变频器内置PID功能及应用

0 引言

KV2000 无感矢量变频器在各行业的应用越来越多，用户经常会用到PID功能。虽然使用说明书中对PID功能已经有详细的描述和说明，但由于技术人员对KV2000独特的PID 功能，诸如系统的组成、功能选择、方向确定、设定值定义、正/ 反作用及PID参数的调整等的理解有所不同，以及各行业的自动控制系统被控对象的千差万别，导致PID的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求，加之一些新用户对PID功能不熟悉，这都会给使用带来相当大的麻烦。

作者依据十多年从事以变频器为主的自动化控制设计、应用经验，详细介绍了KV2000 无感矢量变频器内置PID 的丰富功能，PID 控制的系统组成、参数调试及运行的要点。算是对产品使用手册的补充，以便广大用户能在较短时间内理解并简便地完成该功能的调试。

1 KV2000无感矢量变频器PID控制器介绍

PID控制器有多种形式，而在实用上多数仍采用比例- 积分-微分(PID)控制器，尤其在温度、压力、流量值控制上应用最为广泛。

PID控制属于闭环控制(Closed-loop Control System)，是调整反馈量与给定量保持一致的常用的过程控制方法，主要目的是在闭环控制回路中提供系统误差量维持最小以及系统反应速度适当，避免过激振荡或过度迟钝现象的可能。如图1所示，变频器内置的PID控制器通过控制对象的传感器等检测到物理量(如压力，温度等)即反馈量，将其与系统给定量进行比较。如有偏差，则通过PID调节的作用使偏差为零。

1.1 PID主要控制参数

现将PID控制器中主要使用的控制参数做逐项介绍并说明其用法。

1.1.1 F073 PID设定来源与反馈来源的选择

从图1得知，在控制系统中，必须要有设定值(目标值)，PID 功能模块才会计算反馈值与设定值之间的误差量，然后产生PID 的输出结果给控制系统。

F073 就是用来设定PID 功能模块所需要的设定值的来源和反馈值的来源，其数值结构由小数点左边的整数部分和小数点右边的小数部分组成。

1)整数部分用来定义PID 控制所需设定值(目标值)的来源;

2)小数部分用来定义PID 控制所需反馈值的来源。

表1列出可供选择的来源设定方式，除了第10号功能选项只能用于设定值来源的设定，其余的选项都是用于设定值以及反馈值来源的选用。

1.1.2 以下说明重要的注意事项

1)选择1、2、3 的设定，表示设定值或反馈值的来源是模拟信号，并且信号是正向的。所谓的正向信号源是指信号电位越高，代表设定值越高，是正斜率的输入信号源。即当输入在0～+5 V(或0～+10 V或0～20 mA)间变化时，代表设定值或反馈值在0～100%变化。

2)选择4、5、6的设定，与1、2、3 类似，只是输入信号是负向的，意指信号电位越高，代表设定值或反馈值越低，是负斜率输入信号源。即当输入在0～+5 V(或0～+10 V或0～20 mA)间变化时，代表设定值或反馈值在100%～0变化。

1.2 PID 控制功能的比例、积分、微分增益参数说明

在PID控制中有三个很重要的控制参数，即比例、积分、微分增益，其说明如表2所列，这三个参数用来调整PID控制模块的响应时间，对于系统整体运作呈现出来的反应速度、稳定性和最终追求的精确度有很大的影响。关于三个增益的作用和设定在《变频技术应用》2007(3)中刊登的《中央空调智能控制系统》一文中有详述，在此不再赘述。

2 如何调整最佳的PID增益

参考图2，若将I 和D 的增益设成最小值(最小仅能为0.1)，那么将可以看成只有P 增益了，因为此时I和D增益影响不大。

在只有P增益的情况下，就可以很容易地尝试设定P增益的值，此时系统直接输出对于P增益的反应。当决定了P增益后，下一步就是设定I增益了，I增益的设定原则是让系统能够补充P增益无法修正的的部分即可，若要让系统反应更快一些，那么就要增加I增益的值，以增加积分累计来提升反应速度;

