变频器的PID控制功能

    PID控制是闭环控制中的一种常见形式。反馈信号取自拖动系统的输出端，当输出量偏离所要求的给定值时，反馈信号成比例地变化。在输入端，给定信号与反馈信号相比较，存在一个偏差值。对该偏差值，经过PID调节，变频器通过改变输出频率，迅速、准确地消除拖动系统的偏差，回复到给定值，振荡和误差都比较小。

    图7-13所示为PID调节的恒压供水系统示意图，供水系统的实际压力由压力传感器转换成电量（电压或电流），反馈到PID调节器的输入端（即xf），下面以该系统为例介绍PID调节功能。

    图7-13    PID调节的恒压供水系统示意图

   (1)比较与判断功能

    首先为PID调节器给定一个电信号xt，该给定电信号对应着系统的给定压力pp，当压力传感器将供水系统的实际压力px转变成电信号（即xf），送回PID调节器的输入端时，调节器首先将它与压力给定电信号xt相比较，得到的偏差信号为△x，即：

    △x=xt-xf

    △x >0：给定值大于供水压力，在这种情况下，水泵应升速。△x越大，水泵的升速幅度越大。

    △x <0：给定值小于供水压力，在这种情况下，水泵应降速。|△x|越大，水泵的降速幅度越大。

    如果△x的值很小，可能反应就不够灵敏。另外，不管控制系统的动态响应多么好也不可能完全消除静差。这里的静差是指△x的值不可能完全降到0，而始终有一个很小的差值存在，从而使控制系统出现了误差。

    为了增大控制的灵敏度，引入了P功能。

   (2)P（比例）功能

    P功能就是将△x的值按比例进行放大（放大P倍），这样尽管△x的值很小，经放大后再来调整水泵的转速也会比较准确而迅速。放大后，△x的值大大增加，静差s在△x中占的比例也相对减少，从而使控制的灵敏度增大，误差减小。

    那么P值的大小对控制系统有何影响呢？如果P值设得过大，△x的值变得很大，供水系统的实际压力px调整到给定值pp的速度必定很快。但由于拖动系统的惯性原因，很容易发生px>pp的情况，这种现象称为超调。于是控制又必须反方向调节，这样就会使系统的实际压力在给定值（恒压值）pp附近来回振荡，如图7-14(b)所示。

    分析产生振荡现象的原因：主要是加、减速过程都太快的缘故，为了缓解因P功能给定过大而引起的超调振荡，可以引入I功能。

   (3)I（积分）功能

    I功能就是对偏差信号△x积分后再输出，其作用是延长加速和减速的时间，以缓解因P（比例）功能设置过大而引起的超调。P功能与I功能结合，就是PI功能，图7-14(c)就是经PI调节后供水系统实际压力px的变化波形。

    从图中看，尽管增加I功能后使得超调减少，避免了供水系统的压力振荡，但是也延长了供水压力重新回到给定值pp的时间。为了克服上述缺陷，又增加了D功能。

   (4)D（微分）功能

    D功能就是对偏差信号△x取微分后再输出。也就是说，当供水压力px刚开始下降时，dpx/dt最大，此时△x的变化率最大，D输出也就最大。此时水泵的转速会突然增大一下。随着水泵转速的逐渐升高，供水压力会逐渐恢复，dPx/dt会逐渐减小，D的输出会迅速衰减，供水系统又呈现PI调节。图7-14(d)所示即为PID调节后，供水压力px的变化情况。

    图7-14    PID调节功能波形

   (a)偏差信号；(b)P值过大对系统的影响；

   (c) PI调节对系统的影响；(d) PID调节对系统的影响

    可以看到，经PID调节后的供水压力，既保证了系统的动态响应速度，又避免了在调节过程中的振荡，因此PID调节功能在恒压供水系统中得到了广泛的应用。

   (5) PID功能参数的选择

    现代大部分的通用变频器都自带PID调节功能，也有少部分是通过附加选件补充的。用户在选择了PID功能后，通常需要输入下面几个参数：

    P参数：比例值增益。该值越大，反馈的微小变化量会引起执行量很大变化。也有些变频器是以比例范围给出该参数。

    比例值增益= 1/比例范围

    I参数：即积分时间，是指积分作用时px到达给定值的时间。也就是图7-14(c)中A点到B点的时间。该时间越小，到达给定值就越快，也越易振荡。

    D参数：指微分时间，该时间越大，反馈的微小变化就会引起较大的响应。

   PID控制的给定值：该给定值是指xt，xt的值，就是当系统的压力达到给定压力pp时，由压力传感器反映出的xf的大小，通常是给定压力与传感器量程的百分数。所以，即使是同样的给定压力，由不同量程的压力传感器所得到的xt值是不一样的。

（作者稿费要求：需要高清无水印文章的读者3元每篇，请联系客服，谢谢！在线客服：）