變頻器PID調節功能在空壓機恒壓控制中的應用

【摘要】該文以空壓機的變頻調速恒壓控制為例，介紹了變頻器中PID功能的特點和使用要點。變頻調速系統需要閉環控制時，應采用變頻器的PID調節功能。使用時須事先預置PID功能有效，并注意了解PID功能有效后的特.點，壓力變送器的接線方法，以及起動問題的解決等。還應注意變頻器里的P，是指比例增益;而外部PID調節器的P是指比例帶，兩者互為倒數。

拖動系統中采用變頻調速后，常有人反映，PID調節的效果往往不盡如人意。這里所說的PID調節，通常是指采用了變頻器以外的閉環控制功能，如PLC、工控機以及某些與傳感器結合的控制器等。究其原因是因為變頻器輸出頻率上升或下降的快慢嚴格地受用戶預置的“加速時間”和“減速時間”限制的。舉例說明如下:

當拖動系統在運行過程中，負載轉矩從TL:突然增加為T_L2，如圖1(a)所示時，拖動系統的轉速從1200r/min瞬間下降為1140r/min，如圖1(b)所示。我們希望通過PID調節，系統本來應該在5ms內就恢復到原來的轉速1200r/min。然而，變頻器的加速時間已經預置為25s(指從零加速到1200r/min)，則電動機的轉速從1140r/min上升到1200r/min，需要1s。顯然，外部控制器的PID調節功能沒能滿足要求。

以上數據雖然有些夸大，但說明了問題的所在。其實，變頻器自身也有PID調節功能，凡是變頻拖動系統，只有在采用了變頻器的PID調節功能后，系統的閉環控制才比較理想。

      本文以空氣壓縮機的恒壓控制為例，介紹變頻器在PID功能有效后的特點和使用要點。

1、變頻器在PID功能有效后的特點

1.1模擬量輸入端的目標信號和反饋信號

    在一般情況下，變頻器的閉環控制功能是無效的。其模擬量輸人端，如圖2(a)中端子12, V2和C1的功能是頻率給定信號的輸人通道。如果有多個給定信號同時輸人時，必有一個是主給定信號，其余為輔助給定信號。

    當變頻器的閉環控制功能預置為“有效”(PID功能有效)時，變頻器的模擬量輸人端中，可以選擇一個為目標信號Xt，的輸人通道;其余輸人端中，可選擇一個為反饋信號X。的輸人通道，如圖2 (b)所示。

    目標信號也可以通過鍵盤給定，則所有的模擬量輸人端都可以作為反饋信號的輸人通道。

1.2顯示屏的顯示數據

    當PID功能無效時，顯示屏上顯示的是變頻器的運行數據，如頻率、電流、電壓等，與顯示數據相關的單位指示燈點亮，如圖2 (a)所示。而當PID功能有效時，顯示屏上顯示的是與目標信號或反饋信號成正比的百分數，如圖2 (b)所示。

1 .3加、減速取決于PID的運算結果

    當變頻器預置為PID功能有效后，原來預置的加速時間和減速時間均失效，如圖3 (a)所示。其輸出頻率的上升或下降，以及上升、下降的快慢，完全取決于PID運算的結果△PID。如圖3(b)所示:當△PID =0，輸出頻率將不發生變化;當△PID>0，輸出頻率將上升，△PID大、頻率上升得快;當△PID<0，輸出頻率將下降，△P1D的絕對值大，頻率下降的快。

2變頻器在PID功能有效后的使用要點

2.1目標信號用百分數表示

    因為變頻調速系統中，被控制的物理量是各不相同的(如壓力、溫度、流量、真空度等)，即使是相同的物理量，又因為傳感器的量程不同，以及傳感器輸出的信號不同(電壓信號或電流信號)等原因，目標值不可能用具體的物理量來表述，而只能用百分數來表述。

2.2描述目標值的基本方法

    當被測的物理量等于目標值時，傳感器輸出的反饋信號，就等于目標信號。

    假設某空氣壓縮機的目標壓力為1. 2 MPa，如壓力傳感器量程為2 MPa，則當實際壓力達到目標值時，因為1. 2 MPa是滿刻度的60%，所以，反饋信號等于60%，如圖4 (a}所示。目標信號就是60%，如圖4 (b)所示。

    如壓力傳感器量程為5 MPa，則當實際壓力達到目標值時，因為1. 2 MPa是滿刻度的24%，所以，反饋信號等于24%，如圖5 (a)所示。目標信號就是24%，如圖5 (b)所示。

    所以說，相同的目標壓力，如果壓力變送器的量程不同，目標信號也是不一樣的。

2.3壓力傳感器的接入

    目前常用的壓力傳感器主要有兩種:遠傳壓力表和壓力變送器，分別說明如下:

    (1)遠傳壓力表。這種壓力表PV內部有一個電位器。電位器的滑動端與壓力表的指針相連，故滑動端的位置與指針指示的讀數相對應，如圖6所示。電位器的阻值大多是400歐姆，兩個固定端可以直接和目標值給定電位器的固定端并聯，也可以另用外部的(0一10 V)直流電源，其0v端與變頻器目標信號的0v端相接，則滑動端輸出的就是與實際壓力成正比的反饋信號，接到變頻器的反饋信號通道。這里的反饋信號是電壓信號，從V2端輸人。

    (2)壓力變送器。壓力變送器BP是一種輸出信號與被測物理量成正比的測量儀器。其輸出信號大多是電流信號，所需電源通常是直流24 V，變頻器一般都為用戶提供+24 V的直流電源，如圖7所示。

