巧用变频器PID功能实现自动闭环控制_温控器_温控仪

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巧用变频器PID功能实现自动闭环控制

(2020-01-29 14:38:58)

标签：

pid

闭环控制

变频器

PID闭环控制功能是变频器应用技术的重要领域之一，也是变频器发挥其卓越效能的重要技术手段。变频调速产品的设计、运行、维护人员应该充分熟悉并掌握PID控制的基本理论，积累丰富的实践经验，为变频调速技术的推广应用作出贡献。

在企业生产或某些运转着的系统装置中，往往需要有稳定的压力、温度、流量、液位或转速，以此作为保证产品质量、提高生产效率、满足工艺要求的前提，这就要用到变频器的PID控制功能。所谓PID控制，就是在一个闭环控制系统中，使被控物理量能够迅速而准确地无限接近于控制目标的一种手段。

要实现闭环的PID控制功能，首先应将PID功能预置为有效。具体方法有如下两种：一是通过变频器的功能参数码预置，例如，康沃CVF-G2系列变频器，将参数H-48设为0时，则无PID功能；设为1时为普通PID控制；设为2时为恒压供水PID。二是由变频器的外接多功能端子的状态决定，例如安川CIMR-G7A系列变频器，在多功能输入端子S1~S10中任选一个，将功能码H1-01~H1-10(与端子S1～S10相对应)预置为19，则该端子即具有决定PID控制是否有效的功能，该端子与公共端子SC“ON”时无效，“OFF”时有效。应注意的是，大部分变频器兼有上述两种预置方式，但有少数品牌的变频器只有其中的一种方式。

在一些控制要求不十分严格的系统中，有时仅使用PI控制功能、不启动D功能就能满足需要，这样的系统调试过程比较简单。
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图1 PID原理框图

PID的反馈逻辑
各种变频器的反馈逻辑称谓各不相同，甚至有类似的称谓而含义相反的情形。系统设计时应以所选用变频器的说明书介绍为准。所谓反馈逻辑，是指被控物理量经传感器检测到的反馈信号对变频器输出频率的控制极性。例如中央空调系统中，用回水温度控制调节变频器的输出频率和水泵电机的转速，冬天制热时，如果回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度低，要求提高变频器输出频率和电机转速，加大热水的流量。而夏天制冷时，如果回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度过低，从节约能源的角度考虑，可以降低变频器的输出频率和电机转速，减少冷水的流量。由上可见，同样是温度偏低，反馈信号减小，但要反馈逻辑的功能选择见表1求变频器的频率变化方向却是相反的。这就是引入反馈逻辑的原由。
表1 几种变频器反馈逻辑的功能选择

变频器型号功能码功能含义数据码及含义

安川CIMR-G7A       b5-09              选择PID的正反特性          0为PID输出正特性；1为PID输出反特性
富士P11S                H20                 PID模式                           0为不动作；1为正作用；2为反作用
康沃CVF-G2            H-51               反馈信号特性                   0为正特性；1为逆特性
森兰SB12                F51                  反馈极性                         0为正特性；1为负特性
创世CSBG               P98                  PID控制模式                    0为不动作；1为正动作；2为反动作
传动之星P系列 F0-092            变送器模式 0为正作用；1为反作用

目标信号与反馈信号
欲使变频系统中的某一个物理量稳定在预期的目标值上，变频器的PID功能电路将反馈信号与目标信号不断地进行比较，并根据比较结果来实时地调整输出频率和电动机的转速。所以，变频器的PID控制至少需要两种控制信号：目标信号和反馈信号。这里所说的目标信号是某物理量预期稳定值所对应的电信号，亦称目标值或给定值；而该物理量通过传感器测量到的实际值对应的电信号称为反馈信号，亦称反馈量或当前值。PID控制的功能示意图见图2，图中有一个PID开关，可通过变频器的功能参数设置使PID功能有效或无效，PID功能有效时开关合向下方，由PID电路决定运行频率；PID功能无效时开关合向上方，由频率设定信号决定运行频率。PID开关、动作选择开关和反馈信号切换开关均由功能参数的设置决定其工作状态。
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图2 PID功能示意图

目标值给定
如何将目标值(目标信号)的命令信息传送给变频器，各种变频器选择了不同的方法，而归结起来大体上有如下两种方案。一是自动转换法，即变频器预置PID功能有效时，其开环运行时的频率给定功能自动转为目标值给定，如表2中的安川CIMR-G7A与富士P11S变频器。二是通道选择法，如表2中的康沃CVF-G2、森兰SB12和普传PI7000系列变频器。

以上介绍了目标信号的输入通道，接着要确定目标值的大小。由于目标信号和反馈信号通常不是同一种物理量，难以进行直接比较，所以，大多数变频器的目标信号都用传感器量程的百分数来表示。例如，某储气罐的空气压力要求稳定在1.2MPa，压力变送器的量程为2MPa，则与1.2MPa对应的百分数为60%，目标值就是60%。而有的变频器的参数列表中，有与传感器量程上下限值对应的参数，例如富士P11S变频器，将参数E40(显示系数A)设为2，即压力传感器的量程上限2MPa；参数E41(显示系数B)设为0，即量程下限为0；则目标值为1.2，即压力稳定值为1.2 MPa。目标值即是预期稳定值的绝对值。
表2 几种变频器的目标值给定功能

