变频器的PID控制(变频控制经典)

112 | 电气时代2006年第2期 EA产品与技术 理论&知识 问题1　闭环控制要达到什么目的？ 以空气压缩机的恒压控制系统为例，如图1所示。其基 本工作过程是：电动机带动空气压缩机旋转，使之产生压缩 空气，并储存于储气罐中。储气罐中空气压力的大小取决于 空气压缩机产生压缩空气的能力(在本系统中，就是取决于电 动机的转速nM)和用户用气量之间的平衡状况。 为了保证供气质量，要求储气罐的空气压力稳定在某一 个数值上。这个数值，是我们的控制目标，称之为目标压力， 用pT表示。 恒压控制对拖动系统的具体要求是： 当用户的用气量增加，储气罐内的实际压力pX小于目标 压力pT时，要求电动机加速，使储气罐内的压力上升至目标 值，如图1a所示。 反之，当用户的用气量减少，储气罐内的实际压力pX大 于目标压力pT时，要求电动机减速，使储气罐内的压力下降 至目标值，如图1b所示。 这就是闭环控制所要达到的目的。 问题2　什么是目标信号？什么是反馈信号？ 图2中，与目标压力对应的电信号，称为目标信号，用 XT表示。在变频器中，XT也称为目标值或给定值。 与储气罐内的实际压力对应的电信号，称为反馈信号， 用XF表示。在变频器中，XF也称反馈量或当前值。 在恒压控制系统中，要求XF永远无限接近于XT。 XF≈XT 问题3　怎样实现被控制的物理量稳定在所希望的数值？ 要使拖动系统中的某一个物理量(例如压力)稳定在所希望 的数值上，变频器的工作过程具有两个方面： 一方面，系统将根据给定的目标信号来控制电动机的运 行；另一方面，又必须把反馈信号反馈给变频器，使之与目 标信号不断地进行比较，并根据比较结果来实时地调整电动 机的转速。 所以，变频器必须至少有两种控制信号：目标信号与反 馈信号。 仍以空气压缩机的恒压控制系统为例，如图3所示。 (1)闭环控制的信号安排 变频器的PID控制(上) 变频调速问答（十二） 文/宜昌市自动化研究所 张燕宾 (a)压力小于目标值 (b)压力大于目标值 图1 闭环控制的目的 p＜pT pT SP nM↑ 空气 压缩机M nM 储 气 罐 p＞pT pT SP nM↓ 空气 压缩机M nM 储 气 罐 图2 目标信号与反馈信号 反馈量(XF) 目标值(XT) SP pX pT 储气罐 图3 闭环控制系统示意图 M 空气 压缩机 储 气 罐 SP SP 当前值目标值 XT XF RP R S T U V W 5 V VRF GND VPF U/f 电气时代2006年第2期 | 113 EA产品与技术理论&知识 1)目标信号 在图3中，目标信号由电位器RP根据需要 人为地给定，接至变频器的给定输入端VRF。 2)反馈信号 通过传感器SP测得，接至变频器的反馈输 入端VPF。 (2)闭环控制的工作过程 　 1)空气压力pX不足→XF＜XT→(XT－XF)＞0 →变频器的输出频率fX↑→电动机的转速nX↑→空气压 力pX↑，直至pX与目标压力pT相等为止； 2)空气压力pX过大→XF＞XT→(XT－XF)＜0 →变频器的输出频率fX↓→电动机的转速nX↓→空气压 力pX↓，直至pX与目标压力pT相等为止。 问题4　为什么要加入比例增益？ (1)问题的提出 变频器的输出频率fX既然取决于目标信号XT和反馈信号 XF的差值(XT－XF)。那么，能否直接把差值(XT－XF)作为频 率给定信号XG呢？ 如上述，闭环控制的目的是使XF≈XT，或(XT－XF)≈0。 如果XG＝(XT－XF)≈0，则必有变频器的输出频率fX≈0，如 图4所示，空气压缩机将停止运转。显然，这将不可能使储气 罐的压力保持稳定。 在这里，一方面，要求频率给定信号XG与差值(XT－XF) 成正比；另一方面，XG又不能直接等于(XT－XF)，这就是问 题所在。 (2)比例增益的引入 根据频率给定信号XG与差值(XT－XF)成正比的特点，如 果将差值(XT－XF)放大KP倍后再作为频率给定信号XG，如图 5所示。即 XG＝KP(XT－XF) (1) 式中，XG——变频器的频率给定信号； KP——比例增益(放大倍数)； XT——目标信号； XF——反馈信号。 