變頻器內(nèi)置PID功能

1、變頻器內(nèi)置PID功能在恒壓供水設(shè)備中的應(yīng)用目錄1變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展 41.1變頻調(diào)速恒壓供水的目的和意義41.2變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 42. 變頻調(diào)速內(nèi)置PID控制的恒壓供水系統(tǒng) 52.1系統(tǒng)構(gòu)成 52.1.1 ACS510變頻器概述 5系統(tǒng)中的感壓元件62.2系統(tǒng)運(yùn)行中的三個(gè)狀態(tài)62.3 PID控制概述 62.3.1 系統(tǒng)的工作過(guò)程62.3.2 PID的調(diào)節(jié)原理8 3. 內(nèi)置PID與變頻器功能的預(yù)置 113.1 PID功能的預(yù)置 113.2 PID調(diào)節(jié)的運(yùn)行特點(diǎn)123.3  變頻器參數(shù)預(yù)置 123.4  暫停（睡眠與蘇醒）功能 13總結(jié) 14致謝 15參

2、考文獻(xiàn) 161變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展1.1變頻調(diào)速恒壓供水的目的和意義對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，是為了滿足用戶對(duì)流量的需求，所以流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。但流量的測(cè)量比較復(fù)雜，考慮到在動(dòng)態(tài)情況下，管道中某一點(diǎn)的水壓p的大小與供水能力和用水流量之間的平衡情況有關(guān)，如果以安裝壓力表的位置作為分界點(diǎn)，把壓力表之前的流量稱為供水流量（QG），壓力表之后的流量稱為用水流量（QU），則：如QG>QU，則p；如QG<QU，則p；如QG=QU，則pconst（恒量）。然而在實(shí)際的供水管道中，流量具有連續(xù)性，并不存在“供水流量”與“用水流量”的差別。這里的QG和QU是為了說(shuō)明當(dāng)供水能力與用水

3、流量之間不適應(yīng)時(shí)，導(dǎo)致管道內(nèi)的壓力發(fā)生變化而假設(shè)的量?？傊?，保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了該處的供水能力和用水流量的平衡，恰好滿足用戶所需的用水流量，這是恒壓供水所要達(dá)到的目的，而隨著科技的進(jìn)步,工業(yè)對(duì)供水的質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格，實(shí)現(xiàn)恒壓供水既提高了供水質(zhì)量也為企業(yè)在節(jié)約能源的同時(shí)保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了工作效率。1.2變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 近幾年來(lái)電機(jī)調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，變頻調(diào)速器（以下簡(jiǎn)稱“變頻器”）就是其中的一種，它不僅操作方便，故障率低，且節(jié)能效果明顯，優(yōu)于調(diào)壓調(diào)速、變級(jí)調(diào)速、滑差調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、整流子調(diào)速和液力偶合調(diào)速等。變頻調(diào)速的主要特點(diǎn)有：（）體積小

4、，重量輕，可掛墻安裝，不占地面；（）可手控、遙控，亦可與可編程可控制器、計(jì)算機(jī)等聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)自控；（）啟動(dòng)電流約為電機(jī)額定電流的.倍（電機(jī)啟動(dòng)電流為倍7倍額定電流），對(duì)電網(wǎng)設(shè)備沖擊小；（）具有許多種保護(hù)功能（如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路、瞬間停電等）；（）可減振降噪，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。正是由于變頻器具有上述特點(diǎn)，不少企業(yè)把變頻器的應(yīng)用作為一種重要的節(jié)能手段，一般工礦企業(yè)企業(yè)也不例外，在風(fēng)機(jī)、磨機(jī)、泵、計(jì)量等諸多系統(tǒng)中得到應(yīng)用。2. 變頻調(diào)速內(nèi)置PID控制的恒壓供水系統(tǒng)2.1系統(tǒng)構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)的框圖如圖1所示。PS是壓力變送器，它在測(cè)量管道內(nèi)壓力p的同時(shí)，還將測(cè)得的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)或電流信號(hào),

