PID控制：基本概念与应用

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，实现对被控量的自动调节，在温度、压力、流量等参数要求恒定的场合应用十分广泛，是变频器在节能方向常用的一种方法。

PID控制是指将被控量的检测信号（即由传感器测得的实际值）反馈到变频器，并与被控量的目标信号（即设定值）进行比较，以判断是否已经达到预定的控制目标。若尚未达到，则根据两者的差值进行调整，直至达到预定的控制目标为止，其控制原理框图如图4-36所示。

PID控制是闭环控制中的一种常见形式。反馈信号取自拖动系统的输出端，当输出量偏离所要求的给定值时，反馈信号成比例的变化。在输入端，给定信号与反馈信号相比较，存在一个偏差值。对该偏差值，经过PID调节，变频器通过改变输出频率，迅速、准确地消除拖动系统的偏差，回复到给定值，振荡和误差都比较小。

图4-36 PID控制原理图

1.PID功能简述

（1）比较与判断功能

首先对PID调节器给定一个电信号X_I，如该给定电信号对应着系统的给定压力P_I，当压力传感器将供水的实际压力P_X转变成电信号X_P，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X_I相比较，得到的偏差信号为ΔX，即ΔX＝X_I-X_P

ΔX＞0：供水压力小于给定值，说明用水量增加，引起供水系统压力减小。在这种情况下，水泵应升速。ΔX越大，水泵的升速幅度越大，速度也越快。

ΔX＜0：供水压力大于给定值，说明用水量减少，引起供水系统压力增加。此时，水泵应减速。ΔX越大，水泵的减速幅度越大，减速也越快。

由于ΔX的值很小，反应不够灵敏。再者，不管控制系统的动态响应多么好也不可能完全消除静差S。这里的静差是指ΔX的值不可能完全降到0，而始终有一个很小的值存在，从而使控制系统出现了误差。为了增大控制的灵敏度，引入了P功能。

（2）变频器PID功能

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端子输入，反馈信号也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；二是外部的PID调节器将给定信号与反馈信号进行比较后加到变频器的控制端，调节变频器的输出频率。变频器的PID调节的特点有：

1）变频器的输出频率f_X只根据实际值与目标值的比较结果进行调整，与被控量无对应关系。

2）变频器的输出频率f_X始终处于调整状态，其数值常不稳定。

2.PID控制

（1）比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入的误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

简单地说就是将ΔX的值按比例进行放大（放大P倍），这样尽管ΔX的值很小，经放大后再来调整水泵的转速也会比较准确而迅速。放大后，ΔX的值大大增加，静差S在ΔX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。

如果P值设得过大，ΔX的值变得很大，供水系统的实际压力P_X调整到给定值P_I的速度必定很快。但由于拖动系统的惯性原因，很容易发生P_X＞P_I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（恒压值）P_I附近来回振荡。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。

（2）积分（I）控制和比例积分（PI）控制

积分功能就是对偏差信号ΔX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，根据偏差及时间变化，产生一个执行量，PI运算是P和I运算之和。对于过程值单步变化的PI控制动作如图4-37所示。

（3）微分（D）控制和比例微分（PD）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性组件环节或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。也就是说，在控制器中仅引入比例项是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是微分项，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。因此对有较大惯性或滞后的被控对象，PD控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

PD控制是由比例（P）控制和微分（D）控制组合而成的，根据改变动态特性的偏差速率，产生一个执行量，PD运算是P和D运算之和。对于过程量比例变化的PD控制动作如图4-38所示。