    壓力變送器的輸出端只有兩根線:紅線接電源的“+24 V"，黑線與電源的0v之間，串聯電流信號的接收電路，如圖7的上部所示。具體到變頻器，則壓力變送器的黑線只需接到反饋信號輸人端，如圖7中C1端，電流信號的接收電路在變頻器內部的C1和11 (0 V端)之間。

2.4 PID的控制邏輯

    對于空氣壓縮機來說，當實際壓力小于目標壓力時，要求變頻器的輸出頻率上升，即:

              X_F<X_T →f_X↑

式中:X_F—反饋信號，與壓力的當前值成正比，%

     X_T —目標信號，與壓力的目標值成正比，%

     f_X—變頻器的輸出頻率，Hz

    這種情況稱為負反饋。也有的書上根據:f_X↑->X_F↑的特點，稱為正邏輯，如圖8 (a)所示[P_T為目標壓力(MPa) ; Px為實際壓力(MPa)]。

    圖8 (b)【θ_T為目標溫度(℃);θX為實際溫度(℃)】是會議室溫度控制的例子。該會議室是通過風機吹入冷空氣來降溫的，風機采用變頻調速。當會議室的實際溫度高于目標溫度時，要求變頻器的輸出頻率上升，即:X_F > X_T →f_X↑，這種情況稱為正反饋，或負邏輯。

使用閉環控制時，對于控制邏輯，一定要分辨清楚，否則達不到控制要求。

2.5比例增益和比例帶互為倒數

    還有一個必須注意的問題，是關于P的概念。變頻器中的P，是指比例增益，或稱放大倍數，用K_p表示;而其他裝置中的P，常常是指比例帶，意思是在上、下限相同的情況下，按比例變化的區間，數值上與K_p正好互為倒數。

              P=1/Kp

式中:P—比例帶

    K_p—比例增益

    如圖9 (a)中，當自變量X改變增量△X時，曲線①的函數增量為△Y₁，而曲線②的函數增量為△Y2。假設:

                  △Y2>△Y₁

則曲線②的比例增益比曲線①大:

                  K_P2>K_p1

但在函數的變化范圍相同的前提下，比例增益大者，按比例變化的區間(比例帶P₂)則小，如圖9 (b)中曲線②所示;反之，比例增益小者，按比例變化的區間(比例帶P₁)則大，如圖9 (b)中曲線①所示。

故有：K_P2>K_p1→P₂ <P₁

2.6閉環控制的起動功能

    以上述的會議室的冷風控制系統為例，會議室在不開會時，是沒有必要吹人冷空氣的，故室內溫度較高，假設為35℃，這時的反饋信號X_F較大;而我們的目標溫度只有2090，目標信號X_T較小，差值△X(X_T一X_F)較大，PID運算的結果△PID就相當大了。這就要求變頻器的輸出頻率迅速地上升，如圖10 (a)所示，電動機的起動電流較大，變頻器容易因過電流而跳閘。

    為此，各種變頻器都專門設置了“PID有效時的起動功能”:在剛開始起動的過程中，令加速時間有效，或者另行設置加速時間，如圖10 (b)所示。舉例如下:

    (1)安川CIMR一G7 A系列變頻器。功能碼b5-17用于預置“PID指令用加減速時間”。當PID功能有效時，其起動過程中的加、減速時間將由b5 -17功能獨立決定。

    (2)西門子430系列變頻器。功能碼P2293為" PID上升時間”，用于起動時防止因加速太快而跳閘。

    (3)丹佛斯VLT5000系列變頻器。功能碼439為“工藝PID起動頻率”，當收到起動信號時，變頻器將轉人開環控制方式運行，按加速時間加速。在達到439功能所預置的起動頻率時，才轉為閉環工藝控制。

2.7  P、I、D的初次和運行調試

2.7.1初次調試

    所謂初次調試，是指拖動系統安裝完畢后，對拖動系統的工作性能不十分清楚的情況下，預置P、I、D的步驟與方法(在多數情況下，主要是K_p和I)，介紹如下:

    第一步，把比例增益K，預置到最小，而把積分時間I預置到20一30S。

    第二步，逐漸加大K_p，一直到系統發生振蕩，

然后取其半。

    第三步，逐漸減小I，一直到系統發生振蕩，然后增加50%。

    第四步，一般說來，按照上述步驟調試后，問題已經不大了。但如果發現有輕微振蕩，則略減小一點K_p，或增加一點八如果希望在用氣量改變后壓力恢復得快一些，則略增大一點K_p，或減小一點I。 

2.7.2運行調試

    這里所說的運行調試，是指在實際工作中，對運行情況感到不滿意時，需要進行的調試。運行過程中，不外是兩種情況:

    第一種情況:儲氣罐的壓力時高時低，不大穩定，說明系統發生了振蕩，如圖11 (a)所示。解決的方法是:或減小K_p，或增加積分時間I。

    第二種情況:用戶的用氣量改變后，壓力偏離目標值的時間較長，反應比較遲緩，如圖11 (b)所示。解決的方法是:或增大Kp，或減小積分時間I。

    實踐證明，在變頻調速拖動系統中，利用變頻器自身的PID調節功能來實現閉環控制，效果是比較理想的。

3結語

    變頻器具有十分完善的PID調節功能，變頻調速拖動系統需要閉環控制時，應采用變頻器的PID調節功能。使用時須事先預置PID功能“有效”，并注意了解PID功能有效后的特點，壓力變送器的接線方法，以及起動功能的解決等。除此以外，還應注意，變頻器里的P，指的是比例增益，而其他PID調節器里的P，常常是指比例帶，兩者互為倒數。

作者：張 燕 賓@壓力變送器

版權：張 燕 賓

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