则：当电动机以某一转速nX运行，其对应的频率和给定 信号分别是fX和XG时，反馈信号与目标信号之差为 ε＝XT－XF＝XG/KP (2) 式中，ε——稳态时的控制误差，也称偏差或静差，即反馈 信号与目标信号之差。 由式(2)知，比例增益越大，则ε越小，储气罐内的压力 越稳定。这就是引入比例增益的目的。 问题5　积分环节和微分环节起什么作用？ (1)问题的提出 如上述，比例增益KP越大，则静差ε越小。因此，为了 减小静差，应加大KP，如图6a所示。 但KP太大了，XF和XT稍有差异，变频器的给定信号XG 和输出频率fX以及电动机的转速nX都会迅速变化。到了(XT－ XF)≈0时，由于传动系统和控制电路都有惯性，上述变化不 能立即停止，形成“超调”，即调过了头。于是又反过来变化， 再次(反方向)超调，形成振荡，如图6b所示。 (2)解决办法 1)积分控制 为了消除系统的振荡，引入了积分环节“I”， 其目的是： 使给定信号XG的变化与乘积KP(XT－XF)对时间的积分成 正比。意思是说，尽管KP(XT－XF)一下子增大(或减小)了许多， 但XG只能在“积分时间”内逐渐地增大(或减小)，从而减缓 图4 出现的问题 R S T U V W U/f RP XT XF 1＋10 V 2 Uin 3 GND 4 Iin＋ 5 Iin－ XT ＋ XT－XF＝ XG？－XT≈XF XF (fX1，UX1) XG≈0 XG fX 0 图5 引入比例增益 R S T U V W U/f RP XT XF 1＋10 V 2 Uin 3 GND 4 Iin＋ 5 Iin－ XT XT－XF XG － ΔX＝XG/KP XF (fX1，UX1) XG1 XG fX 0 ＝(XT－XF)·KP KP fX1 (a)比例增益的作用 (b)KP太大的后果 图6 P调节的结果 t XF XT ε小 ε大 KP大 KP小 0 P调节 t XF XT 0 KP过大 振荡 114 | 电气时代2006年第2期 EA产品与技术 理论&知识 了XG的变化速度，防止了振荡。积分时间越长，XG的变化越 慢，如图7a所示。 只要偏差不消除(XT－XF≠0)，积分就不停止。所以，积 分环节还能有效地消除静差。 但积分时间(t)太长，又会发生当用气量急剧变化时，被 控量(压力)难以迅速恢复的情况。 2)微分控制 微分控制是根据偏差变化率dε/dt的大小， 提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服 了因积分时间太长而使恢复滞后的缺点，如图7b所示。 问题6　什么是负反馈？ 以图8a所示的空气压缩机恒压控制为例，当压力由于用 气量增大而低于目标压力(pX＜pT)时，反馈信号下降(XF↓)，要 求变频器的输出频率上升(fX↑)，以提高电动机的转速(nX↑)， 使储气罐内的压力保持恒定。 这种反馈量的变化趋势与变频器输出频率的变化趋势相 反的控制方式，称为负反馈，如图8b所示。 由于闭环控制中，负反馈控制较多，故有的变频器把这 种控制逻辑称为正逻辑。 问题7　什么是正反馈？ 以图9a所示的房间恒温控制为例，当室内温度高于目标 温度(θX＞θT)时，反馈信号上升(XF↑)，要求变频器的输出 频率也上升(fX↑)，以提高电动机的转速(nX↑)，加大冷空气 吹入室内的风量，使室内温度保持恒定。 这种反馈量的变化趋势与变频器输出频率的变化趋势相 同的控制方式，即反馈量的增加使变频器输出频率也增加的 方式称为正反馈，如图9b所示。 有的变频器把这种控制逻辑称为负逻辑。 问题8　怎样确定目标值的大小？ 因为目标信号和反馈信号常常并不是同一种物理量，难 以直接进行比较。所以，大多数变频器的目标信号和反馈信 号都用传感器(SP)量程的百分数来表示。 例如，要求储气罐内的空气压力保持为0.6 MPa，传感器 的输出信号为4～20 mA的电流信号，则： 当SP的量程为0～1 MPa时，与0.6 MPa对应的百分数 为60%，对应的信号电流为 XT＝4＋(20－4)×0.6＝13.6 mA 目标值定为60%，如图10a所示。 