，然后通過(guò)變頻器的功能參數(shù)碼預(yù)置，例如富士5000G11S /P11S系列變頻器，將參數(shù) H20 設(shè)為 0時(shí)，則無(wú) PID 功能；設(shè)為 1 時(shí)為 PID正動(dòng)作控制；設(shè)為 2 時(shí)為PID 反動(dòng)作控制。

2 變頻器PID控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)研究

1）主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備：FRN2.2G11S-4CX變頻器一臺(tái)；三相異步電動(dòng)機(jī)Y100L-4 功率2.2kW 帶轉(zhuǎn)速反饋；直流發(fā)電機(jī)Z2-32 2.2kW 220V 1500r/min；

2）實(shí)驗(yàn)接線圖如圖1示。

圖1 富士變頻器動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)接線圖

（1）電動(dòng)機(jī)的速度反饋“＋”端和“－”端分別接變頻器的“12”和“11”端子；

（2）將“X1”與“CM”短接，即使PID控制無(wú)效；

（3）通過(guò)面板設(shè)定頻率（如：20Hz），按FWD鍵起動(dòng)變頻器，用表測(cè)量速度反饋“＋”端和“－”端極性是否正確，不正確則首先停止變頻器，再改變電動(dòng)機(jī)相序；

（4）將“X1”與“CM”斷開，即PID控制有效。

3）富士變頻器PID參數(shù)設(shè)置

按PRG鍵進(jìn)入菜單畫面，選“1 數(shù)據(jù)設(shè)定”，并按表1參數(shù)設(shè)置。

功能代碼 名稱 設(shè)定數(shù)據(jù)F01 頻率設(shè)定1 0 F02 運(yùn)行頻率 0

表1 PID控制參數(shù)設(shè)定

3 PID控制參數(shù)調(diào)試

PID控制調(diào)試過(guò)程是通過(guò)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)P、I、D參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，調(diào)試PID參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)。即超調(diào)量小、起動(dòng)時(shí)間短、振蕩次數(shù)少。從而確定 PID控制參數(shù)。整定步驟: 為“先比例，再積分，最后微分”。

3.1 整定比例部分

比例增益 P 越大，調(diào)節(jié)靈敏度越高，但由于系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調(diào)節(jié)結(jié)果達(dá)到最佳值時(shí)不能立即停止，導(dǎo)致“超調(diào)”，然后反過(guò)來(lái)調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。

3.2 整定積分環(huán)節(jié)

若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。引入積分環(huán)節(jié)I，其效果是使經(jīng)過(guò)比例增益P放大后的差值信號(hào)在積分時(shí)間內(nèi)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(zhǎng)，又會(huì)當(dāng)反饋信號(hào)急劇變化時(shí)，被控物理量難以迅速恢復(fù)。因此，I的取值與拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)：拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)短些；拖動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，積分時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)些。

先將步驟（1）中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的50%～80%，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)調(diào)試至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。

3.3 整定微分環(huán)節(jié)

經(jīng)過(guò)步驟（2），PI 控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，若動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID 控制。先置微分時(shí)間等于0，然后逐漸加大，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，3個(gè)參數(shù)反復(fù)調(diào)試至獲得滿意的控制效果和PID 控制參數(shù)。

4 不同負(fù)載量的動(dòng)態(tài)性能的分析

1）用面板設(shè)定PID命令值為20。

按FWD鍵起動(dòng)變頻器，觀察變頻器的起動(dòng)過(guò)程。主要包括：超調(diào)量、起動(dòng)時(shí)間、振蕩次數(shù)；面板PID反饋量，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等。按STOP鍵停止變頻器。

用示波器測(cè)量階躍輸入下轉(zhuǎn)速的時(shí)間響應(yīng)，觀察并記錄響應(yīng)曲線。

2）用面板設(shè)定PID命令值為40，重復(fù)上一步。

圖2 變頻器動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線圖

在圖2中可看到負(fù)載量對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

從圖表中看出隨負(fù)載的增加其超調(diào)量越來(lái)越小，振蕩次數(shù)越來(lái)越小。因此，PID參數(shù)整定時(shí)應(yīng)充分考慮到負(fù)載的影響，根據(jù)負(fù)載大小調(diào)整參數(shù)，使負(fù)載的影響降到最低。

PID最佳整定參數(shù)確定后，并不能說(shuō)明它永遠(yuǎn)都是最佳的，當(dāng)外界擾動(dòng)發(fā)生根本性的改變時(shí)，就必須重新根據(jù)需要再進(jìn)行最佳參數(shù)的整定，這樣才能充分體現(xiàn)PID控制優(yōu)點(diǎn)。

表2 負(fù)載量對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響（PID命令值分別為20和40）

5 結(jié)論

變頻器PID控制系統(tǒng)的參數(shù)必須根據(jù)實(shí)際工程具體要求來(lái)考慮。在工業(yè)過(guò)程控制中，首先要保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，然后對(duì)給定（目標(biāo)）量的變化能迅速跟蹤，超調(diào)量小。在不同干擾下或負(fù)載量變化時(shí)輸出應(yīng)能保持在給定值附近，控制量變化應(yīng)盡可能的小。在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制應(yīng)保持穩(wěn)定。一般來(lái)說(shuō)，要同時(shí)滿足這些要求是很難做到的，必須根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，滿足主要的性能指標(biāo)，同時(shí)兼顧其它方面的要求。

[1]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]王樹.變頻調(diào)速系統(tǒng)與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005，3.

[3]王建，徐洪亮.富士變頻器入門與典型應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[4]FRENIC 5000G11S/P11S 操作說(shuō)明書 富士電機(jī)機(jī)器制御株式會(huì)社.