李方園（1973－）
男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學電氣自動化專業(yè)，高級工程師，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應用與研究工作。

摘要：與一般的以轉(zhuǎn)速為控制對象的變頻系統(tǒng)不同，涉及流體工藝的變頻系統(tǒng)通常都是以流量、壓力、溫度、液位等工藝參數(shù)為控制量，實現(xiàn)恒量或變量控制，這就需要變頻器工作于PID方式下，按照工藝參數(shù)的變化趨勢來調(diào)節(jié)泵或風機的轉(zhuǎn)速。

關(guān)鍵詞： 變頻器； 流體工藝；PID控制；溫度控制

Abstract:   The AC inverter sytem with the liquid technics are normally dealing with the flow, the pressure , the temperature and the liquid position which are different from the speed control. In order to realize the constant or variable control, PID method are needed in AC system. Then the speed of the pump and fan are in function.

key words: AC inverter；liquid technics；PID control；Temperature control

    所謂流體就是液體和氣體的總稱，它具有三個特點：①流動性，即抗剪抗張能力都很小；②無固定形狀，隨容器的形狀而變化；③在外力作用下流體內(nèi)部發(fā)生相對運動。與此相關(guān)的就是常見的風機、水泵、壓縮機等機械設備，它們都起著輸送流體的作用。由于變頻器在風機和水泵上具有顯著的節(jié)能應用，因此，涉及流體工藝的變頻系統(tǒng)越來越多，如變頻恒壓供水、變頻恒液位控制、變頻恒流量控制、變頻恒溫控制等。

    與一般的以轉(zhuǎn)速為控制對象的變頻系統(tǒng)不同，涉及流體工藝的變頻系統(tǒng)通常都是以流量、壓力、溫度、液位等工藝參數(shù)為控制量，實現(xiàn)恒量或變量控制，這就需要變頻器工作于PID方式下，按照工藝參數(shù)的變化趨勢來調(diào)節(jié)泵或風機的轉(zhuǎn)速。

1  PID控制的形式

    在大多數(shù)的流體工藝或流體設備的電氣系統(tǒng)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3種：(1)硬件型，通用PID溫控器；(2)軟件型，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；(3)使用變頻器內(nèi)置PID控制功能，相對前兩者來說，這種叫內(nèi)置型。這3種控制器形式各具特點，但采用什么形式的PID控制器對控制性能和生產(chǎn)成本具有一定的影響，這是值得設計人員考慮的。本文將與大家探討3種控制器形式的應用、優(yōu)劣以及調(diào)試過程中的要點。

1.1  PID控制器

    現(xiàn)在的PID溫控器多為數(shù)字型控制器，具有位控方式、數(shù)字PID控制方式以及模糊控制方式，有的還具有自整定功能，如富士PWX系列溫控器、歐陸800系列溫控器就屬此類型。此類溫控器的輸入輸出類型都可通過設置參數(shù)來改變，考慮到抗干擾性，一般將輸入輸出類型都設定為4~20mA電流類型。圖1為以PID溫控器調(diào)節(jié)器構(gòu)成的閉環(huán)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，壓力的給定值由PID溫控器的面板設定，壓力傳感器將實際的壓力變換為4~20mA的壓力反饋信號，并送入PID溫控器的輸入端；PID溫控器將輸入的模擬電流信號經(jīng)數(shù)字濾波、A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號，一方面作為實際壓力值顯示在面板上，另一方面與給定值作差值運算；偏差值經(jīng)數(shù)字PID運算器運算后輸出一個數(shù)字結(jié)果，其結(jié)果又經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，在PID溫控器的輸出端輸出4~20mA的電流信號去調(diào)節(jié)變頻器的頻率，變頻器再驅(qū)動水泵電機，使壓力上升。當給定值大于實際壓力值時，PID溫控器輸出最大值20mA，壓力迅速上升，當給定值剛小于實際壓力值時，PID溫控器輸出開始退出飽和狀態(tài)，輸出值減小，壓力超調(diào)后也逐漸下降，最后壓力穩(wěn)定在設定值處，變頻器頻率也穩(wěn)定在某個頻率附近。

