变频器PID调节功能在空压机恒压控制中的应用

【摘要】该文以空压机的变频调速恒压控制为例，介绍了变频器中PID功能的特点和使用要点。变频调速系统需要闭环控制时，应采用变频器的PID调节功能。使用时须事先预置PID功能有效，并注意了解PID功能有效后的特.点，压力变送器的接线方法，以及起动问题的解决等。还应注意变频器里的P，是指比例增益;而外部PID调节器的P是指比例带，两者互为倒数。

拖动系统中采用变频调速后，常有人反映，PID调节的效果往往不尽如人意。这里所说的PID调节，通常是指采用了变频器以外的闭环控制功能，如PLC、工控机以及某些与传感器结合的控制器等。究其原因是因为变频器输出频率上升或下降的快慢严格地受用户预置的“加速时间”和“减速时间”限制的。举例说明如下:

外部PID控制存在的问题

当拖动系统在运行过程中，负载转矩从TL:突然增加为T_L2，如图1(a)所示时，拖动系统的转速从1200r/min瞬间下降为1140r/min，如图1(b)所示。我们希望通过PID调节，系统本来应该在5ms内就恢复到原来的转速1200r/min。然而，变频器的加速时间已经预置为25s(指从零加速到1200r/min)，则电动机的转速从1140r/min上升到1200r/min，需要1s。显然，外部控制器的PID调节功能没能满足要求。

以上数据虽然有些夸大，但说明了问题的所在。其实，变频器自身也有PID调节功能，凡是变频拖动系统，只有在采用了变频器的PID调节功能后，系统的闭环控制才比较理想。

本文以空气压缩机的恒压控制为例，介绍变频器在PID功能有效后的特点和使用要点。

1、变频器在PID功能有效后的特点

1.1模拟量输入端的目标信号和反馈信号

模拟量输入端功能图

在一般情况下，变频器的闭环控制功能是无效的。其模拟量输人端，如图2(a)中端子12, V2和C1的功能是频率给定信号的输人通道。如果有多个给定信号同时输人时，必有一个是主给定信号，其余为辅助给定信号。

当变频器的闭环控制功能预置为“有效”(PID功能有效)时，变频器的模拟量输人端中，可以选择一个为目标信号Xt，的输人通道;其余输人端中，可选择一个为反馈信号X。的输人通道，如图2 (b)所示。

目标信号也可以通过键盘给定，则所有的模拟量输人端都可以作为反馈信号的输人通道。

1.2显示屏的显示数据

当PID功能无效时，显示屏上显示的是变频器的运行数据，如频率、电流、电压等，与显示数据相关的单位指示灯点亮，如图2 (a)所示。而当PID功能有效时，显示屏上显示的是与目标信号或反馈信号成正比的百分数，如图2 (b)所示。

1 .3加、减速取决于PID的运算结果

当变频器预置为PID功能有效后，原来预置的加速时间和减速时间均失效，如图3 (a)所示。其输出频率的上升或下降，以及上升、下降的快慢，完全取决于PID运算的结果△PID。如图3(b)所示:当△PID =0，输出频率将不发生变化;当△PID>0，输出频率将上升，△PID大、频率上升得快;当△PID<0，输出频率将下降，△P1D的觉对值大，频率下降的快。

闭环控制的加、减速

2变频器在PID功能有效后的使用要点

2.1目标信号用百分数表示

因为变频调速系统中，被控制的物理量是各不相同的(如压力、温度、流量、真空度等)，即使是相同的物理量，又因为传感器的量程不同，以及传感器输出的信号不同(电压信号或电流信号)等原因，目标值不可能用具体的物理量来表述，而只能用百分数来表述。

2.2描述目标值的基本方法

当被测的物理量等于目标值时，传感器输出的反馈信号，就等于目标信号。

假设某空气压缩机的目标压力为1. 2 MPa，如压力传感器量程为2 MPa，则当实际压力达到目标值时，因为1. 2 MPa是满刻度的60%，所以，反馈信号等于60%，如图4 (a}所示。目标信号就是60%，如图4 (b)所示。

压力传感器的目标信号确定一

如压力传感器量程为5 MPa，则当实际压力达到目标值时，因为1. 2 MPa是满刻度的24%，所以，反馈信号等于24%，如图5 (a)所示。目标信号就是24%，如图5 (b)所示。

压力传感器的目标信号确定二

所以说，相同的目标压力，如果压力变送器的量程不同，目标信号也是不一样的。

2.3压力传感器的接入

目前常用的压力传感器主要有两种:远传压力表和压力变送器，分别说明如下:

(1)远传压力表。这种压力表PV内部有一个电位器。电位器的滑动端与压力表的指针相连，故滑动端的位置与指针指示的读数相对应，如图6所示。电位器的阻值大多是400欧姆，两个固定端可以直接和目标值给定电位器的固定端并联，也可以另用外部的(0一10 V)直流电源，其0v端与变频器目标信号的0v端相接，则滑动端输出的就是与实际压力成正比的反馈信号，接到变频器的反馈信号通道。这里的反馈信号是电压信号，从V2端输人。

(2)压力变送器。压力变送器BP是一种输出信号与被测物理量成正比的测量仪器。其输出信号大多是电流信号，所需电源通常是直流24 V，变频器一般都为用户提供+24 V的直流电源，如图7所示。

