變頻器PID控制應(yīng)用方法

陳昶宏

摘 要：隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的日益發(fā)展，變頻器的調(diào)速已經(jīng)從繼電器控制時(shí)代發(fā)展到今天的由變頻器控制調(diào)速，而且在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用。本文以變頻調(diào)速基本原理及特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了如何通過PID控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的頻率調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵字：PID；變頻控制；頻率調(diào)節(jié)

0 引言

在現(xiàn)在的在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，最為常見的是由PID控制變頻器，來控制電動(dòng)機(jī)頻率的改變從而實(shí)現(xiàn)速度控制。但企業(yè)在生產(chǎn)中，往往需要有精密穩(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，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控量的時(shí)時(shí)控制，以此來實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確自動(dòng)控制。以下簡單介紹PID控制應(yīng)用方法。

1 變頻器簡介

變頻器是將固定頻率的交流電轉(zhuǎn)換成頻率和大小連續(xù)可調(diào)的交流電的裝置。如圖1-1所示；

圖1-1 變頻器的組成

如上圖；變頻器主要由主電路和控制電路組成。主電路包括整流電路（工頻電源的交流電變換成直流電且對(duì)直流電進(jìn)行平滑濾波）和逆變電路（直流電變換成各種頻率的交流電）兩部分，逆變器是通過改變晶體管的導(dǎo)通順序來改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向的?？刂齐娐肥峭瓿蓪?duì)主電路的控制和保護(hù)的電路。

已知交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n公式為：

n=60f/p（1-s）；

式中：f—頻率；

p—極對(duì)數(shù)；

s—轉(zhuǎn)差率（0～3%或0～6%）。

由轉(zhuǎn)速公式可見，通過變頻器改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)電源頻率，可以改變旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)的同步轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速的目的。額定頻率稱為基頻，變頻調(diào)速時(shí)，可以從基頻向上調(diào)（恒功率調(diào)速），也可以從基頻向下調(diào)（恒轉(zhuǎn)距調(diào)速）。因此變頻調(diào)速方式，比改變極對(duì)數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s兩個(gè)參數(shù)簡單得多。同時(shí)還具有很好的性價(jià)比、操作方便、機(jī)械特性較硬、靜差率小、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此變頻調(diào)速方式擁有廣闊的發(fā)展前景。

2 變頻器的PID控制

2.1 PID控制閉環(huán)控制簡介

PID 閉環(huán)控制是指將被控量的檢測信號(hào)反饋到變頻器，并與被控量的目標(biāo)信號(hào)相比較以判斷是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)。如尚未達(dá)到，則根據(jù)兩者的差值進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到預(yù)定的的控制目標(biāo)為止。變頻器的輸出頻率只根據(jù)實(shí)際數(shù)值與目標(biāo)值的比較結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，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)，變頻器輸出的頻率與被控量之間無對(duì)應(yīng)關(guān)系。

變頻器的PID控制有兩種情況：一種是變頻器的內(nèi)置PID功能，給定信號(hào)通過變頻器的端子輸入，反饋信號(hào)也反饋給變頻器的控制端，在變頻器內(nèi)部進(jìn)行PID調(diào)節(jié)以改變輸出頻率；另外一種的PID調(diào)節(jié)器將給定量與反饋量比較好后輸出給變頻器，加到控制端子作為控制信號(hào)。PID 控制功能是變頻器應(yīng)用技術(shù)的重要領(lǐng)域之一，也是變頻器發(fā)揮其卓越效能的重要技術(shù)手段。

2.2 系統(tǒng)方案

案例：假如現(xiàn)有一個(gè)冶煉的鍋爐，由于對(duì)冶煉金屬質(zhì)量要求非常高，要求時(shí)刻保持恒溫，那么我們采取什么方法對(duì)爐溫進(jìn)行準(zhǔn)確的控制呢？

傳統(tǒng)的控制方法是在爐身的四周打開幾個(gè)通風(fēng)口，當(dāng)溫度過高就把通風(fēng)口打開，溫度低時(shí)就閉，以此來達(dá)到控制的目的。這種控制方法雖然簡單，但是對(duì)于其精密控制要求，不論是在時(shí)間上還是在準(zhǔn)確性上都還不夠理想，冶煉出來的產(chǎn)品在質(zhì)量上往往達(dá)不到最佳。

現(xiàn)代的控制方法是利用變頻器的PID閉環(huán)的自動(dòng)控制，PID 控制是利用PI控制的優(yōu)點(diǎn)組合而成的控制。PI控制由比例（P）和積分（I）組成根據(jù)偏差及時(shí)間變化，產(chǎn)生一個(gè)執(zhí)行量。PD控制由比例控制（P）和微分控制（D）組成，根據(jù)改變動(dòng)態(tài)特性的偏差速率，產(chǎn)生一個(gè)執(zhí)行量。積分控制可以消除靜差或減小靜差，提高精度；微分控制可以抑制過大的超調(diào)量，加快過渡過程。對(duì)上述的控制要求可以得到很好的控制效果。

