PID控制在变频调速中的应用研究

【摘 要】本文以恒压供水为例，介绍了PID控制在变频调速中的应用研究，包括变频调速的节能分析、PID 变频调速控制系统实验装置的设计，并给出了实际调试变频调速的参数，分析了参数整定时遇到的问题。

【关键词】PID 控制；变频调速；节能

一、引言

在大多数的恒压供水系统的设计中，PID控制算法是设计人员常常采用的恒压控制算法。常见的PID控制器控制形式主要有通用PID温控器，使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器上做PID控制器以及使用变频器内置PID控制功能等三种方法。但现在的大多数变频器，无论是水泵风机专用型，还是通用型都内置了PID控制功能，这对节省系统的成本很有利。本文以西门子MM440变频器，通过内置的PID控制功能，实现恒压供水。

二、恒压供水系统

本文选取经典的恒压供水系统作为实例，主要是由于恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。在恒压供水系统中，将通往用户的用水水管中的压力变化经压力传感器采集给变频器，再通过变频器与变频器中的设定值进行比较，根据变频器内置的PID功能进行数据处理，将数据处理的结果以运行频率的形式进行输出，供水系统方案如图1所示。

三、恒压供水变频节能原理

变频供水系统是通过变频器调节异步电机的转速， 从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此， 供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速， 而异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速， 从而实现调速的。根据异步电动机转差率的定义：

当电动机选定之后，S、P为固定值，电动机转速n和交流电频率f成正比。因此连续调节异步电机供电电源频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节转子的转速。变频调速时，从高速到低速可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，已成为交流调速的首选方案和主要发展方向。

因此，随着变频器输出频率的降低，水泵的转速亦相应降低，而水泵所消耗的功率也相应地大幅度降低。用变频器改变其转速，可以获得显著的节能效果。

恒压供水系统中，变频调速如下图2所示。

1.目标信号SP

该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示。变频器目标信号可由键盘直接给定，也可以通过外接电位器来给定。

2.反馈信号PV

是压力变送器PS反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。

3.目标信号的确定

目标信号的大小除了和所要求的压力的控制目标有关外，还和压力变送器PS的量程有关。举例说明如下：设用户要求的供水压力为0.7MPa，压力变送器PS的量程为（0-1） MPa，那么目标值应设定为70%。

四、内置PID调节

西门子变频器内置PID控制，它是使控制系统的被控量迅速而准确地无限接近目标值的一种手段，即实时地将传感器反馈回来的信号与被控量的目标信号相比较，以判断是否达到预期的目标，如未达到则根据两者偏差继续调整，直至达到预定的控制目标为止。如恒压供水，为了保证出口压一定，采用压力传感器装在水泵附近的主出水管，感受到的压力转化为电信号作为反馈信号。变频器内置调节器作为压力调节器，调节器将来自压力传感器的压力反馈信号与出口压力给定值比较运算，其结果作为频率指令输送给变频器，调节水泵的转速使出口压力保持一定。即当用水量增加，水压降低时，调节器使变频器输出频率增加，电机拖动水泵加速，水压增大；反之，当用水量减少，水压上升，调节器使变频器输出频率减少，电机拖动水泵减速，水压减小。

下面介绍一下西门子Micro Master440 变频器内置PID参数的设置。Micro Master440 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列，具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置，具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。

五、结束语

本文主要介绍了经典的恒压供水系统中PID控制在变频调速中的应用，阐述了 PID 控制的基本原理，给出了 PID 控制在恒压供水系统中的应用设计，并实际动手设置，使用变频器内自带的 PID 控制搭建了闭环系统，而在实际调速中，由于实际系统处在动态变化之中，实际的控制参数是通过试凑的方式调节的，这使得系统启动时的超调很大，最终的稳定状态时间也较长，不能够准确整定，这一问题的研究和解决将在以后的研究中得到深入。

作者简介：

吴晓莉（1981.12～），咸寧职业技术学院，讲师。