0 引言

KV2000 無(wú)感矢量變頻器在各行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越多，用戶經(jīng)常會(huì)用到PID功能。雖然使用說(shuō)明書中對(duì)PID功能已經(jīng)有詳細(xì)的描述和說(shuō)明，但由于技術(shù)人員對(duì)KV2000獨(dú)特的PID 功能，諸如系統(tǒng)的組成、功能選擇、方向確定、設(shè)定值定義、正/ 反作用及PID參數(shù)的調(diào)整等的理解有所不同，以及各行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)被控對(duì)象的千差萬(wàn)別，導(dǎo)致PID的參數(shù)也必須隨之變化，以滿足系統(tǒng)的性能要求，加之一些新用戶對(duì)PID功能不熟悉，這都會(huì)給使用帶來(lái)相當(dāng)大的麻煩。

作者依據(jù)十多年從事以變頻器為主的自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了KV2000 無(wú)感矢量變頻器內(nèi)置PID 的豐富功能，PID 控制的系統(tǒng)組成、參數(shù)調(diào)試及運(yùn)行的要點(diǎn)。算是對(duì)產(chǎn)品使用手冊(cè)的補(bǔ)充，以便廣大用戶能在較短時(shí)間內(nèi)理解并簡(jiǎn)便地完成該功能的調(diào)試。

1 KV2000無(wú)感矢量變頻器PID控制器介紹

PID控制器有多種形式，而在實(shí)用上多數(shù)仍采用比例- 積分-微分(PID)控制器，尤其在溫度、壓力、流量值控制上應(yīng)用最為廣泛。

PID控制屬于閉環(huán)控制(Closed-loop Control System)，是調(diào)整反饋量與給定量保持一致的常用的過(guò)程控制方法，主要目的是在閉環(huán)控制回路中提供系統(tǒng)誤差量維持最小以及系統(tǒng)反應(yīng)速度適當(dāng)，避免過(guò)激振蕩或過(guò)度遲鈍現(xiàn)象的可能。如圖1所示，變頻器內(nèi)置的PID控制器通過(guò)控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)到物理量(如壓力，溫度等)即反饋量，將其與系統(tǒng)給定量進(jìn)行比較。如有偏差，則通過(guò)PID調(diào)節(jié)的作用使偏差為零。

1.1 PID主要控制參數(shù)

現(xiàn)將PID控制器中主要使用的控制參數(shù)做逐項(xiàng)介紹并說(shuō)明其用法。

1.1.1 F073 PID設(shè)定來(lái)源與反饋來(lái)源的選擇

從圖1得知，在控制系統(tǒng)中，必須要有設(shè)定值(目標(biāo)值)，PID 功能模塊才會(huì)計(jì)算反饋值與設(shè)定值之間的誤差量，然后產(chǎn)生PID 的輸出結(jié)果給控制系統(tǒng)。

F073 就是用來(lái)設(shè)定PID 功能模塊所需要的設(shè)定值的來(lái)源和反饋值的來(lái)源，其數(shù)值結(jié)構(gòu)由小數(shù)點(diǎn)左邊的整數(shù)部分和小數(shù)點(diǎn)右邊的小數(shù)部分組成。

1)整數(shù)部分用來(lái)定義PID 控制所需設(shè)定值(目標(biāo)值)的來(lái)源;

2)小數(shù)部分用來(lái)定義PID 控制所需反饋值的來(lái)源。

表1列出可供選擇的來(lái)源設(shè)定方式，除了第10號(hào)功能選項(xiàng)只能用于設(shè)定值來(lái)源的設(shè)定，其余的選項(xiàng)都是用于設(shè)定值以及反饋值來(lái)源的選用。

1.1.2 以下說(shuō)明重要的注意事項(xiàng)

1)選擇1、2、3 的設(shè)定，表示設(shè)定值或反饋值的來(lái)源是模擬信號(hào)，并且信號(hào)是正向的。所謂的正向信號(hào)源是指信號(hào)電位越高，代表設(shè)定值越高，是正斜率的輸入信號(hào)源。即當(dāng)輸入在0～+5 V(或0～+10 V或0～20 mA)間變化時(shí)，代表設(shè)定值或反饋值在0～100%變化。

