在企業(yè)生產(chǎn)中，往往需要有穩(wěn)定的壓力、溫度、流量、液位或轉(zhuǎn)速，作為保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、滿足工藝要求的前提，這時(shí)就要用到變頻柜的PID控制功能。PID就是比例微分積分控制，是一種閉環(huán)控制。它將偏差比的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。
一、 變頻柜PID控制原理分析
1．基本PID控制框圖
如圖1所示為基本PID控制框圖。
圖1 基本PID控制框圖
2．PID控制概述
在工藝生產(chǎn)和機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)控制中，一般PID操作不單獨(dú)作用，即P（增益）、I（積分時(shí)間）、D（微分時(shí)間）不單獨(dú)使用。常使用PI控制、PD控制和PID控制等組合控制方式。
1) PI控制
僅用P動(dòng)作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動(dòng)作的P+I控制，即P和I運(yùn)算之和。用PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來(lái)擾動(dòng)等引起的偏差。但是I動(dòng)作過(guò)強(qiáng)時(shí)，對(duì)快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對(duì)于有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)，也可以單獨(dú)使用P動(dòng)作控制。
2) PD控制
當(dāng)發(fā)生偏差時(shí)，很快會(huì)產(chǎn)生比單獨(dú)D動(dòng)作還要大的操作量，以抑制偏差的增加。當(dāng)偏差減小，P動(dòng)作的作用減小。若是控制對(duì)象含有積分元件負(fù)載的場(chǎng)合，僅P動(dòng)作控制，有時(shí)由于此積分元件作用，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生振蕩。在該場(chǎng)合，為使P動(dòng)作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用PD控制，即P和D運(yùn)算之和。換言之，PD控制適用于過(guò)程本身沒(méi)有制動(dòng)作用的負(fù)載。
3) PID控制
PID控制是利用PI控制和PD控制的優(yōu)點(diǎn)組合成的控制。PID運(yùn)算是P、I和D三個(gè)運(yùn)算的總和，可獲得無(wú)偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過(guò)程。
(1)負(fù)作用：當(dāng)偏差X（目標(biāo)值一測(cè)定值）為正時(shí)，增加執(zhí)行量（輸出頻率）；如果偏差為負(fù)，則減小執(zhí)行量。PID負(fù)作用如圖2所示。
PID負(fù)作用示意圖
圖2 PID負(fù)作用示意圖
(2)正作用：當(dāng)偏差X（目標(biāo)值-測(cè)定值）為負(fù)時(shí)，增加執(zhí)行量（輸出頻率）；如果偏差為正，則減小執(zhí)行量。PID正作用如圖3所示。
PID正作用示意圖
圖3 PID正作用示意圖
3．反饋信號(hào)的接入方法
變頻柜反饋信號(hào)的接人方法有兩種，即給定輸入法和獨(dú)立輸入法。
(1)給定輸入法：變頻柜在使用PID功能時(shí)，將傳感器測(cè)得的反饋信號(hào)直接接到給定信號(hào)端，其目標(biāo)信號(hào)由鍵盤給定。
(2)獨(dú)立輸入法：變頻柜專門配置了獨(dú)立的反饋信號(hào)輸入端，有的變頻柜還為傳感器配置了電源，其目標(biāo)值可以由鍵盤給定，也可以由指定輸入端輸入。
4．PID調(diào)節(jié)功能的預(yù)置
1)預(yù)置PID調(diào)節(jié)功能
預(yù)置的內(nèi)容是變頻柜的PID調(diào)節(jié)功能是否有效。變頻柜的PID調(diào)節(jié)功能有效后，其加/減速過(guò)程將完全取決于由P、I、D數(shù)據(jù)決定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，而原來(lái)預(yù)置的“加速時(shí)間”和“減速時(shí)間”將不再起作用。
2)目標(biāo)值的預(yù)置
PID調(diào)節(jié)的根本依據(jù)是反饋量與目標(biāo)量之間進(jìn)行比較的結(jié)果。因此，準(zhǔn)確地預(yù)置目標(biāo)值是很重要的，主要有以下兩個(gè)方面。
(1)面板輸入式：只需通過(guò)鍵盤輸入目標(biāo)值即可。目標(biāo)值通常是被測(cè)量實(shí)際大小與傳感器量程之比的百分?jǐn)?shù)。例如，空氣壓縮機(jī)要求的壓力（目標(biāo)壓力）為6MPa，所用壓力表的量程是0～10Mpa，則目標(biāo)值為60%。
(2)外部給定式：由外接電位器進(jìn)行預(yù)置，調(diào)節(jié)較方便。
5．變頻柜按P、I、D調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)
(1)變頻柜的輸入頻率只根據(jù)實(shí)際數(shù)值與目標(biāo)值的比較結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，與被控量之間無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系。
(2)變頻柜的輸出頻率始終處于調(diào)整狀態(tài)，其數(shù)值常不穩(wěn)定。
二、PID參數(shù)意義
1.比例增益P
決定整個(gè)PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)強(qiáng)度，P越大調(diào)節(jié)強(qiáng)度越大，該參數(shù)為100表示PID反饋量和給定量的偏差為100%時(shí)，PID調(diào)節(jié)器對(duì)輸出頻率指令的調(diào)節(jié)幅度為最大頻率。
2.積分時(shí)間I
決定PID調(diào)節(jié)器對(duì)PID反饋量和給定量的偏差進(jìn)行積分調(diào)節(jié)的快慢，積分時(shí)間是指當(dāng)PID反饋量和給定的偏差為100%時(shí)，積分調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)該時(shí)間連續(xù)調(diào)整，調(diào)整量達(dá)到最大頻率。積分時(shí)間越短，調(diào)節(jié)強(qiáng)度越大。