图4-37 PI控制的动作

图4-38 PD控制的动作

（4）PID控制

PID运算是P、I和D这3个运算的总和。

3.正反馈与负反馈

（1）正作用

当偏差ΔX为负时，增加执行量（输出频率上升）；当偏差ΔX为正时，则减小执行量（输出频率下降）。典型系统的动作情况如图4-39所示。

图4-39 冷却正反馈系统

例如，制冷或流量控制如下：

制冷 输出频率 流量

ΔX＞0 太冷→ 下降 ←减小

ΔX＜0 太热→ 上升 ←增加

例如，在空调机中，室内温度太高，要求电动机制冷转速也越高；反之，室内温度太低，要求电动机制冷转速要降低减慢，以保持恒温。

再如，在恒压供水中，用户用水流量增加时，水泵电动机转速上升加快；用户量减小时，水泵电动机转速下降减慢，以保持一定的压力和流量。

（2）负作用 就是当偏差ΔX值为正时，增加执行量（输出频率上升）；当偏差ΔX为负时，则减小执行量（输出频率下降）。典型系统的动作情况如图4-40所示。

图4-40 加热负反馈系统

例如，加热或压力控制如下：

制冷 输出频率 压力

ΔX＞0 冷→ 上升 ←低

ΔX＜0 热→ 下降 ←高

例如，在空压机的恒压控制中，压力越高，要求电动机转速越低；反之压力降低，要求电动机转速升高加速，以保持一定压力。

再如，在电炉加热控制中，炉料冷态，温度低，要求电炉加热升温；当温度超过时，要求电炉停止加热，温度下降，以保持一定温度。

偏差与执行量（输出频率）之间的关系见表4-25。

表4-25 偏差与执行量之间的关系

4.接线原理图

若输入为漏型逻辑，实现PID控制的电路连接如图4-41所示。该图是三菱变频器PID控制的恒压供水接线图，实现了对水管管道压力的控制，用变频器调节水泵电动机的转速，用压力传感器检测管道压力，设定值用一个电位器调节0～10V的电压送入端子2和5，传感器输出的4～20mA的电流信号送到变频器的端子4和5上，偏差信号送至端子1上。

图4-41 PID控制接线原理

三菱变频器在进行PID控制时，同样要有目标量给定端子、反馈量输入端子、PID切换控制端子和运行控制端子。必要时还可以设置正／反转输出指示端子和PID输出上下限指示端子，以方便远程操作。

由图4-41可见，PID切换控制端子选用端子RT，端子RT是一个多功能输入端子，参数号为Pr.183，在出厂时设置Pr.183＝3，功能为“第二加／减速时间选择”。现将设定值修改为Pr.183＝14，功能为PID有效控制，该端子与SD闭合（SD是触头输入端子STF、STR、RT的公共端），变频器执行PID控制功能。在变频器执行PID控制中，该变频器的端子2为目标值设定端子，端子4为电流反馈输入端子。端子5为端子2和端子4的公共端。

图4-41中FU、OL、IPF是多功能输出端子，将功能设为：Pr.194＝14，FU端子有效，功能改为反馈量上限值指示；Pr.194＝15，则OL端子有效，功能改为反馈量下限值指示；Pr.194＝16，则IPF端子有效，功能改为PID控制正反向输出指示。

应用的压力传感器有三线型和二线型两种，应用时如需配用外加电源，应按电路连接。

注意事项：

1）24V直流电源应该根据所有传感器规格进行选择。

2）输出信号端子由Pr.191～Pr.194设定。

3）输入信号端子由Pr.180～Pr.186设定。

5.I／O端子的功能及意义

PID控制电路中各I／O端子的功能见表4-26。

表4-26 I／O端子功能

使用变频器内置PID功能进行控制时，当X14信号接通时，开始PID控制；当信号关断时，变频器的运行不含PID的作用。

设定值通过变频器端子2和端子5，或者从Pr.133中设定，反馈值信号通过变频器端子4和端子5输入。

当输入外部计算偏差信号时，通过端子1和端子5输入，同时在Pr.128中设定“10”或“11”。

6.I／O信号

（1）输入信号

使用变频器内置PID功能进行控制时，变频器的输入信号主要有反馈信号、目标信号（即目标值）和偏差信号，其信号的输入途径见表4-27。

表4-27 信号的输入途径

1）PID控制选择端子X14。X14的闭合、断开由参数Pr.180～Pr.186设定。当X14信号接通时，开始PID控制；反之信号关断时，变频器的运行不含PID的作用。(www.xing528.com)

2）设定值输入端子。由变频器端子2～5输入PID设定值（目标值）。Pr.73设定为5，且AU端子开通，运行有效；否则外部输入无效。0V电压对应0％，5V电压对应于100％变化量。