2)選擇4、5、6的設(shè)定，與1、2、3 類似，只是輸入信號(hào)是負(fù)向的，意指信號(hào)電位越高，代表設(shè)定值或反饋值越低，是負(fù)斜率輸入信號(hào)源。即當(dāng)輸入在0～+5 V(或0～+10 V或0～20 mA)間變化時(shí)，代表設(shè)定值或反饋值在100%～0變化。

1.2 PID 控制功能的比例、積分、微分增益參數(shù)說(shuō)明

在PID控制中有三個(gè)很重要的控制參數(shù)，即比例、積分、微分增益，其說(shuō)明如表2所列，這三個(gè)參數(shù)用來(lái)調(diào)整PID控制模塊的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于系統(tǒng)整體運(yùn)作呈現(xiàn)出來(lái)的反應(yīng)速度、穩(wěn)定性和最終追求的精確度有很大的影響。關(guān)于三個(gè)增益的作用和設(shè)定在《變頻技術(shù)應(yīng)用》2007(3)中刊登的《中央空調(diào)智能控制系統(tǒng)》一文中有詳述，在此不再贅述。

2 如何調(diào)整最佳的PID增益

參考圖2，若將I 和D 的增益設(shè)成最小值(最小僅能為0.1)，那么將可以看成只有P 增益了，因?yàn)榇藭r(shí)I和D增益影響不大。

在只有P增益的情況下，就可以很容易地嘗試設(shè)定P增益的值，此時(shí)系統(tǒng)直接輸出對(duì)于P增益的反應(yīng)。當(dāng)決定了P增益后，下一步就是設(shè)定I增益了，I增益的設(shè)定原則是讓系統(tǒng)能夠補(bǔ)充P增益無(wú)法修正的的部分即可，若要讓系統(tǒng)反應(yīng)更快一些，那么就要增加I增益的值，以增加積分累計(jì)來(lái)提升反應(yīng)速度;

但是要注意別太大了從而造成過(guò)度修正的現(xiàn)象。

一般而言，在有回饋的控制系統(tǒng)中，僅設(shè)P和I的增益就足以完成控制的需求了，并不特別需要D增益部分;D 增益的目的是為了讓系統(tǒng)在時(shí)間響應(yīng)上有更好的結(jié)果。設(shè)定D增益的值時(shí)，要仔細(xì)觀察系統(tǒng)的反應(yīng)動(dòng)作，它的作用是在誤差的值發(fā)生變化的時(shí)候，才會(huì)有最好的效果，而且它還包括了誤差量變化的方向性，所以，D 增益是一個(gè)有方向性的向量值?？傊?，是一個(gè)很好的加速、剎車的角色，因此，只要觀察系統(tǒng)的變化，由輸出效果就能設(shè)定出一個(gè)適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

3 其他重要的基本控制項(xiàng)目

要讓PID順利啟動(dòng)，除了要了解F073的定義和PID 增益參數(shù)之外，還必須了解以下幾個(gè)參數(shù)，并按照要求設(shè)定后才可順利執(zhí)行PID的控制功能。

3.1 PID的啟動(dòng)控制

首先，必須選定一個(gè)數(shù)字輸入端口作為PID 啟動(dòng)信號(hào)的輸入口，在被選定的數(shù)字端口的對(duì)應(yīng)功能選擇參數(shù)位置處輸入50。例如，選定X1作為PID啟動(dòng)輸入口，那么就必須設(shè)定F041=50。當(dāng)設(shè)定好后，X1 若有信號(hào)動(dòng)作時(shí)，PID功能就被啟動(dòng)，若X1 的信號(hào)停止，那么PID功能就停止。

3.2 PID的輸出方式

當(dāng)了解處理PID的增益和啟動(dòng)方式后，接下來(lái)就是PID的輸出了。PID的輸出方式有兩種：一是直接用作變頻器的速度指令，二是直接用作模擬輸出端口(AM端口)的輸出量。兩種方式的設(shè)定方法見表3。[!--empirenews.page--]

4 恒壓供水電氣原理及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

4.1 恒壓供水電氣原理圖

圖3 所示是典型的恒壓供水電氣原理圖，供工程人員設(shè)計(jì)施工時(shí)參考。圖中變頻器選用KV2000無(wú)感矢量變頻器，功率從0.75 ~650 kW可選;PS是壓力變送器，所選型號(hào)是PT124B-1/4NPT，輸入范圍0~1.6MPa，輸出范圍4~20 mA，工作電壓為DC24 V。

