变频参数调节之PID相关设置探讨.docx
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变频参数调节之PID相关设置探讨
变频参数调节之PID控制运行操作相关设置探讨
变频器的PID
ID就是比例、微分、积分控制,通过变频器实现PID控制有两种情况:
一是变频器内置的PID控制功能,给定信号通过变频器的键盘面板或端子输入,反馈信号反馈给变频器的控制端,在变频器内部进行PID调节以改变输出频率;二是用外部的PID调节器将给定量与反馈量比较后输出给变频器,加到控制端子作为控制信号。
总之,变频器的PID控制是与传感器元件构成的一个闭环控制系统,实现对被控制量的自动调节,在温度、压力等参数要求恒定的场合应用十分广泛,是变频器在节能方面常用的一种方法。
一、FR-A740-2.2Kk-CHT三菱变频器PID控制线路的连接
(1)输入端子R/Ll、S/L2、T/L3接三相电源。
(2)输出端子U、V、W接电动机,输入、输出端子的接线图。
(3)PID控制回路的连接。
二、相关功能参数的含义及设定操作技能2.相关参数含义及设定操作Pr.128。
Pr.134为自动控制时所用PID调节控制作用参数。
通过控制对象的传感器等检测控制量(反馈量),将其与目标值(温度等设定值)进行比较。
如有偏差,则通过此功能的控制动作使偏差为0。
它是使反馈量与目标值一致的一种较通用的控制方式。
适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程控制。
(1)Pr.128,PID动作的选择。
此参数为设定PID正反作用动作的选择,其设定功能和意义。
根据本项目要求,对PID调节器进行正、反作用的选择,按照PID调节器的输出,可使电动机的转速增加或减小。
变频器输出与PID调节输出正、反动作之间的关系。
(2)Pr.129,PID控制(P:
比例带)。
此参数为PID增益控制设定,设定范围:
0.1%~1000%。
设定为9999时无比例控制。
当操作量(输出频率)和偏差之间成比例关系的动作,称为P动作。
因此,P动作即是输出和偏差成比例的操作量。
但是,只是P动作不能使偏差为0。
P(增益)是决定P动作对偏差响应程度的参数。
增益取大时,响应快,但过大将产生振荡。
增益取小时,响应滞后。
偏差在100%时,最高频率为100010,P增益为1。
其控制动作含义(3)Pr.130,PID控制(I:
积分时间)。
此参数为PID积分时间控制设定,设定范围:
0.1~3600s。
设定为9999时无积分控制。
当操作量(输出频率)的变化速度和偏差成比例关系的动作称为I动作。
因此,I动作即是输出按偏差积分的操作量。
由此,能达到使控制量(反馈量)和目标值(设定频率)一致的效果。
可是,对变化急剧的偏差,响应就差。
用积分时间参数I决定I动作效果的大小。
积分时间大时,响应迟缓。
另外,对外部扰动的控制能力变差。
积分时间小时,响应速度快。
过小时,将发生振荡。
I动作输出含义。
(4)Pr.134,PID控制(D:
微分时间)。
此参数为PID微分时间控制设定,设定范围:
0.01。
l0.00s,设定为9999时无微分控制。
当操作量(输出频率)和偏差的微分值成比例的动作称为D动作。
因此,D动作即是输出按偏差微分的操作量,对急剧变化的响应很快。
用微分时间参数D决定动作效果的大小。
微分时间大时,能使发生偏差时P动作引起的振荡很快衰减。
但过大时,反而引起振荡。
微分时间小时,发生偏差时的衰减作用小。
其控制输出含义。
在工业生产和机械设备的自动控制中,一般PID操作不单独作用,即P增益、I积分时间、D微分时间不单独使用。
常使用PI控制、PD控制和PID控制等组合控制方式。
3.PI控制仅用P动作控制,不能完全消除偏差。
为了消除残留偏差,一般采用增加I动作的P+I控制。
用PI控制时,能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。
但是,I动作过强时,对快速变化偏差响应迟缓。
对有积分元件的负载系统,也可以单独使用P动作控制。
4.PD控制发生偏差时,很快产生比单独D动作还要大的操作量,以此抑制偏差的增加。
偏差小时,P动作的作用减小。
控制对象含有积分元件负载场合,仅P动作控制,有时由于此积分元件作用,系统发生振荡。
在该场合,为使P动作的振荡衰减和系统稳定,可用PD控制。
换言之,适用于过程本身没有制动作用的负载。
5.PID控制利用PI动作的消除偏差作用和PD动作的抑制振荡作用,再结合全P动作就构成PID控制。
采用PID方式能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。
对于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统,效果较好。
(1)PID设定值调整。
PID值最好在用示波器等监视响应波形的同时进行调整。
可作如下调整。
①“Pr.129(P:
比例带)”,在不发生振荡条件下增大其值。
②“Pr.130(I:
积分时间)”,在不发生振荡条件下减小其值。
③“Pr.134(D:
微分时间)”,在不发生振荡条件下增大其值。
(2)在PID作用时,对响应波形可作如下调整。
①抑制超调:
增大“Pr.130(1:
积分时间)”,减小“Pr.
