BT12S系列变频器的PID控制功能来实现恒压供水

    1．硬件设计    图9.12所示为恒压供水系统接线示意图。
    图9.12    恒压供水系统接线示意图    2．过程分析    图9.13所示为PID调节的恒压供水系统示意图，供水系统的实际压力由压力传感器转换成电量（电压或电流）反馈到PID调节器的输入端(即Xf)，下面介绍其PID调节功能。
    图9.13    PID调节的恒压供水系统示意图    (1)比较与判断功能。首先为PID调节器给定一个电信号Xt，该给定信号对应着系统的给定压力pp，当压力传感器将供水系统的实际压力px转变成电信号(即Xf)，送回PID调节器的输入端时，调节器首先将它与压力给定电信号Xt相比较，得到的偏差信号为△x，即    △x =Xt-Xf    △x>0:给定值>供水压力，在这种情况下，水泵应升速。△x越大，水泵的升速幅度越大。    △x<0：给定值<供水压力，在这种情况下，水泵应降速。|△x|越大，水泵的降速幅度越大。    如果△x的值很小，则反应就可能不够灵敏。另外，不管控制系统的动态响应多么好也不可能完全消除静差。这里的静差是指△x的值不可能完全降到0，而始终有一个很小的静差存在，从而使控制系统出现了误差。    为了增大控制的灵敏度，首先引入P功能。    (2)P（比例）功能。P功能就是将A的值按比例进行放大（放大P倍），这样尽管△x的值很小，但是经放大后再来调整水泵的转速也会比较准确、迅速。放大后，△x的值大大增加，静差s在△x中占的比例也相对减少，从而使控制的灵敏度增大，误差减小。    通过学习自动控制系统后，我们知道如果P值设得过大，△x的值变得很大，供水系统的实际压力Px调整到给定值Pp的速度必定很快。但由于拖动系统的惯性原因，很容易发生Px>Pp的情况，将这种现象称为超调。于是控制又必须反方向调节，这样就会使系统的实际压力在给定值Pp附近来回振荡，如图9.14(b)所示。    分析产生振荡现象的原因：主要是加、减速过程都太快的缘故，为了缓解因P功能给定过大而引起的超调振荡，可以引入I功能。    (3)I（积分）功能。I功能就是对偏差信号A取积分后再输出，其作用是延长加速和减速的时间，以缓解因P（比例）功能设置过大而引起的超调。P功能与I功能结合就是PI功能，图9.14(c)就是经PI调节后供水系统实际压力Px的变化波形。    从图中可看出，尽管增加I功能后使得超调减少，避免了供水系统的压力振荡，但是也延长了供水压力重新回到给定值PP的时间。为了克服上述缺陷，又增加了D功能。    (4)D（微分）功能。D功能就是对偏差信号A取微分后再输出。也就是说，当供水压力px刚开始下降时，dpx/dt最大，此时△x的变化率最大，D功能输出也就最大。此时水泵的转速会突然增大一下。随着水泵转速的逐渐升高，供水压力会逐渐恢复，dpx/dt会逐渐减小，D功能输出也会迅速衰减，供水系统又呈现PI调节。图9.14(d)即为PID调节后，供水压力Px的变化情况。
    图9.14    PID调节波形    可以看到，经PID调节后的供水压力，既保证了系统的动态响应进度，又避免了在调节过程中的振荡，因此变频器的PID调节功能在控制系统中得到了广泛的应用。    3．参数设计    现代大部分的通用变频器都自带了PID调节功能，也有少部分是通过附加选件补充的。以BT12S变频器为例，当选择了PID功能后，需要输入以下几个参数（但具体每个参数输入多大的值必须要根据实际系统来选择）。    1)F01设定为1（设定频率由外控0～5V或0～10V控制）    2)F60设定（设定比例常数）    说明：该值设计得越大，反馈的微小变化量就会引起执行值很大变化。也有些变频器是以比例范围给出该参数。    3)F61设定（设定积分时间）    说明：积分时间是指积分作用时px到达给定值的时间。也就是图9.14(c)中A点到B点的时间。该时间设计得越小，到达给定值就越快，但也越易振荡。    4)F62设定（设定反馈采样周期）    5)F63设定（设定偏差范围）    说明：闭环系统的相对偏差值=|给定值-反馈值|，如果此相对偏差值大于偏差范围的设定值，则PID系统进行调节，如果此相对偏差值不大于偏差范围的设定值，则PID系统停止调节，输出保持不变。    4．注意事项    (1)输入的相应参数值一定要根据实际系统多次测试后才能最终确定。    (2)如果想要更好地实现控制系统的PID调节功能，最好选择功能强的变频器。