圖1   PID溫控器控制系統(tǒng)框圖

    這種PID控制形式的主要優(yōu)點有：操作簡單、功能強大、動態(tài)調(diào)節(jié)性能好，適用于選用的變頻器性能不是很高的應用場合，同時控制器還具有傳感器斷線和故障自動檢測功能。缺點是PID調(diào)節(jié)過于頻繁，穩(wěn)態(tài)性能稍差，布線工作量多。調(diào)試注意要點：P參數(shù)值不宜太大，一般為0.5~1；I參數(shù)和D參數(shù)的比值大約為4，I參數(shù)的值一般為6~16s；由于PID溫控器的響應快，為了防止調(diào)整過程中壓力波動過大，變頻器的上升和下降時間應調(diào)大些，推薦30~80s；設定PID溫控器的顯示標尺斜率，校正壓力顯示值；設定適當?shù)臄?shù)字濾波時間，抑制干擾信號的輸入。

1.2  軟件型PID

    喜歡使用PLC指令編程的設計者通常自己動手編寫PID算法程序，這樣可以充分利用PLC的功能。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬PID的控制規(guī)律形式為
          (1)
   
    式中e(t)—偏差輸入函數(shù)；u(t)—調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)；KP—比例系數(shù)；T1—積分時間常數(shù)；TD—微分時間常數(shù)。

    由于式(1)為模擬量表達式，而PLC程序只能處理離散數(shù)字量，為此，必須將連續(xù)形式的微分方程化成離散形式的差分方程。式(1)經(jīng)離散化后的差分方程為
       (2)
   
    式中T—采樣周期；k—采樣序號，k=0，1，2...i，...k；u(k)—采樣時刻k時的輸出值；e(k)—采樣時刻k時的偏差值；e(k-1)—采樣時刻k-1時的偏差值；

    為了減小計算量和節(jié)省內(nèi)存開銷，將式(2)化為遞推關(guān)系式形式：
        (3)
   
    式中SV—調(diào)節(jié)器設定值；f(k)—采樣時刻k時的反饋值；f(k-1)—采樣時刻k-1時的反饋值；f(k-2)—采樣時刻k-2時的反饋值；至此式(3)已可以用作編程算法使用了，如圖2所示，建議采用1s的時間定時中斷程序來做PID程序。式(3)中的常數(shù)項可在參數(shù)輸入后調(diào)用一個子程序來計算，這樣可以避免每個掃描周期都計算一次常數(shù)項。

圖2   軟件型PID控制系統(tǒng)框圖

    可采用與PLC直接連接的文本顯示器或觸摸面板輸入?yún)?shù)和顯示參數(shù)，如西門子的TD200、TP7等。

    使用式(3)編寫PID程序，需4次乘法、兩次加法、兩次減法計算以及多個MOV指令，因此顯得很煩瑣。實際應用中，取消P、D控制，保留I控制，也能很好滿足實際要求，所以控制關(guān)系式可寫成：

    u(k)=u(k-1)+△u       (4)
    式中△u—積分增量。

    顯然式(4)簡單得多，積分增量可根據(jù)實際需要來確定。當壓力未到達設定值，增量為正；當壓力超調(diào)后，增量為負。采用式(4)來控制壓力，也存在一些問題，△u設置過大，則穩(wěn)態(tài)時壓力誤差大，△u設置太小，則調(diào)整時間太長。如果結(jié)合模糊控制的思想，就能較好地改良控制性能。控制思想如下：當實際壓力小于設定值的90%時，PLC輸出最大值信號，使變頻器以50Hz運行，從而壓力迅速上升；當實際壓力等于或大于設定值的90%時，PLC輸出一個經(jīng)驗值，然后才調(diào)用增量控制中斷程序。經(jīng)驗值可事先設定，等壓力穩(wěn)定后，再將穩(wěn)定后的控制輸出值替換原預設經(jīng)驗值。

    這種形式的PID控制器優(yōu)點是控制性能好，柔性好，在調(diào)節(jié)結(jié)束后，壓力十分穩(wěn)定，信號受干擾小，調(diào)試簡單，接線工作量少，可靠性高。不足是編程工作量增加，需增加硬件成本。調(diào)試時要盡量設置短的變頻器的上升時間和下降時間。在編程設計中必須防止計算結(jié)果值溢出，造成控制失控，而且還要編寫校正傳感器零點和判斷其是否正常的功能程序。