变频器型号功能码功能含义数据码及含义

安川CIMR-G7A b5-01 选择PID功能是否有效当通过B5-01选择PID功能有效时，b1-01的各项频率给定通道
b1-01 均转为目标输入通道

富士P11S H20 选择PID功能是否有效当通过H20选择PID功能有效时，目标值即可按“F01频率设定1”
选定的通道输入

康沃CVF-G2 H-49 设定通道选择 0为面板电位器；1为面板数字设定；2为外部电压信号(0-10V)；
3为外部电压信号(-10~10V)；4为外部电流信号；5为外部脉冲
信号；6为RS485接口设定

森兰SB12 F47 目标给定方式 0为面板给定；1为外部端子VRF给定；2为外部端子IRF给定

普传PI7000 P03 给定信号选择 0为外接端子I2(0-20mA)；1为外接端子I2(4-20mA)；2为外接端
子V2(0-10V)；3为键盘输入；4为RS485；5为键盘电位器给定

反馈信号的连接
各种变频器都有若干个频率给定输入端，在这些输入端子中，如果已经确定一个为目标信号的输入通道，则其它输入端子均可作为反馈信号的输入端。可通过相应的功能参数码选择其中的一个使用。比较典型的几种变频器反馈信号通道选择见表3。
表3 几种变频器反馈信号通道

变频器型号功能码功能含义数据码及含义

康沃CVF-G2 H-50 反馈通道选择 0为外部电压信号(0-10V)；1为电流输入；2为脉冲输入；3为外部电压信号(-10~10V)

森兰SB12 F50 反馈方式 0为电压0-5V(0-10V)；1为电流0-20mA；2为电压1-5V(2-10V)；3为电流4-20mA

普传PI7000 P20 反馈信号 0为外接端子IF(0-20mA)；1为外接端子IF(4-20mA)；2为外接端子VF(0-10V)；
3为外接端子VF(1-5V)

P、I、D参数的预置与调整
变频器的PID功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我们希望目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从而满足调节的精度；另一方面，我们又希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。比例增益P就是用来设置差值信号的放大系数的。任何一种变频器的参数P都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时，P可按中间偏大值预置，或者暂时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。

如上所述，比例增益P越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。为此引入积分环节I，其效果是，使经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大(或减小)，从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间I太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。因此，I的取值与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长些。

微分时间D是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。D的取值也与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时，微分时间应长些。

P、I、D参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如仍有振荡，可适当减小比例增益P。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益P，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间I，还可加大微分时间D。

应用实例
昌晖仪表选用某型号变频器，并利用其PID功能对某市检察院办公楼中央空调的冷冻水循环系统进行自动控制。对于冷冻水循环系统的控制方式，有以下几种方案可供选择：一是恒温差控制，就是以回水温度和出水温度之差作为控制依据，利用温差控制器的PID功能，输出变频器的频率给定信号，这种方案无须启用变频器的PID功能。二是恒压差控制，即根据冷冻水泵的出水压力和进水压力之差进行控制。三是恒温度控制。如果冷冻主机的出水温度比较稳定，只要测量系统的回水温度，利用变频器的PID功能，即可实现与恒温差控制相同的控制效果。本实例选用的就是这种方案，应用于夏天制冷。

应用电路
应用电路见图3。图中的变频器为创世CSBG型、规格为30kW的产品，其参数设置见表4。设置时首先通过P126(见表4)使所有参数恢复出厂值，这样作的好处是，尽管该变频器的参数有一百多个，但有相当一部分在本实例中并无实际意义；而有用的参数又有一部分可以默认使用出厂值，这使得参数设置变得相对简单。参数P98的设置(见表3-4)使PID功能有效，反馈逻辑为正动作。创世变频器有专用的反馈信号输入通道，即PID/FB1和GND端子(见图3)，由参数P99设定反馈信号为电压输入0～5V。目标信号由参数P03设定，由于参数P103和P104已设定了温度传感器的量程上限和下限，所以这里可设定回水期望的温度绝对值，具体数值，可比出水温度高5～10，根据空调房间的降温要求确定。冷冻水循环水泵在运行中不允许停机，所以对参数P16和P105进行了设置。变频器的其它有效应用参数在表4中没有列出，默认使用出厂值。
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图3 中央空调系统的恒温控制

表4 实例中变频器参数的设置

参数设置名称出厂值设定值说明

P126      数据保护选择              0               2                  恢复出厂值
P00        转速指令选择              0               0                  RUN/STOP面板控制
P03        设定频率                     0.00          ××               目标信号，××为回水管温度设定值
P16        下限频率                     0.00          20                水泵最低运转频率
P98        PID控制模式               0               1                  PID正动作
P99        PID反馈信号选择         0               0                 电压输入0-5V
P100      比例增益P                   50             50               比例增益P可选范围的中间值
P101      积分时间                     1               1                1s时间
P103      PID显示数据最大值    1.0            100              温度传感器量程上限
P104      PID显示数据最大值     0.0            0                  温度传感器量程上限
P105      下限频率模式              0               1                  频率降至下限时维持运转

测温显示仪表为昌晖仪表制造有限公司的YR-GFC401-05-09-NN-N-T，将仪表的温度测量范围设置为Pt100/0-100，相应的变送输出为0-5V，即温度为100时输出5V电压信号，0时输出0V电压信号，这与参数P99设定的反馈信号选择相吻合。这个测温输出信号就是对变频器的反馈信号。

应用效果
变频器与空调系统安装完成后，通电进行试运行，按压变频器面板上的RUN键(表4中参数P00将运转指令选择为面板RUN/STOP键控制)，电动机开始起动运转，之后对参数P100比例增益P、P101积分时间I、P21加速时间、P22减速时间等进行适当调整，投入正式运行，获得节约电能25%与房间温度稳定的良好效果。

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