系統(tǒng)采用以變頻器內(nèi)部參數(shù)F027 設(shè)定希望保持恒定的壓力值，恒壓設(shè)定值是0.4 MPa。以壓力傳感器測(cè)定最終的供水壓力，并反饋給變頻器PID 控制系統(tǒng)監(jiān)控，確保恒壓供水。選用的壓力傳感器的測(cè)定范圍最大是1.6 MPa，在此壓力下傳感器回饋的電壓值是20 mA，并且將壓力傳感器信號(hào)從V2 模擬端口輸入。系統(tǒng)以PID功能控制水泵的運(yùn)行，保證水管內(nèi)的恒定壓力值。

4.2 變頻器參數(shù)設(shè)置

1)F073=0.2 表示PID 的設(shè)定值選擇從F027直接設(shè)定，反饋值選擇從V2模擬輸入端口輸入。

2)F027=25.0(25%) F027的設(shè)定值與壓力傳感器的量程和系統(tǒng)要求有關(guān)系，系統(tǒng)要求壓力為0.4 MPa，如圖4 所示，8 mA對(duì)應(yīng)0.4 MPa，為1.6 MPa的25%，所以設(shè)定F027=25.0，代表設(shè)定值是最大值的25%，而系統(tǒng)最終通過(guò)PID控制水泵的運(yùn)行，將反饋信號(hào)修正到25%的位置，也就是壓力傳感器會(huì)感應(yīng)到0.4 MPa。

3)F016 下限頻率30.00 設(shè)定水泵的最低運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為30 Hz。一般此頻率的設(shè)定參考水泵在各頻率段的有效輸出壓力值(或者扭力的輸出值)，以及整個(gè)供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式(包括止水閥的選擇、水泵電機(jī)的散熱和效率等因素)。

4)F015 上限頻率50.00 設(shè)定水泵最高運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為50 Hz。此為一般條件的設(shè)定，若有特殊要求，則另外設(shè)定合乎要求的值。

5)F001，F(xiàn)002 加、減速時(shí)間依現(xiàn)場(chǎng)要求設(shè)定，設(shè)定的時(shí)間愈長(zhǎng)則系統(tǒng)反應(yīng)愈慢，設(shè)定愈短則對(duì)于電機(jī)的額定要求愈高。

6)F039啟動(dòng)/ 停止方式設(shè)定依照現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的要求設(shè)定，在圖3 的電氣原理中，F(xiàn)039設(shè)定為2.0，即外部端子控制運(yùn)行方式。

7)F040=40 輸出頻率由PID輸出決定。

8)F041=50 選擇X1 功能為PID啟動(dòng)功能。選擇X1數(shù)字輸入端口作為PID啟動(dòng)的輸入，若沒(méi)有特殊要求，最簡(jiǎn)單的方式就是將X1直接與變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)并聯(lián)，與變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)啟動(dòng)。

9)F055=4 模擬轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)選擇V2 的測(cè)量值。F055選擇需要檢測(cè)的信號(hào)通道，當(dāng)選擇4時(shí)，檢測(cè)的是電流通道，即檢測(cè)壓力變送器的輸出信號(hào)。變頻器中央處理器的10 位A/D 轉(zhuǎn)換器將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換的資料存放在F056之中，被轉(zhuǎn)換的資料范圍在0~1 023之間。

10)調(diào)整F091 V2端子輸入最低值。

11)F092 V2端子輸入最高值的設(shè)定值。

設(shè)定參數(shù)F091和F092，首先將變頻器輸出到電機(jī)的電力線斷開，不讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以確保安全。F091、F092的調(diào)整是為了設(shè)定V2 端口與壓力變送器的輸入范圍，因?yàn)閂2 是用于接收壓力傳感器的反饋信號(hào)，F(xiàn)091、F092 的值主要是用來(lái)配合壓力傳感器的反饋信號(hào)范圍(4～20 mA)。F091設(shè)定為220[當(dāng)給V2端子輸入4 mA 時(shí)，變頻器接收的信號(hào)為220(即4 mA/20 mA×1 024=204)]，F(xiàn)092設(shè)定為1020。

4.3 調(diào)節(jié)PID參數(shù)

PID參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，一般根據(jù)被控過(guò)程的特性來(lái)確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制參數(shù)，這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)不可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改;二是工程整定法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。

此恒壓供水電氣系統(tǒng)按工程經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定F075=300、F076=300、F077=200即可滿足系統(tǒng)要求，或按如下步驟進(jìn)行設(shè)置。

