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變頻器內置PID功能在閉環控制中應用

時間:2019-11-14 09:46來源:www.jamespellerite.com 編輯:自動控制網
PID閉環控制功能是變頻器應用技術的重要領域之一,也是變頻器發揮其卓越效能的重要技術手段。變頻調速產品的設計、運行、維護人員應該充分熟悉并掌握PID控制的基本理論,積累豐富的實踐經驗,為變頻調速技術的推廣應用作出貢獻。 在企業生產或某些運轉著的系

PID閉環控制功能是變頻器應用技術的重要領域之一,也是變頻器發揮其卓越效能的重要技術手段。變頻調速產品的設計、運行、維護人員應該充分熟悉并掌握PID控制的基本理論,積累豐富的實踐經驗,為變頻調速技術的推廣應用作出貢獻。

在企業生產或某些運轉著的系統裝置中,往往需要有穩定的壓力、溫度、流量、液位或轉速,以此作為保證產品質量、提高生產效率、滿足工藝要求的前提,這就要用到變頻器的PID控制功能。所謂PID控制,就是在一個閉環控制系統中,使被控物理量能夠迅速而準確地無限接近于控制目標的一種手段。

要實現閉環的PID控制功能,首先應將PID功能預置為有效。具體方法有如下兩種:一是通過變頻器的功能參數碼預置,例如,康沃CVF-G2系列變頻器,將參數H-48設為0時,則無PID功能;設為1時為普通PID控制;設為2時為恒壓供水PID。二是由變頻器的外接多功能端子的狀態決定,例如安川CIMR-G7A系列變頻器,在多功能輸入端子S1~S10中任選一個,將功能碼H1-01~H1-10(與端子S1~S10相對應)預置為19,則該端子即具有決定PID控制是否有效的功能,該端子與公共端子SC“ON”時無效,“OFF”時有效。應注意的是,大部分變頻器兼有上述兩種預置方式,但有少數品牌的變頻器只有其中的一種方式。

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在一些控制要求不十分嚴格的系統中,有時僅使用PI控制功能、不啟動D功能就能滿足需要,這樣的系統調試過程比較簡單。
PID原理框圖
圖1  PID原理框圖

PID的反饋邏輯
各種變頻器的反饋邏輯稱謂各不相同,甚至有類似的稱謂而含義相反的情形。系統設計時應以所選用變頻器的說明書介紹為準。所謂反饋邏輯,是指被控物理量經傳感器檢測到的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調系統中,用回水溫度控制調節變頻器的輸出頻率和水泵電機的轉速,冬天制熱時,如果回水溫度偏低,反饋信號減小,說明房間溫度低,要求提高變頻器輸出頻率和電機轉速,加大熱水的流量。而夏天制冷時,如果回水溫度偏低,反饋信號減小,說明房間溫度過低,從節約能源的角度考慮,可以降低變頻器的輸出頻率和電機轉速,減少冷水的流量。由上可見,同樣是溫度偏低,反饋信號減小,但要反饋邏輯的功能選擇見表1求變頻器的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。
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表1  幾種變頻器反饋邏輯的功能選擇

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變頻器型號              功能碼             功能含義                          數據碼及含義 自動控制網www.jamespellerite.com版權所有


安川CIMR-G7A       b5-09              選擇PID的正反特性          0為PID輸出正特性;1為PID輸出反特性
富士P11S                H20                 PID模式                           0為不動作;1為正作用;2為反作用
康沃CVF-G2            H-51               反饋信號特性                   0為正特性;1為逆特性
森蘭SB12                F51                  反饋極性                         0為正特性;1為負特性

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創世CSBG               P98                  PID控制模式                    0為不動作;1為正動作;2為反動作
傳動之星P系列         F0-092            變送器模式                      0為正作用;1為反作用

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目標信號與反饋信號
欲使變頻系統中的某一個物理量穩定在預期的目標值上,變頻器的PID功能電路將反饋信號與目標信號不斷地進行比較,并根據比較結果來實時地調整輸出頻率和電動機的轉速。所以,變頻器的PID控制至少需要兩種控制信號:目標信號和反饋信號。這里所說的目標信號是某物理量預期穩定值所對應的電信號,亦稱目標值或給定值;而該物理量通過傳感器測量到的實際值對應的電信號稱為反饋信號,亦稱反饋量或當前值。PID控制的功能示意圖見圖2,圖中有一個PID開關,可通過變頻器的功能參數設置使PID功能有效或無效,PID功能有效時開關合向下方,由PID電路決定運行頻率;PID功能無效時開關合向上方,由頻率設定信號決定運行頻率。PID開關、動作選擇開關和反饋信號切換開關均由功能參數的設置決定其工作狀態。
PID功能示意圖
圖2  PID功能示意圖

目標值給定 本文來自www.jamespellerite.com
如何將目標值(目標信號)的命令信息傳送給變頻器,各種變頻器選擇了不同的方法,而歸結起來大體上有如下兩種方案。一是自動轉換法,即變頻器預置PID功能有效時,其開環運行時的頻率給定功能自動轉為目標值給定,如表2中的安川CIMR-G7A與富士P11S變頻器。二是通道選擇法,如表2中的康沃CVF-G2、森蘭SB12和普傳PI7000系列變頻器。