134(D:
微分时间)”。
②加快响应速度(允许少量超调):
减小“Pr.130(1:
积分时间)”,增大“Pr.134(D:
微分时间)”。
③抑制比“Pr.130(I:
积分时间)”,长的周期振荡;增大“Pr.130(1:
积分时间)”。
④抑制大约和“Pr.134(D:
微分时间)”同样长周期的振荡;减小“Pr.134(D:
微分时间)”。
设定9999仍有振荡时,减小“Pr.129(P:
比例带)”。
(3)参数设置。
①Pr.131,PID上限。
此参数为PID控制UMK105CG820JV-F上限值的设定,即测定反馈量的最大输入值,是自动控制中不可缺少的保护检测值,当检测到上限值时输出为低电平,未达到时为高电平。
设定范围:
0~100%,当设定9999时为无功能。
②Pr.132,PID下限。
此参数为PID控制下限值的设定,即测定反馈量的最小输入值,是自动控制中不可缺少的保护检测值,当检测到下限值时输出为低电平,未达到时为高电平。
设定范围:
O~100%,当设定9999时为无功能。
③Pr.183,RT端子功能的选择。
此参数为RT端子功能的选择,该变频器所设定数值为14,是PID控制有效端子功能。
即当RT接通时,变频器的PID控制功能有效,否则无效。
有时RT也常作为第二功能的选择。
设是范围:
0~20,22~28,37,42~44,62,64~71,9999。
④Pr.192,IPF端子功能的选择。
此参数为IPF端子功能的选择,该变频器所设定数值为16,是PID控制正反动作输出的检测。
即当检测到正反动作后IPF输出即为低电平,未检测到为高电平。
相当于接点的接通和断开。
有时IPF也常作为瞬时掉电的输出监测。
设定范围:
O~8,10~20,25~28,30~36,39,41~47,64,70,84,85,90~99,100~108,110~116,120,125~128,130~136,139,141~147,164,170,184,185,190,~199,9999。
⑤Pr.193,OL端子功能的选择。
此参数为OL端子功能的选择,该变频器所设定数值为14,是PID控制输出下限的检测。
当检测到下限值时输出为低电平,未检测到时为高电平,相当于接点的接通和断开。
有时OL也常作为过负荷报警的输出监测。
设定范围:
O~8,10~20,25~28,30~36,39,41~47,64,70,84,85,90~99,100—108,110—116,120,125~128,130~136,139,141—147,164,170,184,185,190,~199,9999。
⑥Pr.194,FU端子功能的选择。
此参数为FU端子功能的选择,该变频器所设定数值为15,是PID控制输出上限的检测。
当检测到上限值时输出为低电平,未检测到时为高电平,相当于接点的接通和断开。
有时FU也常作为频率检测功能的输出监测。
设定范围:
O~8,10—20,25~28,30~36,39,41~47,64,70,84,85,90—99,100—108,110~116,120,125—128,130—136,139,141~147,164,170,184,185,190,.
