PID控制在變頻調速中的應用研究

【摘 要】本文以恒壓供水為例，介紹了PID控制在變頻調速中的應用研究，包括變頻調速的節能分析、PID 變頻調速控制系統實驗裝置的設計，并給出了實際調試變頻調速的參數，分析了參數整定時遇到的問題。

【關鍵詞】PID 控制；變頻調速；節能

一、引言

在大多數的恒壓供水系統的設計中，PID控制算法是設計人員常常采用的恒壓控制算法。常見的PID控制器控制形式主要有通用PID溫控器，使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器上做PID控制器以及使用變頻器內置PID控制功能等三種方法。但現在的大多數變頻器，無論是水泵風機專用型，還是通用型都內置了PID控制功能，這對節省系統的成本很有利。本文以西門子MM440變頻器，通過內置的PID控制功能，實現恒壓供水。

二、恒壓供水系統

本文選取經典的恒壓供水系統作為實例，主要是由于恒壓供水系統對于某些工業或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產過程中，若自來水供水壓力不足或短時斷水，可能影響產品質量，嚴重時使產品報廢和設備損壞。又如當發生火警時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區采用恒壓供水系統，具有較大的經濟和社會意義。在恒壓供水系統中，將通往用戶的用水水管中的壓力變化經壓力傳感器采集給變頻器，再通過變頻器與變頻器中的設定值進行比較，根據變頻器內置的PID功能進行數據處理，將數據處理的結果以運行頻率的形式進行輸出，供水系統方案如圖1所示。

三、恒壓供水變頻節能原理

變頻供水系統是通過變頻器調節異步電機的轉速， 從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水的。因此， 供水系統變頻的實質是異步電動機的變頻調速， 而異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速， 從而實現調速的。根據異步電動機轉差率的定義：

當電動機選定之后，S、P為固定值，電動機轉速n和交流電頻率f成正比。因此連續調節異步電機供電電源頻率，就可以連續平滑地調節電機的同步轉速，從而調節轉子的轉速。變頻調速時，從高速到低速可以保持有限的轉差率，因而變頻調速具有高效率、高精度、調速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優點，已成為交流調速的首選方案和主要發展方向。

因此，隨著變頻器輸出頻率的降低，水泵的轉速亦相應降低，而水泵所消耗的功率也相應地大幅度降低。用變頻器改變其轉速，可以獲得顯著的節能效果。

恒壓供水系統中，變頻調速如下圖2所示。

1.目標信號SP

該信號是一個與壓力的控制目標相對應的值，通常用百分數表示。變頻器目標信號可由鍵盤直接給定，也可以通過外接電位器來給定。

2.反饋信號PV

是壓力變送器PS反饋回來的信號，該信號是一個反映實際壓力的信號。

3.目標信號的確定

目標信號的大小除了和所要求的壓力的控制目標有關外，還和壓力變送器PS的量程有關。舉例說明如下：設用戶要求的供水壓力為0.7MPa，壓力變送器PS的量程為（0-1） MPa，那么目標值應設定為70%。

四、內置PID調節

西門子變頻器內置PID控制，它是使控制系統的被控量迅速而準確地無限接近目標值的一種手段，即實時地將傳感器反饋回來的信號與被控量的目標信號相比較，以判斷是否達到預期的目標，如未達到則根據兩者偏差繼續調整，直至達到預定的控制目標為止。如恒壓供水，為了保證出口壓一定，采用壓力傳感器裝在水泵附近的主出水管，感受到的壓力轉化為電信號作為反饋信號。變頻器內置調節器作為壓力調節器，調節器將來自壓力傳感器的壓力反饋信號與出口壓力給定值比較運算，其結果作為頻率指令輸送給變頻器，調節水泵的轉速使出口壓力保持一定。即當用水量增加，水壓降低時，調節器使變頻器輸出頻率增加，電機拖動水泵加速，水壓增大；反之，當用水量減少，水壓上升，調節器使變頻器輸出頻率減少，電機拖動水泵減速，水壓減小。

下面介紹一下西門子Micro Master440 變頻器內置PID參數的設置。Micro Master440 是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列，具有缺省的工廠設置參數，它是給數量眾多的簡單的電動機控制系統供電的理想變頻驅動裝置，具有全面而完善的控制功能，在設置相關參數以后，它也可用于更高級的電動機控制系統。

五、結束語

本文主要介紹了經典的恒壓供水系統中PID控制在變頻調速中的應用，闡述了 PID 控制的基本原理，給出了 PID 控制在恒壓供水系統中的應用設計，并實際動手設置，使用變頻器內自帶的 PID 控制搭建了閉環系統，而在實際調速中，由于實際系統處在動態變化之中，實際的控制參數是通過試湊的方式調節的，這使得系統啟動時的超調很大，最終的穩定狀態時間也較長，不能夠準確整定，這一問題的研究和解決將在以后的研究中得到深入。

作者簡介：

吳曉莉（1981.12～），咸寧職業技術學院，講師。