以上介紹了目標信號的輸入通道,接著要確定目標值的大小。由于目標信號和反饋信號通常不是同一種物理量,難以進行直接比較,所以,大多數變頻器的目標信號都用傳感器量程的百分數來表示。例如,某儲氣罐的空氣壓力要求穩定在1.2MPa,壓力變送器的量程為2MPa,則與1.2MPa對應的百分數為60%,目標值就是60%。而有的變頻器的參數列表中,有與傳感器量程上下限值對應的參數,例如富士P11S變頻器,將參數E40(顯示系數A)設為2,即壓力傳感器的量程上限2MPa;參數E41(顯示系數B)設為0,即量程下限為0;則目標值為1.2,即壓力穩定值為1.2 MPa。目標值即是預期穩定值的絕對值。
表2 幾種變頻器的目標值給定功能

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變頻器型號                   功能碼      功能含義                             數據碼及含義 本文來自www.jamespellerite.com


安川CIMR-G7A            b5-01       選擇PID功能是否有效         當通過B5-01選擇PID功能有效時,b1-01的各項頻率給定通道
                                    b1-01                                                 均轉為目標輸入通道 本文來自www.jamespellerite.com


富士P11S                      H20         選擇PID功能是否有效          當通過H20選擇PID功能有效時,目標值即可按“F01頻率設定1”
                                                                                               選定的通道輸入 本文來自www.jamespellerite.com


康沃CVF-G2                 H-49         設定通道選擇                     0為面板電位器;1為面板數字設定;2為外部電壓信號(0-10V);
                                                                                              3為外部電壓信號(-10~10V);4為外部電流信號;5為外部脈沖
                                                                                               信號;6為RS485接口設定

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森蘭SB12                      F47           目標給定方式                     0為面板給定;1為外部端子VRF給定;2為外部端子IRF給定 自動控制網www.jamespellerite.com版權所有


普傳PI7000                   P03           給定信號選擇                     0為外接端子I2(0-20mA);1為外接端子I2(4-20mA);2為外接端
                                                                                               子V2(0-10V);3為鍵盤輸入;4為RS485;5為鍵盤電位器給定 自動控制網www.jamespellerite.com版權所有



反饋信號的連接
各種變頻器都有若干個頻率給定輸入端,在這些輸入端子中,如果已經確定一個為目標信號的輸入通道,則其它輸入端子均可作為反饋信號的輸入端?赏ㄟ^相應的功能參數碼選擇其中的一個使用。比較典型的幾種變頻器反饋信號通道選擇見表3。
表3  幾種變頻器反饋信號通道

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變頻器型號       功能碼     功能含義             數據碼及含義

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康沃CVF-G2     H-50       反饋通道選擇      0為外部電壓信號(0-10V);1為電流輸入;2為脈沖輸入;3為外部電壓信號(-10~10V) 自動控制網www.jamespellerite.com版權所有


森蘭SB12         F50         反饋方式             0為電壓0-5V(0-10V);1為電流0-20mA;2為電壓1-5V(2-10V);3為電流4-20mA 本文來自www.jamespellerite.com


普傳PI7000      P20         反饋信號             0為外接端子IF(0-20mA);1為外接端子IF(4-20mA);2為外接端子VF(0-10V);
                                                                  3為外接端子VF(1-5V)

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P、I、D參數的預置與調整
變頻器的PID功能是利用目標信號和反饋信號的差值來調節輸出頻率的,一方面,我們希望目標信號和反饋信號無限接近,即差值很小,從而滿足調節的精度;另一方面,我們又希望調節信號具有一定的幅度,以保證調節的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號進行放大。比例增益P就是用來設置差值信號的放大系數的。任何一種變頻器的參數P都給出一個可設置的數值范圍,一般在初次調試時,P可按中間偏大值預置,或者暫時默認出廠值,待設備運轉時再按實際情況細調。

如上所述,比例增益P越大,調節靈敏度越高,但由于傳動系統和控制電路都有慣性,調節結果達到最佳值時不能立即停止,導致“超調”,然后反過來調整,再次超調,形成振蕩。為此引入積分環節I,其效果是,使經過比例增益P放大后的差值信號在積分時間內逐漸增大(或減小),從而減緩其變化速度,防止振蕩。但積分時間I太長,又會當反饋信號急劇變化時,被控物理量難以迅速恢復。因此,I的取值與拖動系統的時間常數有關:拖動系統的時間常數較小時,積分時間應短些;拖動系統的時間常數較大時,積分時間應長些。

微分時間D是根據差值信號變化的速率,提前給出一個相應的調節動作,從而縮短了調節時間,克服因積分時間過長而使恢復滯后的缺陷。D的取值也與拖動系統的時間常數有關:拖動系統的時間常數較小時,微分時間應短些;反之,拖動系統的時間常數較大時,微分時間應長些。

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P、I、D參數的預置是相輔相成的,運行現場應根據實際情況進行如下細調:被控物理量在目標值附近振蕩,首先加大積分時間I,如仍有振蕩,可適當減小比例增益P。被控物理量在發生變化后難以恢復,首先加大比例增益P,如果恢復仍較緩慢,可適當減小積分時間I,還可加大微分時間D。

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