199,99990三、典型实例一台三相异步电动机,功率l.lkW,额定电流2.52A额定电压380V。
现用变频器进行PID自动控制操作,通过变频器参数设置和外端子接线来实现变频器的运行输出与给定值之间的自动调节来达到被控对象的相对稳定。
运行频率按表2-21所给参数设定。
1.设备、工具和材料准备
(1)工具。
电工工具1套。
(2)仅表。
MF-500B型万用表、数字万用表DT9202、5050型兆欧表、频率计、测速表各一个。
(3)器材。
三菱FR-A740-2.2k-CHT变频器、l.lkW电动机、三相空气开关各一个,单极控制开关3只,设定电位器(lkfl/2W)1只,24V直流电源1个,压力变送器1台。
2.操作步骤
(1)安装接线及运行调试。
①首先将主、控回路进行连线。
②经检查无误后方可通电。
③将所涉及参数按要求正确置入变频器。
按下操作面板MODE键进人参数设置菜单画面,观察LED监视器并按表2-21所给参数进行设置。
Pr.79运行操作模式在本次PID控制运行时设定为2,EXT灯亮。
也可设定4或1,读者可自行测定。
设置完毕按MODE键切换到运行监视模式画面,此时MON灯亮。
观察LED显示内容,可根据相应要求按下SET键,监视输出频率、输出电流、输出电压。
④PID控制相关功能参数设定完毕,还要进行整个PID调节系统的检查,完整无误才可运行调试。
⑤PID控制运行操作可由面板进行,也可由外端子输入控制信号进行,其操作运行方法相同。
下面以外端子输入进行运行操作。
⑥根据外端子RT的输入状态,决定PID运行控制是否有效,再结合Pr.133设定值决定所需信号是外给定还是内给定及其大小。
内给定是由键盘面板直接设定被控对象的所需控制值。
外给定是通过被控对象的要求,由外部信号供给变频器所需的控制值。
在自动控制系统刚开始运行时,由于系统波动较大,此时可先不加入PID调节控制,由键盘面板(或手动)直接调节频率的高低来控制被控对象,待系统相对稳定后再加入PID自动调节。
⑦可根据生产工艺要求确定被控对象的给定参数。
当系统给定信号为内给定时,通过键盘将内给定值设定为30Hz。
也可通过外给定端子2输入(0~5V)模拟电压进行30Hz频率设定。
⑧同时接通SD与AU、SD与RT、SD与STF后,电动机开始正转,并根据2~5端子之间电压,即给定值与反馈值之差,进行PID自动调整控制,直到稳定在给定值。
电动机转速将根据工艺生产的波动随时变化,始终稳定在设定值上。
⑨当水压发生变化时,通过压力变送器反馈给变频器与之相对变化的信号4~20mA或人为改变给定信号值时,电动机转速也随之变化,最后稳定运行在给定值上。
这就是变频器的PID调节功能。
⑩同样还可进行面板的启停控制。
将Pr.79设定为1或4,按下FWD键,电动机正向启动运转,并稳定在Pr.133的设定值上。
在两种控制运行模式下,当需要停止时,按下面板STOP键或断开端子正转STF连线开关SA1,变频器立即减速停转。
(2)注意事项。
①接线完毕后一定要重复认真检查,以防错误而烧坏变频器,特别是主电源电路。
②接线时变频器内部端子用力不得过猛,以防埙坏。
③在送电和停电过程中要注意安全,特别是在停电过程中必须待面板LED显示全部熄灭后方可打开盖板。
④在变频器进行参数设定时,要根据工艺生产的要求进行PID操作正、反动作的选择。
操作时应认真观察LED监视窗的内容,以免发生错误,争取一次试验成功。
⑤在采用变频器内部PID的功能时,加减速时间由积分时间的设置值决定,当不采用变频器内部PID的功能时,加减速时间由相应的参数决定。
⑥在运行过程中要认真观测变频器的PID控制功能及电动机工作状态。
在恒压供水控制、温度控制(加热控制或降温控制,例如锅炉的温度控制、窑炉的急冷控制)、抽水流量控制、多设备同步控制等情况下,就需要用到变频器的PID参数。
在这里,我们就探讨一下PID参数的设置问题。
1、对于各种不同的应用场合(可参考上述应用场合),变频器的PID相关参数有哪些?
应该怎样设置比较合适?
针对以上讨论,请以理论并结合实践进行说明。
2、PID相关参数的“正作用”和“反作用”是什么意思?
3、特别探讨一下PID参数设置问题。
P、I、D设置多少适宜?
有经验算法吗?
PID参数可以自动整定吗?