1)設(shè)F001=0.1、F002=0.1、F075=0.1、F076=0.1、F077=0.1。

2)當(dāng)壓力為0 MPa時(shí)，即V2 的輸入為4 mA，讓PID啟動(dòng)，觀察變頻器輸出的頻率顯示，調(diào)整F075讓輸出能超過(guò)F016設(shè)定的值即可。此時(shí)調(diào)整好的值就是P增益必須設(shè)定的最小值，若小于此值那么系統(tǒng)的反應(yīng)就太慢了。注意，每次重新設(shè)定F075 的值后，應(yīng)將變頻器重新復(fù)歸后再啟動(dòng)PID，這樣觀察到的輸出頻率會(huì)比較準(zhǔn)確。在做以下的步驟時(shí)，也應(yīng)掌握這項(xiàng)原則，避免觀察的現(xiàn)象受以前的PID 參數(shù)影響造成誤判。

3)將V2的輸入保持為4 mA，把F027 的值降在原來(lái)的10%以內(nèi)(原為25，現(xiàn)設(shè)為2.5)，再將F016設(shè)為0。這時(shí)啟動(dòng)PID并觀察輸出的頻率，然后再調(diào)整F076的值，直到頻率增加的速度達(dá)到滿意為止(增加到50 Hz)。切記，夠了就好，別讓I增益太大，保留裕量在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再調(diào)整。

4)暫時(shí)不調(diào)整F077，保持設(shè)定值0.1。

5)恢復(fù)V2以及F027的設(shè)置。

如果想要修正更快速，可以增加P和I 的值(彼此依照比例同步增加)，再重新復(fù)歸后，就能見到變更的效果(或是等待比較久的時(shí)間也可以)。當(dāng)增加P 和I 的值后，若發(fā)生振蕩或過(guò)度修正，則增加D 增益來(lái)改善。檢查反饋信號(hào)的值和實(shí)際狀況是否相同，若一切正常，那么KV2000的PID即可正常工作。

4.4 PID的動(dòng)作的檢查

其他類型變頻器的內(nèi)置PID，用戶完全要看壓力的大小以及變頻器設(shè)置的數(shù)值，才能判斷變頻器的頻率什么時(shí)候上升或下降，工作是否正確。而KV2000無(wú)感矢量變頻器使用起來(lái)非常方便。上面介紹到F055=4 的時(shí)候，模擬轉(zhuǎn)換器輸入信號(hào)選擇V2的測(cè)量值。轉(zhuǎn)換的資料范圍在0~1 023 之間，被存放在F056 之中。也就是說(shuō)，從F056 參數(shù)中，就可以了解到壓力的大小。而設(shè)定值的計(jì)算為

( F092-F091 )×F027+F091 (1)

式(1)中的F091 為V2端子輸入最低值，F(xiàn)092為V2端子輸入最高值，F(xiàn)027是系統(tǒng)目標(biāo)值，所以有(1020-220)× 0.25+220=420，這個(gè)420 就是要與我們F056讀到的數(shù)值大小進(jìn)行比較的參考值。當(dāng)F056讀取的值大于420時(shí)，變頻器輸出頻率下降，表示檢測(cè)到的實(shí)際供水壓力大于目標(biāo)值;當(dāng)F056讀取的值小于420時(shí)，變頻器輸出頻率上升，表示供水壓力低于目標(biāo)值。

5 結(jié)語(yǔ)

最后提醒，PID僅是整個(gè)系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)里的一個(gè)單元，PID響應(yīng)時(shí)間的快慢，還要考慮到系統(tǒng)中其他單元對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度的影響，這些因素包括：

1)變頻器的加、減速度時(shí)間(若PID 的輸出結(jié)果是用作變頻器的速度指令);

2)電機(jī)對(duì)速度變化的反應(yīng)(電機(jī)的時(shí)間響應(yīng)特性，電機(jī)的扭力、功率是否足夠大);

3)回饋裝置的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間(當(dāng)系統(tǒng)在修正時(shí)，反饋信號(hào)是否及時(shí)反應(yīng)，系統(tǒng)整體是屬于快速反應(yīng)還是慢速反應(yīng))。因此，當(dāng)系統(tǒng)的反應(yīng)速度不能令人滿意時(shí)，要注意不要一味地調(diào)整PID增益，有時(shí)可能是其他因素造成的結(jié)果，所以必須要找出原因，才能徹底解決問(wèn)題。