爐的溫度主要由與電機(jī)相連的風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)，在鍋爐內(nèi)安裝一個(gè)溫度傳感器，溫度傳感器檢測到鍋爐的實(shí)際溫度，然后將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)或電流信號(hào)，反饋到變頻器的接收端子，使溫度反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，然后得出偏差，根據(jù)偏差利用變頻器的PID控制功能，使變頻器輸出適當(dāng)?shù)念l率控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使溫度達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。這樣就可以方便有效及時(shí)地對(duì)爐溫進(jìn)行控制，簡單方便，準(zhǔn)確性高。

目標(biāo)值通常是被測量的實(shí)際大小與傳感器量程之比的百分?jǐn)?shù)。例如：鍋爐的要求溫度為60攝氏度，所用溫度表量程是0-100攝氏度，則目標(biāo)值是60%。PID目標(biāo)值預(yù)置可以通過面板輸入式由鍵盤直接給定，也可由外接電位器進(jìn)行預(yù)置，調(diào)整方便。

2.3 系統(tǒng)硬件接線圖

（1）變頻器的PID控制基本原理接線圖如圖所示

PID控制接線圖

（2）控制系統(tǒng)的接線

1）反饋信號(hào)的接入 將溫度傳感器的紅線與黑線分別接到+24V電源與負(fù)極上，綠線接到變頻器4端上，電源負(fù)極接到5端子上。

2）目標(biāo)信號(hào)的接入 這里采用電位器輸入目標(biāo)信號(hào)的方式，目標(biāo)信號(hào)要接在給定頻率的輸入端，當(dāng) 變頻器為PID工作方式時(shí)，2端就是目標(biāo)信號(hào)。

（3）定義變頻器端子功能

定義端子功能參數(shù)

參數(shù)號(hào) 作 用 功 能

Pr.183=14 將RT端子設(shè)定為X14的功能 PID控制有效

Pr.184=4 接通電流輸入端子AU 電流輸入選擇

Pr.192=16 從IPF端子輸出正反轉(zhuǎn)信號(hào) PID正反轉(zhuǎn)方向顯示

Pr.193=14 從OL端子輸出下限信號(hào) PID下限

Pr.194=15 從FU端子輸出上限信號(hào) PID上限

Pr.128=20 對(duì)于溫度的控制，PID為負(fù)作用。

Pr.129=30 P增益是決定P動(dòng)作對(duì)偏差響應(yīng)程度的參數(shù)，P取大時(shí)響應(yīng)快，取小時(shí)響應(yīng)滯后，但過大產(chǎn)生振蕩。

Pr.130=10 I積分時(shí)間常數(shù)，設(shè)定范圍為0.1-3600S。積分時(shí)間長相應(yīng)遲緩，對(duì)外部擾動(dòng)控制能力差；積分時(shí)間短，響應(yīng)速度快，會(huì)發(fā)生振蕩。

Pr.131=100% Pr.132=0% PID檢測值上限與下限。當(dāng)設(shè)定上、下限時(shí)，如果檢測值超過此設(shè)定范圍，就會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)。檢測值為4mA時(shí)為0%，20mA為100%的變化量。

Pr.134=3S D微分時(shí)間常數(shù)，參數(shù)值在0.01-10S之間。微分時(shí)間常數(shù)僅向微分作用提供一個(gè)與比例作用相同的檢測值，隨著時(shí)間的增加，偏差改變會(huì)有較大的響應(yīng)。

如上表表1-4，預(yù)置PID的調(diào)節(jié)功能是十分重要的，其內(nèi)容是變頻器的PID調(diào)節(jié)功能是否有效。預(yù)置有效后，其升降過程將完全取決于由P、I、D數(shù)據(jù)所決定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，而原來的“升速時(shí)間”和“降速時(shí)間”將不在起作用。

3 結(jié)束語

上述的PID控制方法在實(shí)際使用過程中節(jié)能、環(huán)保、控制方便，對(duì)于要求較高的控制可以收到很好的效果，為現(xiàn)代企業(yè)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益有十分重要的意義。所以作為一個(gè)技術(shù)人員，掌握好更新、更先進(jìn)的設(shè)備和應(yīng)用方法是十分必要的。

參考文獻(xiàn)

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[2]王廷才 王偉，《變頻原理及應(yīng)用》，機(jī)械工業(yè)出版社。

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