1.3  變頻器內(nèi)置PID

    現(xiàn)在的大多數(shù)變頻器，無論是水泵風機專用型，還是通用型都內(nèi)置了PID控制功能，這對節(jié)省系統(tǒng)的成本很有利。使用變頻器的內(nèi)置PID功能，首先必須設定PID功能有效，然后確定PID控制器的信號輸入類型，如采用有反饋信號輸入，則要求有設定值信號，設定值可以為外部信號，也可以是面板設定值；如采用偏差輸入信號，則無須輸入設定值信號。以下是以三菱F540系列變頻器為例的2種輸入信號接線控制圖，如圖3所示。圖3中，R1—設定值電位器，R2—電阻式遠傳壓力表，RT與SD短接PID功能有效。

a)設定值為面板輸入，反饋信號為電流信號的內(nèi)置PID接線圖

b)輸入為偏差值的內(nèi)置PID接線圖

                                圖3   變頻器內(nèi)置PID

    內(nèi)置型PID的優(yōu)點很明顯，成本低，控制性能較好，設置的參數(shù)少，接線工作量較少，抗干擾性最好。缺點是這種PID也屬軟件型PID，響應較慢，易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象；壓力的設置和顯示不直觀。調(diào)試應盡量設置短的變頻器的上升時間和下降時間，使用面板設定設置值時，設定的是設置值與傳感器量程的相對值，設置正確的PID動作方向。

1.4  其他

    當然實際應用還有其他形式的控制器，只不過這3種形式的PID控制器較常用而已。在結(jié)束文章之前，我想小結(jié)一下設計者應如何選擇哪種形式的PID控制器。對于初入門的設計者來說，采用第1種形式較佳，因為PID溫控器操作方便、簡單易懂，通過實時調(diào)整，了解PID參數(shù)的作用，較快的掌握PID控制的原理。對于有經(jīng)驗的設計者來說，采用第2種形式最好，因為利用PLC的指令可以編出功能強大的控制器并能優(yōu)化PLC控制程序。對于考慮成本的設計者來說，采用第3種形式的圖17應用方案最佳，既充分利用了變頻器的功能，又節(jié)省了高成本的壓力傳感器，而且控制效果也不錯，不失為一種好方案。

2  各種流體工藝的不同變頻控制

2.1  流量控制

    比較溫度、壓力，流量和液位這四種最常見的過程變量，流量或許是其中最容易控制的過程變量。由于連續(xù)過程中物料的流動貫穿于整個生產(chǎn)過程，泵的主要作用是輸送液體，風機的主要作用是輸送氣體，所以流量回路是最多的。

    在流體力學上，泵與風機在許多方面的特性及數(shù)學、物理描述是一樣或類似的。如出口側(cè)壓力P與流量Q的壓力－流量特性（即P－Q特性曲線）是一致的。流體流過熱交換器、管道、閥門、過濾器時會產(chǎn)生壓力的損耗，我們通常將由此長生的壓力損耗之和與流量的關(guān)系曲線叫流體機械阻抗曲線。因此，當壓力－流量的P－Q特性曲線與阻抗曲線產(chǎn)生交點時，就基本確定了流體的流量。通常對流量回路的控制手段是改變壓力－流量的P－Q特性曲線或者改變流體機械的阻抗曲線。

    流量控制具有以下特點：風機、泵類負載一般情況下其轉(zhuǎn)矩都與轉(zhuǎn)速平方成正比，所以也把他們稱為具有平方轉(zhuǎn)矩特性的負載。流量控制中，對于啟動、停止、加減速控制的定量化分析是非常重要的。因為在這些過程中，電機與機械都處在一個非穩(wěn)定的運行過程，這一過程將直接影響流量控制的好壞。在暫態(tài)過程中，風機的慣量一般是傳動電機的10～50倍，而泵的慣量則只有傳動電機的20％～80％。同時，啟動、停止、加減速中，加減速時間也是一個重要指標。

    對于流量控制的變頻器必須考慮到以下幾個方面：

    （1）瞬停的處理環(huán)節(jié)