但是要注意别太大了从而造成过度修正的现象。

一般而言，在有回馈的控制系统中，仅设P和I的增益就足以完成控制的需求了，并不特别需要D增益部分;D 增益的目的是为了让系统在时间响应上有更好的结果。设定D增益的值时，要仔细观察系统的反应动作，它的作用是在误差的值发生变化的时候，才会有最好的效果，而且它还包括了误差量变化的方向性，所以，D 增益是一个有方向性的向量值。总之，是一个很好的加速、刹车的角色，因此，只要观察系统的变化，由输出效果就能设定出一个适当的值。

3 其他重要的基本控制项目

要让PID顺利启动，除了要了解F073的定义和PID 增益参数之外，还必须了解以下几个参数，并按照要求设定后才可顺利执行PID的控制功能。

3.1 PID的启动控制

首先，必须选定一个数字输入端口作为PID 启动信号的输入口，在被选定的数字端口的对应功能选择参数位置处输入50。例如，选定X1作为PID启动输入口，那么就必须设定F041=50。当设定好后，X1 若有信号动作时，PID功能就被启动，若X1 的信号停止，那么PID功能就停止。

3.2 PID的输出方式

当了解处理PID的增益和启动方式后，接下来就是PID的输出了。PID的输出方式有两种：一是直接用作变频器的速度指令，二是直接用作模拟输出端口(AM端口)的输出量。两种方式的设定方法见表3。[!--empirenews.page--]

4 恒压供水电气原理及相关参数的设置

4.1 恒压供水电气原理图

图3 所示是典型的恒压供水电气原理图，供工程人员设计施工时参考。图中变频器选用KV2000无感矢量变频器，功率从0.75 ~650 kW可选;PS是压力变送器，所选型号是PT124B-1/4NPT，输入范围0~1.6MPa，输出范围4~20 mA，工作电压为DC24 V。

系统采用以变频器内部参数F027 设定希望保持恒定的压力值，恒压设定值是0.4 MPa。以压力传感器测定最终的供水压力，并反馈给变频器PID 控制系统监控，确保恒压供水。选用的压力传感器的测定范围最大是1.6 MPa，在此压力下传感器回馈的电压值是20 mA，并且将压力传感器信号从V2 模拟端口输入。系统以PID功能控制水泵的运行，保证水管内的恒定压力值。

4.2 变频器参数设置

1)F073=0.2 表示PID 的设定值选择从F027直接设定，反馈值选择从V2模拟输入端口输入。

2)F027=25.0(25%) F027的设定值与压力传感器的量程和系统要求有关系，系统要求压力为0.4 MPa，如图4 所示，8 mA对应0.4 MPa，为1.6 MPa的25%，所以设定F027=25.0，代表设定值是最大值的25%，而系统最终通过PID控制水泵的运行，将反馈信号修正到25%的位置，也就是压力传感器会感应到0.4 MPa。

3)F016 下限频率30.00 设定水泵的最低运转频率为30 Hz。一般此频率的设定参考水泵在各频率段的有效输出压力值(或者扭力的输出值)，以及整个供水系统的设计方式(包括止水阀的选择、水泵电机的散热和效率等因素)。

4)F015 上限频率50.00 设定水泵最高运转频率为50 Hz。此为一般条件的设定，若有特殊要求，则另外设定合乎要求的值。

5)F001，F002 加、减速时间依现场要求设定，设定的时间愈长则系统反应愈慢，设定愈短则对于电机的额定要求愈高。

6)F039启动/ 停止方式设定依照现场运行的要求设定，在图3 的电气原理中，F039设定为2.0，即外部端子控制运行方式。

7)F040=40 输出频率由PID输出决定。

8)F041=50 选择X1 功能为PID启动功能。选择X1数字输入端口作为PID启动的输入，若没有特殊要求，最简单的方式就是将X1直接与变频器的运转信号并联，与变频器的运转同时启动。

9)F055=4 模拟转换器输入信号选择V2 的测量值。F055选择需要检测的信号通道，当选择4时，检测的是电流通道，即检测压力变送器的输出信号。变频器中央处理器的10 位A/D 转换器将该模拟信号转换成数字信号，并将转换的资料存放在F056之中，被转换的资料范围在0~1 023之间。