5、（在本例中轉(zhuǎn)換成的是電流信號(hào)）該信號(hào)在控制系統(tǒng)中作為反饋信號(hào)輸入到變頻器的模擬輸入端 AI2。所以，反饋信號(hào)也就是實(shí)測(cè)的壓力信號(hào)，即AI2p。此系統(tǒng)中還包括變頻器(帶有內(nèi)置PID功能)、供水泵。在本例中調(diào)速系統(tǒng)分為手自動(dòng)控制，自動(dòng)時(shí)由壓變把反饋信號(hào)送到變頻器中由變頻器內(nèi)置的PID來(lái)控制，手動(dòng)時(shí)由面板上的電位器控制，圖中的RP就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)下的調(diào)速功能的模擬給定，其手動(dòng)的具體控制過(guò)程在此不再贅述。2.1.1 ACS510變頻器概述 ACS510系列變頻器是ABB公司生產(chǎn)的作為一種高品質(zhì)的電機(jī)變頻調(diào)速控制設(shè)備，是一款杰出的低壓交流傳動(dòng)產(chǎn)品。其產(chǎn)品從1.1KW-110KW，容量范圍廣，應(yīng)用領(lǐng)域更廣

6、，典型的應(yīng)用如恒壓系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)等。此系列內(nèi)置RFI濾波、有八種不同的應(yīng)用宏可供選擇，高級(jí)控制盤、內(nèi)置兩個(gè)獨(dú)立的PID調(diào)節(jié)器：PID1和PID2。PID1可設(shè)置兩套參數(shù)，通過(guò)PID2可控制一個(gè)獨(dú)立的外部閥門；多點(diǎn)U/F曲線控制可自由定義5點(diǎn)U/F曲線。其安裝、設(shè)置和使用都很簡(jiǎn)單，可以節(jié)省大量時(shí)間，合理選用不同內(nèi)置功能的變頻器能夠給我們帶來(lái)事半功倍的成效。系統(tǒng)中的感壓元件 本系統(tǒng)中采用的是CJT型電容式智能壓力變送器，它的核心是一個(gè)電容式壓力傳感器。傳感器是一個(gè)完全密封的組件，過(guò)程壓力通過(guò)隔離膜片和灌充液硅油傳到傳感膜片，引起傳感膜片的位移。傳感膜片兩電容極板之間的電容差由電子部件轉(zhuǎn)換成420m

7、A兩線制輸出的電流信號(hào)反饋給變頻器。2.2系統(tǒng)運(yùn)行中的三個(gè)狀態(tài)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行：水泵裝置的供水能力與用戶用水需求處于平衡狀態(tài)，供水壓力p穩(wěn)定而無(wú)變化，反饋信號(hào)于目標(biāo)信號(hào)近乎相等，PID的調(diào)節(jié)量為0。此時(shí)變頻器控制的電機(jī)處在fx下勻速運(yùn)行。用水流量增大：當(dāng)用戶的用水流量增大，超過(guò)了供水能力時(shí)，供水壓力p有所下降，反饋信號(hào)減小，合成信號(hào)（目標(biāo)值反饋值）增大，PID產(chǎn)生正的調(diào)節(jié)量，變頻器的輸出頻率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，使供水能力增大，壓力恢復(fù)。用水流量減?。寒?dāng)用戶的用水流量減小時(shí)，供水能力小于用水需求，則供水壓力上升，反饋信號(hào)增大，合成信號(hào)則減小，PID產(chǎn)生負(fù)的調(diào)節(jié)量，結(jié)果是變頻器的輸出頻率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，使

8、供水能力下降，壓力又開(kāi)始恢復(fù)。當(dāng)壓力大小重新恢復(fù)到目標(biāo)值時(shí)，供水能力與用水需求又達(dá)到新的平衡，系統(tǒng)又恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。2.3 PID控制概述 系統(tǒng)的工作過(guò)程變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)功能的框圖如圖2所示。XT和XF兩者是相減的，其合成信號(hào)XD=|XT-XF|；經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)處理后成為頻率給定信號(hào)XG，決定變頻器的輸出頻率（X）。圖2  變頻器內(nèi)部的控制框圖當(dāng)用水流量減小，使QG>QU時(shí)，則供水壓力pXFXDX電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nXQGQG=QU直至壓力大小回復(fù)到目標(biāo)值（XFXT），從而達(dá)到平衡；反之當(dāng)用水流量增加使QGQU時(shí)，則pXFXDXnXQGQGQUXFXT，又達(dá)到新的平衡。因此，供水系