当SP的量程为0～5 MPa时，与0.6 MPa对应的百分数 为12%，对应的信号电流为 XT＝4＋(20－4)×0.12 mA＝5.92 mA 目标值定为12%，如图10b所示。EA(未完，待续) (收稿日期：2006.01.20) a)增加积分环节 b)又增加微分环节 图7 积分与微分环节 XF XT 0 XF XT 0tP调节 tPID调节 (a)恒压控制 (b)控制逻辑 图8 负反馈控制 pX＜pT SP nM↑ 空气 压缩机 储 气 罐 pT XF↓ fX↑ M nM fX XF 0 (a)恒温控制 (b)控制逻辑 图9 正反馈控制 nM↑ XF↑fX↑ 会 议 室 冷 空 气 fX XF 0 温度 控制器 XF θ θX＞θT a)量程为1 MPa b)量程为5 MPa 图10 确定目标信号 0 0.2 0.40.6 0.8 1.0 (20 mA)(4 mA) 60% (13.6 mA) (5.92 mA) 0 0.6 2 3 4 5 (20 mA)(4 mA) 12% 1 更正：本刊2006年第1期第10页“工业圈” 栏目 《国家首项1 000 V级特高压工程将在山西开工》一文标 题应该为《国家首项1 000 kV级特高压工程将在山西开 工》。特此更正。 126 | 电气时代2006年第3期 EA产品与技术 理论&知识 问题9　变频器的PID功能有效时，有哪些功能将发生变化？ 当PID功能有效时，变频器的主要变化如下： (1)给定信号 不论是键盘给定或是外接给定，所给定的信号不再是频 率给定信号，而是目标值给定信号XT。 (2)加、减速时间 当PID功能有效时，变频器所预置的加速时间和减速时 间都不再起作用。其速度的改变仅仅根据P、I、D的运算结 果来决定。 (3)显示内容 当PID功能有效时，显示屏上显示的目标信号和反馈信 号都是百分数。 问题10　闭环控制时，PID调节系统的工作过程是怎样的？ 图11所示是变频调速恒压供气系统在正常工况下的PID 调节过程。 图11a所示是用户用气量Q的变化情形。图11b所示是 储气罐的压力p(与之对应的反馈量是XF)的变化情形，由于 PID调节的结果，它的变化是很小的。图11c所示是用气量Q 发生变化(从而储气罐的压力也变化)时，PID的调节量ΔPID， 调节量ΔPID只是在压力反馈量XF与目标值XT之间有偏差时才 出现。在无偏差的情况下，ΔPID＝0。图11d所示是变频器输 出频率fX和电动机转速nX的变化情形。具体工作过程如下。 (1)稳态运行 用户的用气量无变化时，气压p稳定而无变化，反馈信 号与目标信号近乎相等(XF≈XT)，PID的调节量ΔPID为0，电 动机在频率fX下匀速运行，如图11中之0～t1段；变频器的PID 功能有效时，有哪些功能将发生变化？ (2)用气量增加 当用气量增大时，储气罐的压力p有所下降，反馈信号 XF减小，合成信号(XT－XF)则增大，PID产生正的调节量 (ΔPID为“＋”)，变频器的输出频率fX和电动机的转速nX上升， 压力回复，如图11中之t1～t2段。 当压力p由于电动机转速的升高而恢复到目标值时，PID 的调节量减小为0(ΔPID＝0)，变频器的输出频率fX和电动机 的转速nX不再上升，储气罐的压力在新的平衡状态(QG＝QU) 下稳定运行，如图11中之t2～t3段。 (3)用气量减小 当用气量减少时，储气罐的压力上升，反馈信号XF增大， 合成信号(XT－XF)则减小，PID产生负的调节量(ΔPID为“－”)。 结果是变频器的输出频率fX和电动机的转速nX下降，压力又 开始回复，如图11中之t3～t4段。 当压力大小由于电动机转速的降低而重又回复到目标值 时，系统恢复稳定运行，如图11中t4以后的情形。 问题11　闭环控制时，频率显示总在变化是正常现象吗？ 