变频器技术应用与实践 第3章

5. PID控制器的参数整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根 据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分 时间的大小。PID控制器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 理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以 直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方 法。它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方 法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID控制器参数的工程整定方法主要有临界比例法、反应曲 线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验， 然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一 种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整 与完善。
(二) PID控制 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、 积分、微分控制，简称PID(比例、积分、微分)控制，又称 为PID调节，其控制原理图如图3-1-1所示。
r(t)
e(t)
＋Biblioteka Baidu
－
比例 积分 微分
＋
U(t)
被控对象
y(t)
＋
r(t)—目标值；e(t)—偏差信号；U(t)—操作量；y(t)—反馈信号
图3-1-1 PID控制原理图
1. 比例(P)控制 比例控制是一种最简单的控制方式，其输出与输入误差 信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 (Steady-state Error)。
2. 积分(I)控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成 正比关系。对于一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在 稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系 统(Systemwith Steady-state Error)。为了消除稳态误差，在控 制器中必须引入“积分项”。积分项对稳态误差的清除取决 于时间，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差 很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的 输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例 + 积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
闭环控制系统的振荡甚至不稳定的根本原因在于有较大 的滞后因素。因为微分项能预测误差变化的趋势，这种“超 前”的作用可以抵消滞后因素的影响。适当的微分控制作用 可以使超调量减小，增加系统的稳定性。 对于有较大的滞 后特性的被控对象，如果PI控制的效果不理想，可以考虑增 加微分控制，以改善系统在调节过程中的动态特性。如果将 微分时间设置为0，微分部分将不起作用。
(三) 西门子MM430变频器 西门子MM430变频器是一种专门为风机和水泵设计的变 频器，它具有丰富的软件设置参数，可以扩展实现多种功能， 能够适应各种复杂工况下的需要。通过对MM430的PID参数设 定，可以在不增加任何外部设备的条件下，实现供水压力的恒 定，提高供水质量，同时减少能量损耗。西门子MM430变频 器用于泵和风机控制时，具体有以下特点： (1) 电动机的分级控制。 (2) 节能控制方式。 (3) 手动/自动控制(手动操作/自动操作)。 (4) 传动皮带故障的检测(对水泵无水空转的检测)。 (5) 旁路功能。
3. 微分(D)控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差 的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可 能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节) 或有滞后(Delay)组件，其变化总是落后于误差的变化。解决的办 法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑 制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例 项”往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前 需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具 有比例 + 微分(PD)的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用 等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有 较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分控制器能改善系统在调 节过程中的动态特性。
在工程整定方法中，采用较多的是临界比例法。利用该 方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
(1) 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； (2) 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应 出现临界振荡，记录下这时的比例放大系数和临界振荡周期； (3) 在一定的控制条件下通过公式计算得到PID控制器 的参数。
情景三 变频器在典型控制系统中的应用
项目一 变频恒压供水 项目二 数控机床的变频器控制 项目三 传送带的变速控制电路 项目四 提升机控制系统
项目一 变频恒压供水
一、项目背景及要求 近年来，随着变频调速技术的日益成熟，变频恒压供水
以其显著的节能效果和可靠稳定的控制方式，在供水系统中 得到广泛应用。变频恒压供水系统是指在供水管网中用水量 发生变化时，出口压力保持不变的供水方式，可以满足城市 规模不断扩大，高层建筑高度不断增高，对城市供水公用管 网出口压力越来越高的要求。变频恒压供水系统对水泵电动 机实行无级调速，依据用水量及水压变化，通过计算机检测、 运算，自动改变水泵转速以保持水压恒定，从而满足用水要 求，它是目前比较先进、合理的节能供水系统。
微分时间与微分作用的强弱成正比，微分时间越长，微 分作用越强。如果微分时间太长，在误差快速变化时，响应 曲线上可能会出现“毛刺”。微分控制的缺点是对干扰噪声 敏感，使系统抑制干扰的能力降低。为此可在微分部分增加 惯性滤波环节。
4. PID采样周期 PID控制器控制程序是周期性执行的，执行的周期称为 采样周期。采样周期越小，采样值越能反映模拟量的变化情 况。但是太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差 值几乎没有什么变化，将使PID控制器输出的微分部分接近 为零，所以也不宜将采样周期取得过小。应保证在被控量迅 速变化时(如启动过程中的上升阶段)，要有足够多的采样点 数，不至于因为采样点数过少而丢失被采集的模拟量中的重 要信息。
二、知识讲座 (一) 变频恒压供水原理 变频恒压供水系统以管网水压(或用户用水流量)为设定 参数，通过微机控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电 动机的转速，实现管网水压的闭环调节(PID)，使供水系统 自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率升高，水 泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，频率降低， 水泵转速减慢，供水量亦相应减小。这样就保证了用户对水 压和水量的要求，同时达到了提高供水品质和供水效率的目 的。