PID调节功能解析

1.问题的提出 上述工作过程存在着一个矛盾：一方面，要求储气罐的实际压力（其大小与X_F成正比）应无限接近于目标压力（其大小与X_T成正比），就是说，要求（X_T-X_F）→0；另一方面，变频器的输出频率f_X又是由X_T和X_F相减的结果来决定的。可以想像，如果把（X_T-X_F）直接作为给定信号X_G的话，系统将是无法工作的。

2.比例（P）环节 解决上述矛盾的方法是将（X_T-X_F）进行放大后再作为频率给定信号，即

X_G=K_P（X_T-X_F）式中K_P———比例增益（即放大倍数）。

上述关系如图7-18所示。由于X_G是（X_T-X_F）成正比地放大的结果，故称此环节为比例环节。显然，K_P越大，则

越小，X_F越接近于X_T，如图7^-20a所示。

这里，X_F只能是无限接近于X_T，却不能等于X_T。就是说，X_F和X_T之间总会有一个差值，通常称为静差，用ε表示。静差值应该越小越好。

图7-18 比例放大前后各量间的关系

显然，比例增益K_P越大，静差ε越小。在专用的PID调节器中，比例增益的大小常常是通过“比例带”来进行调节的。所谓比例带，就是按比例放大的区域，用P表示（等于K_P的倒数），如图7-19所示。

图7-19 比例增益与比例带

a）输出与输入的比例关系 b）比例带的概念

由图7-19可知，比例带P越小，相当于比例增益K_P越大。但在几乎所有变频器内置的PID调节功能中，都是直接预置比例增益K_P的。

比例增益环节的引入，又出现了新的矛盾：为了减小静差，应尽量增大比例增益，但由于系统有惯性，因此K_P太大了，又容易引起被控量（压力）忽大忽小，形成振荡，如图7-20b所示。

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图7-20 P、I、D的综合作用示意图

a）P调节 b）振荡现象 c）PI调节d）PID调节

3.积分（I）环节 引入积分环节的目的是：

（1）使给定信号X_G的变化与乘积K_P（X_T-X_F）对时间的积分成正比。意思是说，尽管K_P（X_T-X_F）一下子增大（或减小）了许多，但X_G只能在“积分时间”内逐渐地增大（或减小），从而减缓了X_G的变化速度，防止了振荡。积分时间越长，X_G的变化越慢。

（2）只要偏差不消除（X_T-X_F≠0），积分就不停止，从而能有效地消除静差，如图7-20c所示。

但积分时间太长，又会发生在被控量（空气压缩机的压力）急剧变化时，被控量（压力）难以迅速恢复的情况。

4.微分（D）环节 微分环节的作用是：可根据偏差的变化趋势，提前给出较大的调节动作，从而缩短调节时间，克服了因积分时间太长而使恢复滞后的缺点，如图7-20d所示。

5.变频器中PID调节功能的预置

（1）预置PID功能 预置的内容是：变频器的PID功能是否有效。这是十分重要的，因为变频器的PID调节功能有效后，其升、降速过程将完全取决于由P、I、D数据所决定的动态响应过程，而原来预置的“升速时间”和“降速时间”将不再起作用。

（2）目标值的预置PID调节的根本依据是反馈量与目标值之间进行比较的结果。因此，准确地预置目标值是十分重要的。主要有以下两种方法：

1）面板输入式。只需通过键盘输入目标值即可。目标值的确定方法通常是：目标压力与传感器量程之比的百分数。例如，空气压缩机要求的压力（目标压力）为6MPa，所用压力表的量程是0～10MPa，则目标值为60%（0.6）。

2）外接给定式。由外接电位器进行预置，调整起来比较方便。

当变频器按P、I、D调节规律运行时，有两个特点需要注意：

（1）变频器的输出频率f_X只根据储气罐的实际压力（X_F）与目标压力（X_T）比较的结果进行调整，所以，频率的大小与被控量（压力）之间并无对应关系。

（2）变频器的输出频率f_X始终处于调整状态，因此其数值常不稳定。