变频器PID控制原理及调试

摘 要：文章介绍通用变频器PID功能组原理，给定方法、及参数的调试和应用案例。

关键词：变频器；PID；智能PID调节仪

引言

目前，随着我国科学技术、电子技术、计算机网络等高新技术的不断发展，变频器的功能越来越丰富，制造商在开发、制造变频器时，充分考虑到用户需求，设计了多种可供用户选择的功能，其中PID控制技术是过程控制的一种常用方法，在保证系统平稳安全运行方面起着十分关键的作用。

1 变频器PID控制工作原理分析

1.1 结构原理

PID控制属于闭环控制，是指将被控量的检测信号（即由传感器测得的实际值）反馈到变频器，与被控量的目标信号进行比例、积分、微分运算，来调整变频器的输出频率，如尚未达到，则根据两者的差值进行调整，使被控量始终稳定在目标量上，通常适用于流量控制，压力控制及温度控制等，过程控制基本原理框图如下：

1.2 PID控制的工作过程

以空气压缩机为例，某变频调整系统基本构成如下图所示：图中BP是压力变送器，用以测量储气罐的实际压力。

R.S.T为变频器三相电源进线，U.V.W为变频器三相电源出线，+5V为频率设定用电源，VRF、VPF为模拟量输入端子，GND为公共端，RP为频率调节电位器，其中，5V、VFRF、GND构成变频器外部频率给定。

空气压缩机变频调速系统的基本要求是保持储气罐压力的恒定，系统工作过程介绍如下。设XT为目标信号，其大小与所需的储气罐压力相对应，XF为压力变送器的反馈信号，则变频器输出频率f的大小由合成信号（XT-XF）决定。

如储气罐压力超过目标值，则XF>XT（XT-XF）

以上举例说明为PID输出特性为正特性，即当反馈信号大于PID的给定量时，要求变频顺输出频率下降才能使PID达到平衡，如收卷的张力PID控制。

PID的负特性指当反馈信号大于PID给定，要求变频器输出频率上升，才能使PID达到平衡，如放卷的张力PID控制。

2 PID参数意义

2.1 比例增益P

决定整个PID调节器的调节强度，P越大调节强度越大，该参数为100表示PID反馈量和给定量的偏差为100%时，PID调节器对输出频率指令的调节幅度为最大频率。

2.2 积分时间I

决定PID调节器对PID反馈量和给定量的偏差进行积分调节的快慢，积分时间是指当PID反馈量和给定的偏差为100%时，积分调节器经过该时间连续调整，调整量达到最大频率。积分时间越短，调节强度越大。

2.3 微分时间D

决定PID调节器对PID反馈量和给定量的偏差的变化率进行调节的强度，微分时间是指若反馈量在该时间内变化100%，微分调节器的整定量为最大频率，微分时间越长调节强度越大。

3 PID参数调试方法

PID调节仪虽然具有自整定功能，但是自整定得到的参数值不一定是最佳值，所以自整定后仪表的控制效果不一定很理想。如不能满足控制系统的精度要求，可通过微调这几个参数的值，使系统达到满意的控制效果。

3.1 比例带P的选取

由于P的大小直接影响到系统的超调量，过渡时间和稳态误差，因此，P的选取尤为重要，比例带P减小，系统动作灵敏度加快。但偏小，超调量增大，振荡次数增多，调节时间越长。P增大，系统会趋向平稳定，若P太大，会使系统动作缓慢，P的大小与稳态误差呈反比关系。减小比例作用，可减小比例作用，可减小稳态误差，提高控制精度。

3.2 积分时间I的选取

积分作用指在消除稳态误差，积分时间I与积分作用的强弱是反比关系，I太小积分作用太强，使系统不稳定，振荡次数较多，而I太大对系统性能影响减弱，以至不能消除稳态误差。

3.3 微分时间D的选取

微分作用能够预测偏差，产生超前校正作用，可以较好的改善动态性能。

由以上可以看出，比例作用的快速性，积分作用的彻底性，微分作用的超前性三个参数相互影响相压制约，另外，PID的取值与系统惯性大小有很大关系。因此，很难一次调定，在许多要求不高的控制系统中，微分功能D可以不用，保持变频器的出厂值不变，使系统运转起来，观察其工作情况。如压力下降式上升难以恢复，说明反应太慢，同应加大比例增益P，直至比较满意为止；在增大P后，虽然反应快了，却容易在目标值附近波动，说明系统有振荡，应加大积分时间，直至基本不振荡为止。

总之，在反应太慢时，应调大KP式减小积分时间，在发生振荡时，应调小KP式加大积分时间。在某些对反应速度要求较高的系统中，可考虑增大微分环节D。

4 结合实际说明PID在恒压供水的应用

以英威腾CHF-100A系列变频器为例，要求：PID恒压控制，压力保持2Mpa，用4-20mA，5Mpa电流型压力变送器控制线怎么接，参数如何设置？

答：压力变送器约“+”接变频器“+10V”压力变送器为“-”接变频器“AI2”变频器J16跳线为电流端（I与GND短接）相关参数设置如下表：

5 再介绍一下PID调节仪与变频器的连接使用

以XMT62X系列智能PID调节器为例，简单的说就是将压力变送器的电流信号先输入到PID调节仪，经内部运算处理后，输出连续约4-20mA调节信号，输出的信号与变频器的控制端子相连，其工作原理与外置电位置一样，不同点就是电位器反馈电压信号，而PID调节仪反馈电流信号，PID调节仪能直观的显示实际值与设定值操作更方便简洁。

由上述分析可知，PID控制是用于过程控制的一种常用方法，通过对被控信号与目标信号的差量进行比例，积分微分运算，来调节变频器输出频率，构成负反馈系统，使被控量稳定在目标量上。可广泛用于石化，供暖、供水、冶金、食品、热变换等行业，对温度压力液位流量等参数进行测量，显示精确控制，而且具有通讯功能，能方便的与计算机式PIC联网，实现远程控制。

参考文献

[1]张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京机械工业出版社，2004.

[2]黄威，黄禹.变频器的使用与节能改选[M].北京化学工业出版社，2011.

[3]英威腾产品说明书 V1.2版.1997.

作者简介：石慧利，男，本科，讲师，在中原油田培训中心工作，主要从事电气培训教学工作，两次指导学员参加中石化维修电工技能比赛均获得第一的好成绩。