3）偏差信号输入端子。偏差信号由端子1～5输入。当输入外部计算偏差信号时，参数Pr.128设定为“10”或“11”。0V电压对应0％，5V电压对应于100％变化量。

4）反馈量输入端子。从传感器来的4～40mA的反馈量由端子4～5输入。4mA对应于0％，20mA对应于100％变化量。

注意：反馈量选择电流信号控制时，选择电流输入端子AU一定要接通，否则无效。该例中Pr.128设定PID为负作用时，选择“20”。

（2）输出信号

1）上限输出端FUP。输出指示反馈量信号已超过上限值。

2）下限输出端FDN。输出指示反馈量信号已超过下限值。

3）正／反转方向信号输出端子RL。按照参数Pr.191～Pr.195的要求设定。参数单元显示“HI”表示正转（FWD）或显示“LOW”表示反转（REV）或停止（STOP）。

4）输出公共端子SE是FUP、FDN和RL的公共端子。

7.端子功能设定

1）输入端子功能由参数Pr.183、Pr.184的功能选择决定。具体见表4-28。

表4-28 输入端子功能由参数

2）输出端子功能由参数Pr.191～Pr.194的功能选择决定，具体见表4-29。

表4-29 输入端子功能由参数

8.PID参数设定

使用内置PID功能进行控制时，除定义变频器的I／O端子功能外，还必须设定变频器PID控制参数，主要参数设置见表4-30，出厂设定见表4-31。

Pr.128用来设定闭环控制的反馈类型为正反馈还是负反馈，Pr.129用来设定PID调节的比例范围常数，Pr.130用来设定PID积分时间常数，Pr.133用来用PU设定PID控制的设定值，Pr.134用来设定微分时间常数。

表4-30 PID参数的设定

表4-31 PID运行参数出厂设定值

PID参数功能说明：

1）Pr.128为PID动作选择，该功能设定范围有0～3共4种控制方式。

参数值为10：对于加热或电压力等控制，PID为负作用。

参数值为11：对于冷却等控制，PID为正作用。

上述两种对应于端子1，偏差信号输入有效，即取偏差电压信号与给定电压信号叠加，输入有效。以给定电压信号为主速控制，PID为负作用。

参数值为20：对于加热或压力等控制，PID为负作用。

参数值为21：对于冷却等控制，PID为正作用。

上述两种对应于端子4，检测值输入有效。当取电流信号为主速设定，给定信号为辅助信号。

2）Pr.129为P增益，该功能设定范围分为两种控制。一种是无比例控制，参数值为9999；另一种是有比例控制，参数设置范围为0.1～10。

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，增益取小时响应滞后，但过大将产生振荡。偏差在100％，最高频率为100％，P增益为1。一般设定在1.0～1.5之间。

3）Pr.130为I积分时间常数，该功能设定范围分为两种控制。一种是无积分控制，设定值为9999；另一种是有积分控制，参数设定范围为0.1～3600s。积分时间长时响应迟缓，对外部扰动的控制能力变差；积分时间短时，响应速度快，过小时将发生振荡。通常在0.1～0.5之间。

4）Pr.131、Pr.132为PID检测值上限与下限，该功能设定范围同样分为两种方式控制。一种是上、下限功能无效；另一种是上、下限功能有效。当设定上限、下限时，如果检测值超过此设定范围，就输出FUP信号与报警信号，检测值为4mA对应0％，20mA对应100％的变化量。

5）Pr.133为用PU操作面板模式设定PID目标值，设定值范围为0～100％，仅在PU操作或PU／外部组合模式下对于PU指令有效。

对于外部操作，频率设定电压值由端子2～5间的电压决定。频率设定电压的偏置和增益，要由Pr.902值等于0V时偏置频率对应于0％，Pr.903值等于Pr.73设定的频率电压的输出频率对应于100％来校正。频率设定是由电流偏差确定，要由Pr.904设定值等于4mA设定的偏置频率对应于0％的输出频率，Pr.905设定值等于20mA设定的偏差频率对应于100％的输出频率来校正。

6）Pr.134为D微分时间常数，该功能设定范围也同样分为两种控制。一种是无微分控制，参数值为9999；另一种是有微分控制，参数值在0.01～10.00s。微分时间常数仅向微分作用提供一个与比例作用相同的检测值，随着时间的增加，偏差改变会有较大的响应。通常设定在0.01～0.2。