9、統(tǒng)總是根據(jù)用戶的用水情況不斷地處于自動(dòng)調(diào)整狀態(tài)中。在此例中選用的是ABB公司生產(chǎn)的ACS510系列變頻器，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作要求分手自動(dòng)控制，當(dāng)DI2得電時(shí)選擇PID調(diào)節(jié)下的自動(dòng)控制，DI2失電時(shí)為手動(dòng)控制。啟動(dòng)停止兩種方式均為兩線制，為了防止誤啟動(dòng)變頻器，還設(shè)有允許運(yùn)行功能，只有在DI5得電的情況下才能啟動(dòng)變頻器。詳細(xì)的控制回路端子接線圖如圖3所示：圖3 端子接線圖2.3.2 PID的調(diào)節(jié)原理 問(wèn)題的提出 恒壓供水過(guò)程存在著一個(gè)矛盾：一方面，我們要求水管的實(shí)際壓力（其大小與XF成正比）應(yīng)無(wú)限接近于目標(biāo)壓力（其大小與XT成正比），即要求XD=|XT-XF|0；另一方面，變頻器的輸出頻率X又

10、是由XT和XF相減的結(jié)果來(lái)決定的。所以，如果把(XT-XF)直接作為給定信號(hào)XG，系統(tǒng)將無(wú)法工作。 比例增益環(huán)節(jié)(P) 解決上述矛盾的方法是：將|XT-XF|進(jìn)行放大后再作為頻率給定信號(hào)：XG=KP(XT-XF)                                &#

11、160;  (1)式(1)中，KP為放大倍數(shù)，即比例增益。上述關(guān)系如圖4所示。由于XG是(XT-XF)成正比放大的結(jié)果，故稱為比例放大環(huán)節(jié)。另一方面，XG又是使變頻器輸出某一頻率X所必須的信號(hào)。顯然，KP越大，則(XT-XF)= 越小，XF越接近于XT。  圖4  比例放大前后各量間的關(guān)系框圖 (a)  輸出與輸入的比例關(guān)系 (b)  比例帶的概念 圖5  比例與比例帶這里，XF只能是無(wú)限接近于XT，卻不能等于XT，即XF和XT之間總會(huì)有一個(gè)差值，稱為靜差，用表示。該值應(yīng)該越小越好。顯然，比例增益KP越大，越小。 在專用PID調(diào)節(jié)器中

12、，比例增益的大小常常是通過(guò)“比例帶”來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。比例帶就是按比例放大的區(qū)域，用P表示（等于KP的倒數(shù)），如圖5所示。P越小，相當(dāng)于KP越大。但在幾乎所有變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)功能中，都是直接預(yù)置KP的。 比例增益環(huán)節(jié)的引入，減小了系統(tǒng)穩(wěn)定后的靜差，如圖6(a)所示。于是又出現(xiàn)了新的矛盾：為了減小靜差，應(yīng)盡量增大比例增益KP，但由于系統(tǒng)有慣性，KP過(guò)大容易引起被控量（壓力）忽大忽小，形成振蕩，如圖6(b)所示。  (a)  P調(diào)節(jié)            &

13、#160;   (b)  振蕩現(xiàn)象 (c)  PI調(diào)節(jié)                 (d)  PID調(diào)節(jié)圖6  P、I、D的綜合作用示意圖積分環(huán)節(jié)（I） 引入積分環(huán)節(jié)的目的： 使給定信號(hào)XG的變化與乘積KP(XT-XF)對(duì)時(shí)間的積分成正比。即盡管KP(XT-XF)一下子增大（或減?。┝嗽S多，但XG只能在“積分時(shí)間”內(nèi)逐漸地增大（或減?。瑥亩鴾p緩了XG的變化速度，防止了振蕩

14、。積分時(shí)間越長(zhǎng)，XG的變化越慢；只要偏差不消除(XT-XF0)，積分就不停止，從而有效地消除靜差，如圖6(c)所示。但積分時(shí)間太長(zhǎng)，又會(huì)發(fā)生當(dāng)被控量（壓力）急劇變化時(shí)難以迅速恢復(fù)的情況。 微分環(huán)節(jié)(D) 其作用是：可根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)，提前給出較大的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，克服了因積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而使恢復(fù)滯后的缺點(diǎn)，如圖6(d)所示。在供水系統(tǒng)中，當(dāng)對(duì)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的要求并不嚴(yán)格時(shí)，通常用PI調(diào)節(jié)。3. 內(nèi)置PID與變頻器功能的預(yù)置3.1 PID功能的預(yù)置預(yù)置PID功能 預(yù)置的內(nèi)容是：變頻器的PID功能是否有效。當(dāng)變頻器的PID調(diào)節(jié)功能有效后，其升、降速過(guò)程將完全取決于由P、I、D數(shù)據(jù)