10)调整F091 V2端子输入最低值。

11)F092 V2端子输入最高值的设定值。

设定参数F091和F092，首先将变频器输出到电机的电力线断开，不让电机运转，以确保安全。F091、F092的调整是为了设定V2 端口与压力变送器的输入范围，因为V2 是用于接收压力传感器的反馈信号，F091、F092 的值主要是用来配合压力传感器的反馈信号范围(4～20 mA)。F091设定为220[当给V2端子输入4 mA 时，变频器接收的信号为220(即4 mA/20 mA×1 024=204)]，F092设定为1020。

4.3 调节PID参数

PID参数整定是控制系统设计的核心内容，一般根据被控过程的特性来确定PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制参数，这种方法所得到的计算数据不可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改;二是工程整定法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

此恒压供水电气系统按工程经验值设定F075=300、F076=300、F077=200即可满足系统要求，或按如下步骤进行设置。

1)设F001=0.1、F002=0.1、F075=0.1、F076=0.1、F077=0.1。

2)当压力为0 MPa时，即V2 的输入为4 mA，让PID启动，观察变频器输出的频率显示，调整F075让输出能超过F016设定的值即可。此时调整好的值就是P增益必须设定的最小值，若小于此值那么系统的反应就太慢了。注意，每次重新设定F075 的值后，应将变频器重新复归后再启动PID，这样观察到的输出频率会比较准确。在做以下的步骤时，也应掌握这项原则，避免观察的现象受以前的PID 参数影响造成误判。

3)将V2的输入保持为4 mA，把F027 的值降在原来的10%以内(原为25，现设为2.5)，再将F016设为0。这时启动PID并观察输出的频率，然后再调整F076的值，直到频率增加的速度达到满意为止(增加到50 Hz)。切记，够了就好，别让I增益太大，保留裕量在实际运转时再调整。

4)暂时不调整F077，保持设定值0.1。

5)恢复V2以及F027的设置。

如果想要修正更快速，可以增加P和I 的值(彼此依照比例同步增加)，再重新复归后，就能见到变更的效果(或是等待比较久的时间也可以)。当增加P 和I 的值后，若发生振荡或过度修正，则增加D 增益来改善。检查反馈信号的值和实际状况是否相同，若一切正常，那么KV2000的PID即可正常工作。

4.4 PID的动作的检查

其他类型变频器的内置PID，用户完全要看压力的大小以及变频器设置的数值，才能判断变频器的频率什么时候上升或下降，工作是否正确。而KV2000无感矢量变频器使用起来非常方便。上面介绍到F055=4 的时候，模拟转换器输入信号选择V2的测量值。转换的资料范围在0~1 023 之间，被存放在F056 之中。也就是说，从F056 参数中，就可以了解到压力的大小。而设定值的计算为

( F092-F091 )×F027+F091 (1)

式(1)中的F091 为V2端子输入最低值，F092为V2端子输入最高值，F027是系统目标值，所以有(1020-220)× 0.25+220=420，这个420 就是要与我们F056读到的数值大小进行比较的参考值。当F056读取的值大于420时，变频器输出频率下降，表示检测到的实际供水压力大于目标值;当F056读取的值小于420时，变频器输出频率上升，表示供水压力低于目标值。

5 结语

最后提醒，PID仅是整个系统控制环节里的一个单元，PID响应时间的快慢，还要考虑到系统中其他单元对系统的响应速度的影响，这些因素包括：

1)变频器的加、减速度时间(若PID 的输出结果是用作变频器的速度指令);

2)电机对速度变化的反应(电机的时间响应特性，电机的扭力、功率是否足够大);

3)回馈装置的系统反应时间(当系统在修正时，反馈信号是否及时反应，系统整体是属于快速反应还是慢速反应)。因此，当系统的反应速度不能令人满意时，要注意不要一味地调整PID增益，有时可能是其他因素造成的结果，所以必须要找出原因，才能彻底解决问题。