4、针对以上要求,进行详细阐述。
最好能有图片说明,如果能以某品牌变频器举例说明更佳。
列举得最全的、阐述得最详细的、原创最多的,作为一等奖。
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。
现在一般采用的是临界比例法。
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,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
在实际调试中,只能先大致设定一个经验值,然后根据调节效果修改。
对于温度系统:
P(%)20--60,I(分)3--10,D(分)0.5--3 对于流量系统:
P(%)40--100,I(分)0.1--1 对于压力系统:
P(%)30--70,I(分)0.4--3 对于液位系统:
P(%)20--80,I(分)1--5 参数整定找最佳,从小到大顺序查 先是比例后积分,最后再把微分加 曲线振荡很频繁,比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢,积分时间往下降 曲线波动周期长,积分时间再加长 曲线振荡频率快,先把微分降下来 动差大来波动慢。
微分时间应加长 理想曲线两个波,前高后低4比1 一看二调多分析,调节质量不会低
以富士FRNIC5000G11变频器为例说明,与PID相关的设置参数代码有:
F01(频率设定)可设定给定量通过哪种方式输入到变频器中去。
从E01—E09中任意选取两个端子,一个作为控制是否进行PID控制的选择,另一个作为给定方式的切换。
H20——H25进行PID参数的设置。
(H20=0,1,2 H21进行反馈信号切换的设置,可以是反馈电压,也可以设置成电流,H22是P参数设置,H23是I参数设置,H24是D参数设置,H25是反馈滤波器的时间设定。
E40,E41可以设置给定和反馈的显示系数。
修改
正作用指的是电压或电流是由小到大变化,反之则是反作用动作。
如图所示,
变频器的PID参数,只能现场调节,每个品牌的PID计算公式都不尽相同,单位也不同。
而且每个场合反馈的冗余时间也不一样
即便同样一个场合,使用不同品牌的变频器调出的参数也完全不一样。
经验调法就是找临界震荡点,时间调节上温度类基本大于压力类。
比例增益P定义偏差的放大倍数。
设定值越大则系统响应越快速,但过大容易产生振荡;设定值小,则响应迟缓。
仅用比例增益调节,不能完全消除偏差,为了消除残留偏差,需要设定积分时间I,积分时间设定越小,响应越快,但超调越大,过小的积分时间会导致系统震荡。
微分器D对偏差的变化率作出反应,变化率越大,其输出的增益越大,即它的增益与偏差变化率成正比。
但它不会对恒定的偏差作出反应。
变频器的PID相关参数主要有设定值,反馈值,反馈乘法因子,比例增益,积分时间,微分系数,微分惯性滤波时间,偏差极性,输出极性,允许静态偏差,睡眠功能等。
PID相关参数的“正作用”是反馈信号减小时,PID输出增加。
“反作用”是反馈信号减小时,PID输出减小。
PID控制器参数整定的一般方法:
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。
现在一般采用的是临界比例法。
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,记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;
(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
PID参数的设定:
是靠经验及工艺的熟悉,参考测量值跟踪与设定值曲线,从而调整P\I\D的大小。
比例I/微分D=2,具体值可根据仪表定,再调整比例带P,P过头,到达稳定的时间长,P太短,会震荡,永远也打不到设定要求。
PID控制器参数的工程整定,各种调节系统中P.I.D参数经验数据以下可参照:
温度T:
P=20~60%,T=180~600s,D=3-180s;
压力P:
P=30~70%,T=24~180s;
液位L:
P=20~80%,T=60~300s;
流量L:
P=40~100%,T=6~60s。
PID功能块在梯形图(程序)中应当注意的问题:
1、最好采用PID向导生成PID功能块;
2、PID功能块的使能控制只能采用SM0.0或任何1个存储器的常开触点并联该存储器的常闭触点这样的永不断开的触点!