远传压力表与压力变送器的接线方法

压力变送器的输出端只有两根线:红线接电源的“+24 V"，黑线与电源的0v之间，串联电流信号的接收电路，如图7的上部所示。具体到变频器，则压力变送器的黑线只需接到反馈信号输人端，如图7中C1端，电流信号的接收电路在变频器内部的C1和11 (0 V端)之间。

2.4 PID的控制逻辑

对于空气压缩机来说，当实际压力小于目标压力时，要求变频器的输出频率上升，即:

X_F<X_T →f_X↑

式中:X_F—反馈信号，与压力的当前值成正比，%

X_T —目标信号，与压力的目标值成正比，%

f_X—变频器的输出频率，Hz

这种情况称为负反馈。也有的书上根据:f_X↑->X_F↑的特点，称为正逻辑，如图8 (a)所示[P_T为目标压力(MPa) ; Px为实际压力(MPa)]。

变频器的输出频率反馈逻辑图

图8 (b)【θ_T为目标温度(℃);θX为实际温度(℃)】是会议室温度控制的例子。该会议室是通过风机吹入冷空气来降温的，风机采用变频调速。当会议室的实际温度高于目标温度时，要求变频器的输出频率上升，即:X_F> X_T →f_X↑，这种情况称为正反馈，或负逻辑。

使用闭环控制时，对于控制逻辑，一定要分辨清楚，否则达不到控制要求。

2.5比例增益和比例带互为倒数

还有一个必须注意的问题，是关于P的概念。变频器中的P，是指比例增益，或称放大倍数，用K_p表示;而其他装置中的P，常常是指比例带，意思是在上、下限相同的情况下，按比例变化的区间，数值上与K_p正好互为倒数。

P=1/Kp

式中:P—比例带

K_p—比例增益

如图9 (a)中，当自变量X改变增量△X时，曲线①的函数增量为△Y₁，而曲线②的函数增量为△Y2。假设:

△Y2>△Y₁

则曲线②的比例增益比曲线①大:

K_P₂>K_p₁

但在函数的变化范围相同的前提下，比例增益大者，按比例变化的区间(比例带P₂)则小，如图9 (b)中曲线②所示;反之，比例增益小者，按比例变化的区间(比例带P₁)则大，如图9 (b)中曲线①所示。

故有：K_P2>K_p₁→P₂<P₁

2.6闭环控制的起动功能

以上述的会议室的冷风控制系统为例，会议室在不开会时，是没有必要吹人冷空气的，故室内温度较高，假设为35℃，这时的反馈信号X_F较大;而我们的目标温度只有2090，目标信号X_T较小，差值△X(X_T一X_F)较大，PID运算的结果△PID就相当大了。这就要求变频器的输出频率迅速地上升，如图10 (a)所示，电动机的起动电流较大，变频器容易因过电流而跳闸。

为此，各种变频器都专门设置了“PID有效时的起动功能”:在刚开始起动的过程中，令加速时间有效，或者另行设置加速时间，如图10 (b)所示。举例如下:

(1)安川CIMR一G7 A系列变频器。功能码b5-17用于预置“PID指令用加减速时间”。当PID功能有效时，其起动过程中的加、减速时间将由b5 -17功能好立决定。

(2)西门子430系列变频器。功能码P2293为" PID上升时间”，用于起动时防止因加速太快而跳闸。

(3)丹佛斯VLT5000系列变频器。功能码439为“工艺PID起动频率”，当收到起动信号时，变频器将转人开环控制方式运行，按加速时间加速。在达到439功能所预置的起动频率时，才转为闭环工艺控制。

2.7 P、I、D的初次和运行调试

2.7.1初次调试

所谓初次调试，是指拖动系统安装完毕后，对拖动系统的工作性能不十分清楚的情况下，预置P、I、D的步骤与方法(在多数情况下，主要是K_p和I)，介绍如下:

地衣步，把比例增益K，预置到#小，而把积分时间I预置到20一30S。

第二步，逐渐加大K_p，一直到系统发生振荡，

然后取其半。

第三步，逐渐减小I，一直到系统发生振荡，然后增加50%。

第四步，一般说来，按照上述步骤调试后，问题已经不大了。但如果发现有轻微振荡，则略减小一点K_p，或增加一点八如果希望在用气量改变后压力恢复得快一些，则略增大一点K_p，或减小一点I。

2.7.2运行调试

这里所说的运行调试，是指在实际工作中，对运行情况感到不满意时，需要进行的调试。运行过程中，不外是两种情况:

地衣种情况:储气罐的压力时高时低，不大稳定，说明系统发生了振荡，如图11 (a)所示。解决的方法是:或减小K_p，或增加积分时间I。

第二种情况:用户的用气量改变后，压力偏离目标值的时间较长，反应比较迟缓，如图11 (b)所示。解决的方法是:或增大Kp，或减小积分时间I。

比例积分的环节调试

实践证明，在变频调速拖动系统中，利用变频器自身的PID调节功能来实现闭环控制，效果是比较理想的。

3结语

变频器具有十分完善的PID调节功能，变频调速拖动系统需要闭环控制时，应采用变频器的PID调节功能。使用时须事先预置PID功能“有效”，并注意了解PID功能有效后的特点，压力变送器的接线方法，以及起动功能的解决等。除此以外，还应注意，变频器里的P，指的是比例增益，而其他PID调节器里的P，常常是指比例带，两者互为倒数。