变频调速问答（十二） 文/宜昌市自动化研究所 张燕宾 (a)用气量 (b)压力 (c)调节量 (d)频率 图11 恒压供水的正常工况 Q 0 p pT 0 (XF) t t t tt1 t2 t3 t4 0 0 fX ΔPID (nX) 变频器的 PID控制(下) 电气时代2006年第3期 | 127 EA产品与技术理论&知识 闭环控制时，频率显示总在变化这是正常现象。如上述， 由于用户的用气量是不断变化的，实际压力也随之变化。为 了保持压力恒定，就必须不断地通过调整变频器的输出频率 来调节电动机的转速。 所以，当PID功能有效时，应该观察被控量(即反馈量， 如压力)是否稳定，而并不是看频率是否稳定。 问题12　闭环控制与开环控制能够互相切换吗？ 多数变频器的闭环控制与开环控制之间，是可以通过外 接输入端子的状态来进行切换的，如图12所示。 图12所示是瓦萨CX系列变频器的情形，其切换用的外 接输入端子是固定的，为16号端子(DIB6)。当DIB6处于“ON” 状态(图中的KA2闭合)时，PI功能无效。 问题13　闭环控制时，怎样控制电动机的起动？ 某些拖动系统在刚起动时，反馈信号为“0”。和目标信 号之间的偏差值ΔX很大，由PID运算出的调节量ΔPID也很 大。结果，电动机将很快升速，有可能导致因过电流而跳闸。 针对这种情况，处理 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 有以下几种： (1)在起动过程中切换成开环控制 以瓦萨CX系列变频器为例，如图12所示。 将端子8(DIA1)预置为“起动—停止”控制端，由继电器 KA1控制：KA1闭合时起动，KA1断开时停止。 将端子16(DIB6)预置为“PID有效选择”控制端，由继 电器KA2控制：KA2断开，PID功能有效；KA2闭合，PID 功能无效。 在外接输出端子中，将端子“21、22、23”预置为“输 出频率监控值”(频率到达)，则当变频器的输出频率到达预置 值后，内部继电器RO1动作。 其工作过程是：起动时，KA1动作，电动机因DIA1得到 信号而起动，继电器KA2处于断电状态，其常闭触点使PID 功能无效，电动机的起动过程由加速时间控制；当电动机已 经起动起来，变频器的输出频率到达预置的“监控值”时，内 部继电器RO1动作，输出端子“22－23”闭合，继电器KA2 线圈得电，其常闭触点断开，PID功能有效，变频器转为闭环 运行。电动机的加、减速由PID调节功能进行控制；同时，继 电器KA2的常开触点闭合，使KA2线圈保持通电(自锁)。 (2)有的变频器设置了专用于PID控制时的加、减速功能 举例如下： 1)安川CIMR－G7A系列变频器 方法一，预置PID加、减速时间：功能码b5－17用于预 置“PID指令用加减速时间”。这样，当PID功能有效时，其 加、减速时间将由b5－17功能独立决定。 方法二，由外接端子进行控制：通过功能码H1－01～ H1－10，将外接输入端子中任选一个端子预置为“34”，则 “PID软起动”功能有效，电动机将自行软起动。这时，b5－ 17功能将失效。 2)丹佛士VLT5000系列变频器 由功能码439预置“工 艺PID起动频率”，则变频器在起动时，将按开环运行方式起 动，直至上升到“工艺PID起动频率”后，才自动转为闭环 控制。EA (收稿日期：2006.01.19) 图12 电动机的起动控制 R S T U V WU/f 6 ＋24V 8 DIA1 16 DIB6 1 ＋10V 2 Uin (XT) 3 GND 4 Iin＋ 5 Iin－ (XF) RP 传感 器 KA1 KA2PID 有效 选择 M 21 22 23R01 KA2 KA1＋ －KA2 (上接第124页) 效 果 改造前，爆一次熔断器的情况经常发生，并连续烧损电 压互感器4只、避雷器爆炸5只，母线因此类故障停电4次。 实施开关柜改造后，已运行2年多，至今未再发生电压互感器 烧损事故，达到了预期的效果。EA (收稿日期：2005.11.02) 图2 改造后电压互感器柜的接线 母线室 避雷器 熔断器 互感器 变频器的PID控制（上）（变频控制经典）.pdf 变频器的PID控制（下）（变频控制经典）.pdf