15、所決定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，而原來(lái)預(yù)置的“升速時(shí)間”和“降速時(shí)間”將不再起作用。目標(biāo)值XT的預(yù)置 PID調(diào)節(jié)的根本依據(jù)是反饋量XF與目標(biāo)值XT之間進(jìn)行比較的結(jié)果。因此，準(zhǔn)確地預(yù)置目標(biāo)值XT是十分重要的。主要有以下兩種方法：面板輸入式 只需通過(guò)鍵盤輸入目標(biāo)值XT。其確定方法通常是：目標(biāo)壓力與傳感器量程之比的百分?jǐn)?shù)。例如，某供水系統(tǒng)要求的壓力（目標(biāo)壓力）為2MPa，所用壓力表的量程是05MPa時(shí)，則目標(biāo)值為40%。外接給定式 由外接電位器進(jìn)行預(yù)置，但顯示屏上仍顯示目標(biāo)值的百分?jǐn)?shù)。在此例中選用第一種方法，此法易懂、操作簡(jiǎn)單、直觀。結(jié)合ABB變頻說(shuō)明書(shū)PID參數(shù)設(shè)置如表一所示,其實(shí)際設(shè)定值應(yīng)根據(jù)工藝要求以實(shí)

16、際為依據(jù)。表一：?jiǎn)?dòng)數(shù)據(jù)設(shè)定9901語(yǔ)言選擇1（中文）9902宏設(shè)置6（PID控制宏）9905電機(jī)額定電壓380V9906電機(jī)額定電流要與實(shí)際相符9907電機(jī)額定頻率要與實(shí)際相符9908電機(jī)額定轉(zhuǎn)速要與實(shí)際相符9909電機(jī)額定功率要與實(shí)際相符表二： 過(guò)程PID設(shè)置 參數(shù)代碼內(nèi)容設(shè)定參數(shù)代碼4006單位11（mA）4007顯示格式14010給定值選擇19（內(nèi)部給定）4011內(nèi)部給定值恒壓目標(biāo)值4018實(shí)際值1下限0%3.2 PID調(diào)節(jié)的運(yùn)行特點(diǎn)當(dāng)變頻器按P、I、D調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)行時(shí)，需要注意以下兩點(diǎn)：變頻器的輸出頻率（X）只根據(jù)實(shí)際壓力(XF)與目標(biāo)壓力(XT)比較的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，所以，頻率的大小與

17、被控量之間并無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系；變頻器的輸出頻率(X)始終處于調(diào)整狀態(tài)，因此，其數(shù)值常不穩(wěn)定。3.3變頻器參數(shù)預(yù)置對(duì)變頻器參數(shù)的預(yù)置，首先要把調(diào)速對(duì)象泵銘牌上的基本參數(shù)（如電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速等）對(duì)照選用變頻器的參數(shù)表輸入到變頻器中去，其次要對(duì)模擬輸入進(jìn)行設(shè)置，模擬量有0-20mA的，有4-20mA的，以實(shí)際為準(zhǔn)。以ABB變頻ACS510系列為例，參數(shù)見(jiàn)下表：表三： 給定選擇設(shè)定1102外部控制選擇21103給定值1選擇11104給定值1下限0Hz / 0rpm1105給定值1上限50Hz / 額定轉(zhuǎn)速rpm1106給定值2選擇19（內(nèi)部PID給定）1107給定值2下限20%1108給定值2上限100%表四： 模擬輸入設(shè)定1301AI1下限0%1302AI1上限100%1304AI2下限20%1305AI2上限100%表五： 限幅設(shè)定2001最小轉(zhuǎn)速02002最大轉(zhuǎn)速電機(jī)額定轉(zhuǎn)速2003最大電流1.5In3.4  暫停（睡眠與蘇醒）功能在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中有時(shí)用水量會(huì)很小甚至用水量為零，使變頻器一直處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)既浪費(fèi)了能源也對(duì)設(shè)備會(huì)