所謂PID控制，就是在一個閉環(huán)控制系統(tǒng)中，使被控物理量能夠迅速而準確地無限接近于控制目標的一種手段。 PID 控制功能是變頻器應用技術(shù)的重要領域之一，也是變頻器發(fā)揮其卓越效能的重要技術(shù)手段。

變頻調(diào)速產(chǎn)品的設計、運行、維護人員應該充分熟悉并掌握 PID 控制的基本理論。

PID控制簡介

目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器﹑傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構(gòu)﹑輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口﹑執(zhí)行機構(gòu)﹐加到被控系統(tǒng)上﹔控制系統(tǒng)的被控量﹐經(jīng)過傳感器﹐變送器﹐通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)﹐其傳感器﹑變送器﹑執(zhí)行機構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。 可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現(xiàn)PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡來實現(xiàn)其遠程控制功能。

PID調(diào)試步驟

　　沒有一種控制算法比PID調(diào)節(jié)規(guī)律更有效、更方便的了。現(xiàn)在一些時髦點的調(diào)節(jié)器基本源自PID。甚至可以這樣說：PID調(diào)節(jié)器是其它控制調(diào)節(jié)算法的嗎。

　　為什么PID應用如此廣泛、又長久不衰？

因為PID解決了自動控制理論所要解決的最基本問題，既系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性。調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，可實現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力，同時，在PID調(diào)節(jié)器中引入積分項，系統(tǒng)增加了一個零積點，使之成為一階或一階以上的系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)階躍響應的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。

　　由于自動控制系統(tǒng)被控對象的千差萬別，PID的參數(shù)也必須隨之變化，以滿足系統(tǒng)的性能要求。這就給使用者帶來相當?shù)穆闊貏e是對初學者。下面簡單介紹一下調(diào)試PID參數(shù)的一般步驟：

　　1．負反饋

　　自動控制理論也被稱為負反饋控制理論。首先檢查系統(tǒng)接線，確定系統(tǒng)的反饋為負反饋。例如電機調(diào)速系統(tǒng)，輸入信號為正，要求電機正轉(zhuǎn)時，反饋信號也為正（PID算法時，誤差=輸入-反饋），同時電機轉(zhuǎn)速越高，反饋信號越大。其余系統(tǒng)同此方法。

　　2．PID調(diào)試一般原則

　　a.在輸出不振蕩時，增大比例增益P。

　　b.在輸出不振蕩時，減小積分時間常數(shù)Ti。

　　c.在輸出不振蕩時，增大微分時間常數(shù)Td。

　　3．一般步驟

　　a.確定比例增益P

　　確定比例增益P 時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0（具體見PID的參數(shù)設定說明），使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設定為系統(tǒng)允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設定PID的比例增益P為當前值的60%~70%。比例增益P調(diào)試完成。

　　b.確定積分時間常數(shù)Ti

　　比例增益P確定后，設定一個較大的積分時間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時的Ti，設定PID的積分時間常數(shù)Ti為當前值的150%~180%。積分時間常數(shù)Ti調(diào)試完成。

　　c.確定積分時間常數(shù)Td

　　積分時間常數(shù)Td一般不用設定，為0即可。若要設定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。

　　d.系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對PID參數(shù)進行微調(diào)，直至滿足要求。

PID 控制的實現(xiàn)

1． PID 的反饋邏輯

各種變頻器的反饋邏輯稱謂各不相同，甚至有類似的稱謂而含義相反的情形。系統(tǒng)設計時應以所選用變頻器的說明書介紹為準。所謂反饋邏輯，是指被控物理量經(jīng)傳感器檢測到的反饋信號對變頻器輸出頻率的控制極性。例如中央空調(diào)系統(tǒng)中，用回水溫度控制調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率和水泵電機的轉(zhuǎn)速。冬天制熱時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度低，要求提高變頻器輸出頻率和電機轉(zhuǎn)速，加大熱水的流量；而夏天制冷時，如果回水溫度偏低，反饋信號減小，說明房間溫度過低，可以降低變頻器的輸出頻率和電機轉(zhuǎn)速．減少冷水的流量。由上可見，同樣是溫度偏低，反饋信號減小，但要求變頻器的頻率變化方向卻是相反的。這就是引入反饋邏輯的原由。幾種變頻器反饋邏輯的功能選擇見表 1 。

