PID控制在變頻調速中的應用研究

【摘 要】本文以恒壓供水為例，介紹了PID控制在變頻調速中的應用研究，包括變頻調速的節(jié)能分析、PID 變頻調速控制系統(tǒng)實驗裝置的設計，并給出了實際調試變頻調速的參數(shù)，分析了參數(shù)整定時遇到的問題。

【關鍵詞】PID 控制；變頻調速；節(jié)能

一、引言

在大多數(shù)的恒壓供水系統(tǒng)的設計中，PID控制算法是設計人員常常采用的恒壓控制算法。常見的PID控制器控制形式主要有通用PID溫控器，使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器上做PID控制器以及使用變頻器內置PID控制功能等三種方法。但現(xiàn)在的大多數(shù)變頻器，無論是水泵風機專用型，還是通用型都內置了PID控制功能，這對節(jié)省系統(tǒng)的成本很有利。本文以西門子MM440變頻器，通過內置的PID控制功能，實現(xiàn)恒壓供水。

二、恒壓供水系統(tǒng)

本文選取經(jīng)典的恒壓供水系統(tǒng)作為實例，主要是由于恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水壓力不足或短時斷水，可能影響產(chǎn)品質量，嚴重時使產(chǎn)品報廢和設備損壞。又如當發(fā)生火警時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。在恒壓供水系統(tǒng)中，將通往用戶的用水水管中的壓力變化經(jīng)壓力傳感器采集給變頻器，再通過變頻器與變頻器中的設定值進行比較，根據(jù)變頻器內置的PID功能進行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)處理的結果以運行頻率的形式進行輸出，供水系統(tǒng)方案如圖1所示。

三、恒壓供水變頻節(jié)能原理

變頻供水系統(tǒng)是通過變頻器調節(jié)異步電機的轉速， 從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此， 供水系統(tǒng)變頻的實質是異步電動機的變頻調速， 而異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速， 從而實現(xiàn)調速的。根據(jù)異步電動機轉差率的定義：

當電動機選定之后，S、P為固定值，電動機轉速n和交流電頻率f成正比。因此連續(xù)調節(jié)異步電機供電電源頻率，就可以連續(xù)平滑地調節(jié)電機的同步轉速，從而調節(jié)轉子的轉速。變頻調速時，從高速到低速可以保持有限的轉差率，因而變頻調速具有高效率、高精度、調速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，已成為交流調速的首選方案和主要發(fā)展方向。

因此，隨著變頻器輸出頻率的降低，水泵的轉速亦相應降低，而水泵所消耗的功率也相應地大幅度降低。用變頻器改變其轉速，可以獲得顯著的節(jié)能效果。

恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調速如下圖2所示。

1.目標信號SP

該信號是一個與壓力的控制目標相對應的值，通常用百分數(shù)表示。變頻器目標信號可由鍵盤直接給定，也可以通過外接電位器來給定。

2.反饋信號PV

是壓力變送器PS反饋回來的信號，該信號是一個反映實際壓力的信號。

3.目標信號的確定

目標信號的大小除了和所要求的壓力的控制目標有關外，還和壓力變送器PS的量程有關。舉例說明如下：設用戶要求的供水壓力為0.7MPa，壓力變送器PS的量程為（0-1） MPa，那么目標值應設定為70%。

四、內置PID調節(jié)

西門子變頻器內置PID控制，它是使控制系統(tǒng)的被控量迅速而準確地無限接近目標值的一種手段，即實時地將傳感器反饋回來的信號與被控量的目標信號相比較，以判斷是否達到預期的目標，如未達到則根據(jù)兩者偏差繼續(xù)調整，直至達到預定的控制目標為止。如恒壓供水，為了保證出口壓一定，采用壓力傳感器裝在水泵附近的主出水管，感受到的壓力轉化為電信號作為反饋信號。變頻器內置調節(jié)器作為壓力調節(jié)器，調節(jié)器將來自壓力傳感器的壓力反饋信號與出口壓力給定值比較運算，其結果作為頻率指令輸送給變頻器，調節(jié)水泵的轉速使出口壓力保持一定。即當用水量增加，水壓降低時，調節(jié)器使變頻器輸出頻率增加，電機拖動水泵加速，水壓增大；反之，當用水量減少，水壓上升，調節(jié)器使變頻器輸出頻率減少，電機拖動水泵減速，水壓減小。

下面介紹一下西門子Micro Master440 變頻器內置PID參數(shù)的設置。Micro Master440 是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列，具有缺省的工廠設置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的簡單的電動機控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅動裝置，具有全面而完善的控制功能，在設置相關參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機控制系統(tǒng)。

五、結束語

本文主要介紹了經(jīng)典的恒壓供水系統(tǒng)中PID控制在變頻調速中的應用，闡述了 PID 控制的基本原理，給出了 PID 控制在恒壓供水系統(tǒng)中的應用設計，并實際動手設置，使用變頻器內自帶的 PID 控制搭建了閉環(huán)系統(tǒng)，而在實際調速中，由于實際系統(tǒng)處在動態(tài)變化之中，實際的控制參數(shù)是通過試湊的方式調節(jié)的，這使得系統(tǒng)啟動時的超調很大，最終的穩(wěn)定狀態(tài)時間也較長，不能夠準確整定，這一問題的研究和解決將在以后的研究中得到深入。

作者簡介：

吳曉莉（1981.12～），咸寧職業(yè)技術學院，講師。