3.微分時(shí)間D
決定PID調(diào)節(jié)器對(duì)PID反饋量和給定量的偏差的變化率進(jìn)行調(diào)節(jié)的強(qiáng)度，微分時(shí)間是指若反饋量在該時(shí)間內(nèi)變化100%，微分調(diào)節(jié)器的整定量為最大頻率，微分時(shí)間越長(zhǎng)調(diào)節(jié)強(qiáng)度越大。
三、 PID參數(shù)調(diào)試方法
PID調(diào)節(jié)儀雖然具有自整定功能，但是自整定得到的參數(shù)值不一定是最佳值，所以自整定后儀表的控制效果不一定很理想。如不能滿足控制系統(tǒng)的精度要求，可通過(guò)微調(diào)這幾個(gè)參數(shù)的值，使系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制效果。
1.比例帶P的選取
由于P的大小直接影響到系統(tǒng)的超調(diào)量，過(guò)渡時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差，因此，P的選取尤為重要，比例帶P減小，系統(tǒng)動(dòng)作靈敏度加快。但偏小，超調(diào)量增大，振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間越長(zhǎng)。P增大，系統(tǒng)會(huì)趨向平穩(wěn)定，若P太大，會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作緩慢，P的大小與穩(wěn)態(tài)誤差呈反比關(guān)系。減小比例作用，可減小比例作用，可減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。
2.積分時(shí)間I的選取
積分作用指在消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分時(shí)間I與積分作用的強(qiáng)弱是反比關(guān)系，I太小積分作用太強(qiáng)，使系統(tǒng)不穩(wěn)定，振蕩次數(shù)較多，而I太大對(duì)系統(tǒng)性能影響減弱，以至不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。
3.微分時(shí)間D的選取
微分作用能夠預(yù)測(cè)偏差，產(chǎn)生超前校正作用，可以較好的改善動(dòng)態(tài)性能。
由以上可以看出，比例作用的快速性，積分作用的徹底性，微分作用的超前性三個(gè)參數(shù)相互影響相壓制約，另外，PID的取值與系統(tǒng)慣性大小有很大關(guān)系。因此，很難一次調(diào)定，在許多要求不高的控制系統(tǒng)中，微分功能D可以不用，保持變頻柜的出廠值不變，使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，觀察其工作情況。如壓力下降式上升難以恢復(fù)，說(shuō)明反應(yīng)太慢，同應(yīng)加大比例增益P，直至比較滿意為止；在增大P后，雖然反應(yīng)快了，卻容易在目標(biāo)值附近波動(dòng)，說(shuō)明系統(tǒng)有振蕩，應(yīng)加大積分時(shí)間，直至基本不振蕩為止。
總之，在反應(yīng)太慢時(shí)，應(yīng)調(diào)大KP式減小積分時(shí)間，在發(fā)生振蕩時(shí)，應(yīng)調(diào)小KP式加大積分時(shí)間。在某些對(duì)反應(yīng)速度要求較高的系統(tǒng)中，可考慮增大微分環(huán)節(jié)D。
四、結(jié)合實(shí)際說(shuō)明PID在恒壓供水的應(yīng)用
以英威騰CHF-100A系列變頻柜為例，要求：PID恒壓控制，壓力保持2Mpa，用4-20mA，5Mpa電流型壓力變送器控制線怎么接，參數(shù)如何設(shè)置？
答：壓力變送器約“+”接變頻柜“+10V”壓力變送器為“-”接變頻柜“AI2”變頻柜J16跳線為電流端（I與GND短接）相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下表：
五、再介紹一下PID調(diào)節(jié)儀與變頻柜的連接使用
以XMT62X系列智能PID調(diào)節(jié)器為例，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將壓力變送器的電流信號(hào)先輸入到PID調(diào)節(jié)儀，經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算處理后，輸出連續(xù)約4-20mA調(diào)節(jié)信號(hào)，輸出的信號(hào)與變頻柜的控制端子相連，其工作原理與外置電位置一樣，不同點(diǎn)就是電位器反饋電壓信號(hào)，而PID調(diào)節(jié)儀反饋電流信號(hào)，PID調(diào)節(jié)儀能直觀的顯示實(shí)際值與設(shè)定值操作更方便簡(jiǎn)潔。
由上述分析可知，PID控制是用于過(guò)程控制的一種常用方法，通過(guò)對(duì)被控信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的差量進(jìn)行比例，積分微分運(yùn)算，來(lái)調(diào)節(jié)變頻柜輸出頻率，構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，使被控量穩(wěn)定在目標(biāo)量上。可廣泛用于石化，供暖、供水、冶金、食品、熱變換等行業(yè)，對(duì)溫度壓力液位流量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，顯示精確控制，而且具有通訊功能，能方便的與計(jì)算機(jī)式PIC聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
參考文獻(xiàn)
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[3]英威騰產(chǎn)品說(shuō)明書 V1.2版.1997.
作者簡(jiǎn)介：石慧利，男，本科，講師，在中原油田培訓(xùn)中心工作，主要從事電氣培訓(xùn)教學(xué)工作，兩次指導(dǎo)學(xué)員參加中石化維修電工技能比賽均獲得第一的好成績(jī)。
