PID变频调速控制

一、PID 控制原理

（一）基本概念

• PID 控制器：通过比较设定值（SP）与实际值（PV）的偏差（e = SP - PV），计算输出信号（MV）来调节被控对象（如电机转速）。

• PID 控制公式：
  MV = Kp·e + Ki·∫e·dt + Kd·de/dt
  其中：

• Kp：比例系数，放大偏差信号，加快响应速度；

• Ki：积分系数，消除静态误差，实现无差调节；

• Kd：微分系数，预测偏差变化趋势，改善系统稳定性。

（二）PID 参数作用

二、PID 变频调速系统组成

一个典型的 PID 变频调速系统包括以下部分：

1. 变频器：驱动电机并调节转速。

2. 电机：动力源，带动负载运行。

3. 传感器：检测被控物理量（如压力、流量、温度），并转换为电信号（如 4-20mA、0-10V）。

4. PID 控制器：

• 独立的 PID 控制器（如 PLC、智能仪表）；

• 或变频器内置的 PID 功能模块。

5. 人机界面（可选）：设置目标值、监控系统运行状态。

三、PID 变频调速控制的实现步骤

（一）系统接线

1. 传感器连接：将传感器输出信号接入变频器的模拟量输入端子（如 AI1、AI2）。

2. 控制信号输出：变频器的模拟量输出端子（如 AO1）可连接显示仪表或其他设备。

3. 电源及接地：确保系统接地良好，避免干扰。

（二）变频器参数设置（以恒压供水系统为例）

以下为典型参数设置，具体参数编号和名称需参考变频器说明书：

（三）PID 参数整定方法

PID 参数的整定直接影响控制效果，常用方法有：

1. 经验法（试凑法）：

• 先将 Ki、Kd 设为 0，逐步增大 Kp，直到系统出现轻微震荡；

• 加入积分作用（减小 Ki），消除静态误差；

• 若系统响应缓慢或震荡，加入微分作用（增大 Kd）。

2. Ziegler-Nichols 法：

• Kp = 0.6·Kcr

• Ki = 2·Kp/Tcr

• Kd = Kp·Tcr/8

• 置 Ki=∞，Kd=0，逐步增大 Kp 直到系统临界震荡；

• 记录临界增益 Kcr 和震荡周期 Tcr；

• 根据公式计算 PID 参数：

3. 自整定功能：多数现代变频器支持自动 PID 参数整定，通过启动自整定功能，变频器会自动调整最优参数。

四、PID 变频调速控制的应用场景

（一）恒压供水系统

• 控制目标：保持管网压力恒定，避免水锤现象。

• 工作原理：压力传感器检测管网压力，与设定值比较，通过 PID 调节变频器输出频率，控制水泵转速。

• 参数特点：

• Kp：2-5（水系统惯性较大，Kp 不宜过大）；

• Ki：10-30s（积分作用需缓慢，避免超调）；

• Kd：0-1s（通常可不加微分作用）。

（二）风机节能控制

• 控制目标：根据实际需求调节风量，降低能耗（风机功耗与转速的立方成正比）。

• 工作原理：通过流量传感器或压力传感器反馈，PID 控制变频器调节风机转速。

• 参数特点：

• Kp：3-8（风机响应较快，Kp 可适当增大）；

• Ki：15-40s（积分时间需根据系统惯性调整）；

• Kd：0-2s（可加少量微分作用抑制震荡）。

（三）温度控制

• 控制目标：保持加热或冷却系统的温度稳定。

• 工作原理：温度传感器检测实际温度，PID 控制器调节电机转速（如冷却风扇、循环泵）。

• 参数特点：

• Kp：5-15（温度系统惯性大，需较大 Kp）；

• Ki：30-120s（积分作用缓慢，防止超调）；

• Kd：2-10s（需较强微分作用预测温度变化趋势）。

五、PID 控制常见问题及解决方法

（一）系统震荡

• 原因：Kp 过大、Ki 过小、D 设置不当或系统存在机械共振。

• 解决方法：

• 减小 Kp，增大 Ki；

• 增加滤波时间（若变频器支持）；

• 检查机械系统是否存在共振点。

（二）响应缓慢

• 原因：Kp 过小、Ki 过大或 D 设置不合理。

• 解决方法：

• 适当增大 Kp；

• 减小 Ki，延长积分时间；

• 加入适当的微分作用（增大 Kd）。

（三）静态误差

• 原因：Ki 过小或系统干扰过大。

• 解决方法：

• 增大 Ki（减小积分时间）；

• 检查传感器精度和信号干扰，增加滤波；

• 确认设定值是否超出系统能力范围。

（四）积分饱和

• 原因：长时间偏差存在导致积分项累积过大。

• 解决方法：

• 采用积分分离或抗积分饱和算法（若变频器支持）；

• 限制积分项的最大值；

• 设置合适的上下限频率，防止电机过载。

六、注意事项

1. 参数调整需谨慎：PID 参数对系统性能影响显著，调整时应逐步修改，每次修改后观察系统响应，避免大幅调整导致系统失控。

2. 传感器选择与安装：

• 传感器精度直接影响控制效果，应选择合适量程和精度的传感器；

• 安装位置需避免干扰源（如电机、变频器附近的电磁干扰）。

3. 系统保护功能：

• 设置频率上下限，防止电机超速或过载；

• 配置过流、过压、欠压等保护参数，确保系统安全。

4. 节能与稳定性平衡：

• 在节能模式下（如休眠功能），需确保系统能快速响应负载变化，避免频繁启停。

七、不同品牌变频器 PID 功能设置示例

（一）西门子 MM440 变频器

1. 参数设置：

• P0700=2（命令源为端子排）；

• P1000=3（频率设定值为 PID 控制器）；

• P2200=1（启用 PID 控制器）；

• P2253=AIN1（反馈值来自模拟量输入 1）；

• P2264=AIN2（设定值来自模拟量输入 2）；

• P2280=3.0（Kp 比例增益）；

• P2281=20.0（Ti 积分时间，单位 s）。

（二）三菱 FR-A740 变频器

1. 参数设置：

• Pr.79=3（外部 / PU 组合模式）；

• Pr.128=1（PID 控制有效）；

• Pr.129=0.6MPa（目标压力值，需换算为数字量）；

• Pr.130=1.0MPa（反馈量程上限）；

• Pr.131=3.0（P 比例增益）；

• Pr.132=20（I 积分时间，单位 s）；

• Pr.133=0（D 微分时间，单位 s）。

（三）ABB ACS550 变频器

1. 参数设置：

• 10.01=AI1（控制地为 AI1）；

• 11.01=50.0Hz（最大输出频率）；

• 11.02=20.0Hz（最小输出频率）；

• 20.01=1（PID 控制模式）；

• 20.02=AI2（反馈信号源）；

• 20.03=50.0%（设定值，对应 0-10V 或 4-20mA 的百分比）；

• 20.10=3.0（P 增益）；

• 20.11=20.0s（I 时间）。