以西门子变频器在恒压供水中PID的应用及控制方式:
PID控制器参数选择的方法很多,例如试凑法、临界比例度法、扩充临界比例度法等。
但是,对于PID控制而言,参数的选择始终是一件非常烦杂的工作,需要经过不断的调整才能得到较为满意的控制效果。
依据经验,一般PID参数确定的步骤如下
(1) 确定比例系数Kp确定比例系数Kp时,首先去掉PID的积分项和微分项,可以令Ti=0、Td=0,使之成为纯比例调节。
输入设定为系统允许输出最大值的60%~70%,比例系数Kp由0开始逐渐增大,直至系统出现振荡;再反过来,从此时的比例系数Kp逐渐减小,直至系统振荡消失。
记录此时的比例系数Kp,设定PID的比例系数Kp为当前值的60%~70%。
(2) 确定积分时间常数Ti
比例系数Kp确定之后,设定一个较大的积分时间常数Ti,然后逐渐减小Ti,直至系统出现振荡,然后再反过来,逐渐增大Ti,直至系统振荡消失。
记录此时的Ti,设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。
(3) 确定微分时间常数Td
微分时间常数Td一般不用设定,为0即可,此时PID调节转换为PI调节。
如果需要设定,则与确定Kp的方法相同,取不振荡时其值的30%。
(4) 系统空载、带载联调
对PID参数进行微调,直到满足性能要求。
我厂供水系统变频恒压供水主要采用恒压变流量的供水方式。
变频恒压供水的基本原理:
以压力传感器和变频器组成闭环系统,根据系统管网的压力来调节电机的转速,实现高峰用水压恒定,和低峰时的变频的休眠功能,得到恒压供水和节能的目的。
西门子MICROMASTER430变频器的内置PID功能,利用装在水泵附近的主出水管上的压力传感器,感受到的压力转化为4-20mA电信号作为反馈信号。
根据宾馆的层高设定压力值作为给定值,变频器内置调节器作为压力调节器,调节器将来自压力传感器的压力反馈信号与出口压力给定值比较运算,其结果作为频率指令输送给变频器,调节水泵的转速使出口压保持一定。
即当用水量增加,水压降低时,调节器使变频器输出频率增加,电机拖动水泵加速,水压增大;反之,当用水量减少,水压上升,调节器使变频器输出频率减少,电机拖动水泵减速,水压减小。
由于压力传感器是两线传感器在接线必须采用正确的接线方式,将变频器的+24V控制电源连接到传感器的+端,传感器的-连接到PID的+输入,同时还必须将PID的-端连接到变频器控制电源的0V端。
把传感器送回的电流信号送入到变频器的模拟量输入2作为反馈值,根据设定的压力值为0.35MPa,对应输出频率为35Hz,对应反馈电流15.2mA.PID闭环控制功能的具体参数设置:
PID主设定值P2253可选择的源有以下几种,模拟输入、固定PID设定值、已激活的PID设定值,在本系统中采用固定给定值。
PID反馈值P2264可选择的源为模拟输入1或模拟输入2在系统中采用模拟输入2,系统的PID参数设定如下:
P0701=99P2200=722.0P2016=1P2201=70%P2253=2224设定主给定值固定值为35Hz。
P2264=755.1设定反馈值为模拟量输入2。
上述参数设定好以后,设定P2200=1,使能PID功能,设定P2250=1进行PID自整定,整定完成后,采用了整定后的积分和比例参数基本满足了系统的工艺要求。
PID调试的注意事项:
使能PID功能后系统的加减速时间为P2257、P2258的设定值,而不是原来的P1120、P1121。
使能PID功能后PID的限幅值的上升、下降时间P22936必须根据系统要求进行设定,否则变频器将报故障F0002。
为提高系统的抗干扰能力,要求根据现场的实际情况,对反馈值进行滤波环节处理,在本系统中因为主给定设定值采用固定给定,所以对主给定设定值不必进行滤波环节处理。
在PID控制过程中,当反馈信号大于主设定频率时,系统偏差(ΔP)为负,此时电动机的频率逐渐降低,但仍在不停运转,在系统偏差不断调节的同时,系统不断消耗电能。
为了实现节能,西门子对MM430变频器设计了节能控制功能。
出发点如下:
当电机的频率降低到某一比较频率(P2390)时,激活节能定时器(P2391),当定时时间到期时,按斜坡下降时间停车,即输出功率为零,在无输出的情况下,系统偏差会迅速从负到正变化,当偏差超过某一设定值(P2392)时,再起动电机,当电机频率按斜坡上升时间升到某一值时(此值稍大于P2390设定频率),投入PID,使系统恢复正常控制。
参数的设定方法:
P2390要低于PID主设定值所对应频率一定幅度,以保证系统实现正常的PID控制,如果P2390太小,节能又不易投入
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