变频器PID控制应用方法

陈昶宏

摘 要：随着电力电子技术和自动控制技术的日益发展，变频器的调速已经从继电器控制时代发展到今天的由变频器控制调速，而且在工业各个领域中得到了极为广泛的应用。本文以变频调速基本原理及特点，重点阐述了如何通过PID控制来实现对变频器的频率调节。

关键字：PID；变频控制；频率调节

0 引言

在现在的在工业自动化控制系统中，最为常见的是由PID控制变频器，来控制电动机频率的改变从而实现速度控制。但企业在生产中，往往需要有精密稳定的压力、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，从而实现对被控量的时时控制，以此来实现更为准确自动控制。以下简单介绍PID控制应用方法。

1 变频器简介

变频器是将固定频率的交流电转换成频率和大小连续可调的交流电的装置。如图1-1所示；

图1-1 变频器的组成

如上图；变频器主要由主电路和控制电路组成。主电路包括整流电路（工频电源的交流电变换成直流电且对直流电进行平滑滤波）和逆变电路（直流电变换成各种频率的交流电）两部分，逆变器是通过改变晶体管的导通顺序来改变电机的旋转方向的。控制电路是完成对主电路的控制和保护的电路。

已知交流电动机的转速n公式为：

n=60f/p（1-s）；

式中：f—频率；

p—极对数；

s—转差率（0～3%或0～6%）。

由转速公式可见，通过变频器改变三相异步电动机电源频率，可以改变旋转磁通势的同步转速，达到调速的目的。额定频率称为基频，变频调速时，可以从基频向上调（恒功率调速），也可以从基频向下调（恒转距调速）。因此变频调速方式，比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多。同时还具有很好的性价比、操作方便、机械特性较硬、静差率小、转速稳定性好、调速范围广等优点，因此变频调速方式拥有广阔的发展前景。

2 变频器的PID控制

2.1 PID控制闭环控制简介

PID 闭环控制是指将被控量的检测信号反馈到变频器，并与被控量的目标信号相比较以判断是否已经达到预定的控制目标。如尚未达到，则根据两者的差值进行调整，直到达到预定的的控制目标为止。变频器的输出频率只根据实际数值与目标值的比较结果进行调整，使被控物理量能够迅速而准确地无限接近于控制目标，变频器输出的频率与被控量之间无对应关系。

变频器的PID控制有两种情况：一种是变频器的内置PID功能，给定信号通过变频器的端子输入，反馈信号也反馈给变频器的控制端，在变频器内部进行PID调节以改变输出频率；另外一种的PID调节器将给定量与反馈量比较好后输出给变频器，加到控制端子作为控制信号。PID 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。

2.2 系统方案

案例：假如现有一个冶炼的锅炉，由于对冶炼金属质量要求非常高，要求时刻保持恒温，那么我们采取什么方法对炉温进行准确的控制呢？

传统的控制方法是在炉身的四周打开几个通风口，当温度过高就把通风口打开，温度低时就闭，以此来达到控制的目的。这种控制方法虽然简单，但是对于其精密控制要求，不论是在时间上还是在准确性上都还不够理想，冶炼出来的产品在质量上往往达不到最佳。

现代的控制方法是利用变频器的PID闭环的自动控制，PID 控制是利用PI控制的优点组合而成的控制。PI控制由比例（P）和积分（I）组成根据偏差及时间变化，产生一个执行量。PD控制由比例控制（P）和微分控制（D）组成，根据改变动态特性的偏差速率，产生一个执行量。积分控制可以消除静差或减小静差，提高精度；微分控制可以抑制过大的超调量，加快过渡过程。对上述的控制要求可以得到很好的控制效果。

炉的温度主要由与电机相连的风机调节，在锅炉内安装一个温度传感器，温度传感器检测到锅炉的实际温度，然后将其转换成电压信号或电流信号，反馈到变频器的接收端子，使温度反馈值与目标值进行比较，然后得出偏差，根据偏差利用变频器的PID控制功能，使变频器输出适当的频率控制风机的转速，使温度达到预定的目标。这样就可以方便有效及时地对炉温进行控制，简单方便，准确性高。

目标值通常是被测量的实际大小与传感器量程之比的百分数。例如：锅炉的要求温度为60摄氏度，所用温度表量程是0-100摄氏度，则目标值是60%。PID目标值预置可以通过面板输入式由键盘直接给定，也可由外接电位器进行预置，调整方便。

2.3 系统硬件接线图

（1）变频器的PID控制基本原理接线图如图所示

PID控制接线图

（2）控制系统的接线

1）反馈信号的接入 将温度传感器的红线与黑线分别接到+24V电源与负极上，绿线接到变频器4端上，电源负极接到5端子上。

2）目标信号的接入 这里采用电位器输入目标信号的方式，目标信号要接在给定频率的输入端，当 变频器为PID工作方式时，2端就是目标信号。

（3）定义变频器端子功能

定义端子功能参数

参数号 作 用 功 能

Pr.183=14 将RT端子设定为X14的功能 PID控制有效

Pr.184=4 接通电流输入端子AU 电流输入选择

Pr.192=16 从IPF端子输出正反转信号 PID正反转方向显示

Pr.193=14 从OL端子输出下限信号 PID下限

Pr.194=15 从FU端子输出上限信号 PID上限

Pr.128=20 对于温度的控制，PID为负作用。

Pr.129=30 P增益是决定P动作对偏差响应程度的参数，P取大时响应快，取小时响应滞后，但过大产生振荡。

Pr.130=10 I积分时间常数，设定范围为0.1-3600S。积分时间长相应迟缓，对外部扰动控制能力差；积分时间短，响应速度快，会发生振荡。

Pr.131=100% Pr.132=0% PID检测值上限与下限。当设定上、下限时，如果检测值超过此设定范围，就会输出报警信号。检测值为4mA时为0%，20mA为100%的变化量。

Pr.134=3S D微分时间常数，参数值在0.01-10S之间。微分时间常数仅向微分作用提供一个与比例作用相同的检测值，随着时间的增加，偏差改变会有较大的响应。

如上表表1-4，预置PID的调节功能是十分重要的，其内容是变频器的PID调节功能是否有效。预置有效后，其升降过程将完全取决于由P、I、D数据所决定的动态响应过程，而原来的“升速时间”和“降速时间”将不在起作用。

3 结束语

上述的PID控制方法在实际使用过程中节能、环保、控制方便，对于要求较高的控制可以收到很好的效果，为现代企业提高生产效率和产品质量，获得更好的经济效益有十分重要的意义。所以作为一个技术人员，掌握好更新、更先进的设备和应用方法是十分必要的。

参考文献

[1]唐修波，《变频技术及应用》，中国劳动社会保障出版社。

[2]王廷才 王伟，《变频原理及应用》，机械工业出版社。

[3]丁斗章，《变频调速技术与系统应用》，机械工业出版社。