    如果出現(xiàn)電源側(cè)的瞬時停電并瞬間又恢復供電，使變頻器保護跳閘，電機負載進入慣性運轉(zhuǎn)階段，如果上電再啟動時，因風機類負載會仍處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，為此必須設置變頻器為轉(zhuǎn)速跟蹤啟動功能，以先辨識電機的運轉(zhuǎn)方向后再啟動。

    同時，對于有些負載，還可以設置瞬停不停功能，以保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

    （2）無流量保護

    對有實際揚程的供水系統(tǒng)，當電動機的轉(zhuǎn)速下降時，泵的出口壓比實際揚程低，就進入無流量狀態(tài)（無供水狀態(tài)），水泵在此狀態(tài)下工作，溫度會持續(xù)上升導致泵體損壞。因此，要選擇無流量狀態(tài)的檢測和保護環(huán)節(jié)，并設置變頻器最低運行頻率。

    （3）啟動連鎖環(huán)節(jié)

    變頻器從低頻啟動，如果電機在旋轉(zhuǎn)時，便進入再生制動狀態(tài)，會出現(xiàn)變頻器過壓保護。因此需設定電機停止后再啟動的連鎖還擊。另外，水泵停轉(zhuǎn)后，由于水流的作用會反向緩慢旋轉(zhuǎn)，此時啟動變頻器也會造成故障，只有安裝單向閥才能解決這個問題。

2.2  壓力控制

    壓力也是一個非常重要的過程變量，它直接影響沸騰、化學反應、蒸餾、擠壓成形、真空及空氣流動等物理和化學過程。壓力控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。密封容器的壓力過高就會引起爆炸。因此，將壓力控制在安全范圍內(nèi)就顯得及其重要。

    壓力控制的變頻系統(tǒng)與流量控制的變頻系統(tǒng)有非常相近的地方，所以變頻控制可以基本參照流量控制。

    如圖4a為艾默生EV2000組成的壓力閉環(huán)控制接線圖。該系統(tǒng)中，采用壓力變送器作為變頻器內(nèi)置PI的反饋傳感器，以組成模擬閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。壓力給定量用電位器設定以電壓形式通過VCI口輸入，而壓力反饋信號以4～20mA信號電流形式從CCI口輸入，給定量和反饋量均通過模擬通道采集，由端子FWD實現(xiàn)閉環(huán)運行的起停。

a)壓力控制

b)溫度控制

圖4   壓力控制與溫度控制示意圖

2.3  溫度控制

    溫度是一個非常重要的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問題。盡管溫度控制很重要，但是要控制好溫度常常會遇到意想不到的困難。

    圖17b為變頻器溫度控制示意圖。該系統(tǒng)的溫度檢測元件為K型熱電偶，送入到微機溫控儀M900，與預先輸入溫控器的溫度給定值進行比較，得出偏差值，再經(jīng)運算后，輸出帶有連續(xù)PID調(diào)節(jié)規(guī)律的4～20mA電流信號，送入到變頻器的模擬量輸入端。變頻器的參數(shù)設置應該包括：上下限頻率、4mA對應的頻率、20mA對應的頻率和加減速時間等。

    對于變頻溫度控制系統(tǒng)必須注意以下幾點：

    （1）由于溫控過程緩慢，很多變頻器內(nèi)置PI控制并不適用，建議選用外置的溫控器；

    （2）在溫度控制中，很多風機的慣量比較大，因此選擇變頻器功能時，需注意轉(zhuǎn)速跟蹤功能和啟動連鎖條件；

    （3）溫控系統(tǒng)的變頻器運轉(zhuǎn)范圍較寬，因此要防止在特定轉(zhuǎn)速下的機械共振現(xiàn)象，可以在試運轉(zhuǎn)中進行這一內(nèi)容的分析，如果發(fā)生可以采取調(diào)整跳躍頻率或者加裝輔助機械裝置將固有頻率移出工作區(qū)；

    （4）溫度傳感器的安裝位置直接關(guān)系到溫控變頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此必須安裝在最佳位置，以達到系統(tǒng)的最優(yōu)控制；

2.4  其他工藝參數(shù)

    在生產(chǎn)制造過程中，還涉及到液位變量、pH值等工藝參數(shù)，變頻控制PID系統(tǒng)的組成基本上也可以參考以上三種方式。
    
參考文獻：

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[2] 李方園.變頻器自動化工程實踐.電子工業(yè)出版社,2007.4.
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