7）当Pr.79设定为“5”（程序运行模式），则PID控制不能执行，并执行程序运行；当Pr.79设定为“6”（切换模式），则PID无效。

8）当Pr.22设定为“9999”时，端子1的输入值作为失速防止运作水平，当要用端子1的输入作为PID控制的修订时，应将Pr.22设定为“9999”以外的值。

9）当Pr.95设定为“1”（在线自动调整）时，则PID控制无效。

10）当用Pr.180～Pr.186和（或）Pr.190～Pr.195改变端子的功能时，其他功能可能会受到影响，在改变设定前应确认相应端子的功能。

11）选择PID控制时，下限频率为Pr.902的设定值，上限频率为Pr.903的设定值（Pr.1“上限频率”，Pr.2“下限频率”的设定也有效）。

9.参数设定过程

变频器参数设定及校准过程如图4-42所示。

（1）变频器参数设定

1）确定设定值。室内温度为25℃的设定值是通过变频器端子2和5（0～5V）给定的。设定Pr.128并且接通X14信号使PID控制有效。

2）将设定值转换为百分数。传感器输出在4mA时表示0℃，20mA时表示50℃。因为4mA对应0％，20mA对应100％，所以25℃对应50％。

3）进行校准。用Pr.902～Pr.905校正传感器的输出，并且在变频器停止时在PU模式下输入设定值。对设定值的设定输入（0～5V）和传感器的输出（4～20mA）信号进行校准。

（2）变频器参数设定值输入的校正

1）在端子2和5间输入电压，如0V，使设定值的设定为0％。

2）用Pr.902（设定范围0～10V、0～60Hz）校正，此时，输入的频率将作为偏差值等于0％（如0Hz）时变频器的输出频率。

3）在端子2和5间输入电压，如5V，使设定值的设定为100％。

4）用Pr.903（设定范围0～10V、0～120Hz）校正，此时，输入的频率将作为偏差值等于100％（如50Hz）时变频器的输出频率。

（3）传感器的输出的校正

1）在端子4和5间输入电流（如4mA），相当于传感器输出值为0％。

2）用Pr.904（设定范围0～20mA、0～60Hz）进行校正。

3）在端子4和5间输入电流（如20mA），相当于传感器输出值为100％。

4）用Pr.905（设定范围0～20mA、0～120Hz）进行校正。

Pr.904和Pr.905所设定的频率必须与Pr.902和Pr.903所设定的一致。以上所述校正如图4-43所示。

图4-42 变频器PID设置及校准流程图

图4-43 设定值、反馈值与执行量的线性关系

a）设定值 b）反馈值 c）执行量

（4）校准实例

PID控制下，使用一个4mA对应0MPa，20mA对应0.5MPa的传感器调节水泵的水压力，设定值通过变频器的端子2和5（0～5V）给定。变频器参数设定见表4-32。

表4-32 PID实例变频器参数设置表

10.使用变频器内置PID功能进行控制时的注意事项

1）PID控制时，如果多段速度（RH、RM、RL）信号和点动进行（JOG）信号在X14信号接通的情况下输入，将停止PID控制并开始执行多段速度或点动运行。

2）当Pr.128设定为“20”或“21”时，变频器端子1和端子5之间的输入信号将叠加到设定值端子2和端子5之间。

3）当Pr.79设定为“5”（程序运行模式），则PID控制不能执行，但能执行程序运行。

4）当Pr.79设定为“6”（切换模式），则PLC控制无效。

5）当Pr.22设定为“9999”时，端子1的输入值作为失速防止动作水平。当要用端子1的输入作为PID控制的修订时，应将Pr.22设定为“9999”以外的值。

6）当Pr.95设定为“1”（在线自动调整）时，PID控制无效。

7）当用Pr.180～Pr.186和（或）Pr.190～Pr.195改变端子的功能时，其他功能可能会受到影响，在改变设定前应确认相应端子的功能。

8）选择PID控制时，下限频率为Pr.902的频率，上限频率为Pr.903的频率（Pr.1“上限频率”，Pr.2“下限频率”的设定也有效）。