2．打開 PID 功能

要實現(xiàn)閉環(huán)的 PID 控制功能，首先應將 PID 功能預置為有效。具體方法有兩種：一是通過變頻器的功能參數(shù)碼預置，例如，康沃 CVF-G2 系列變頻器，將參數(shù) H-48 設為 O 時，則無 PID 功能；設為 1 時為普通 PID 控制；設為 2 時為恒壓供水 PID 。二是由變頻器的外接多功能端子的狀態(tài)決定。例如安川 CIMR-G 7A 系列變頻器，如圖 1 所示，在多功能輸入端子 Sl-S10 中任選一個，將功能碼 H1-01 ～ H1-10( 與端子 S1-S10 相對應 ) 預置為 19 ，則該端子即具有決定 PI[) 控制是否有效的功能，該端子與公共端子 SC “ ON ”時無效，“ OFF ”時有效。應注意的是．大部分變頻器兼有上述兩種預置方式，但有少數(shù)品牌的變頻器只有其中的一種方式。

在一些控制要求不十分嚴格的系統(tǒng)中，有時僅使用 PI 控制功能、不啟動 D 功能就能滿足需要，這樣的系統(tǒng)調(diào)試過程比較簡單。

3 ．目標信號與反饋信號

欲使變頻系統(tǒng)中的某一個物理量穩(wěn)定在預期的目標值上，變頻器的 PID 功能電路將反饋信號與目標信號不斷地進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來實時地調(diào)整輸出頻率和電動機的轉(zhuǎn)速。所以，變頻器的 PID 控制至少需要兩種控制信號：目標信號和反饋信號。這里所說的目標信號是某物理量預期穩(wěn)定值所對應的電信號，亦稱目標值或給定值；而該物理量通過傳感器測量到的實際值對應的電信號稱為反饋信號，亦稱反饋量或當前值。 PID 控制的功能示意圖見圖 2 。圖中有一個 PID 開關(guān)。可通過變頻器的功能參數(shù)設置使 PID 功能有效或無效。 PID 功能有效時，由 PID 電路決定運行頻率； PID 功能無效時，由頻率設定信號決定運行頻率。 PID 開關(guān)、動作選擇開關(guān)和反饋信號切換開關(guān)均由功能參數(shù)的設置決定其工作狀態(tài)。

4 ．目標值給定

如何將目標值 ( 目標信號 ) 的命令信息傳送給變頻器，各種變頻器選擇了不同的方法，而歸結(jié)起來大體上有如下兩種方案：一是自動轉(zhuǎn)換法，即變頻器預置 PID 功能有效時，其開環(huán)運行時的頻率給定功能自動轉(zhuǎn)為目標值給定．如表 2 中的安川 CIMR-G 7A 與富士 P11S 變頻器。二是通道選擇法，如表 2 中的康沃 CVF-G2 、森蘭 SB12 和普傳 P17000 系列變頻器。

以上介紹了目標信號的輸入通道，接著要確定目標值的大小。由于目標信號和反饋信號通常不是同一種物理量。難以進行直接比較，所以，大多數(shù)變頻器的目標信號都用傳感器量程的百分數(shù)來表示。例如，某儲氣罐的空氣壓力要求穩(wěn)定在 1 ． 2MPa ，壓力傳感器的量程為 2MPa ，則與 1 ． 2MPa 對應的百分數(shù)為 60 ％，目標值就是 60 ％。而有的變頻器的參數(shù)列表中，有與傳感器量程上下限值對應的參數(shù)，例如富士 P11S 變頻器，將參數(shù) E40( 顯示系數(shù) A) 設為 2 ，即壓力傳感器的量程上限 2MPa ：參數(shù) E41( 顯示系數(shù) B) 設為 0 ，即量程下限為 0 ，則目標值為 1 ． 2 。即壓力穩(wěn)定值為 1 ． 2 MPa 。目標值即是預期穩(wěn)定值的絕對值。

5 ．反饋信號的連接

各種變頻器都有若干個頻率給定輸入端，在這些輸入端子中，如果已經(jīng)確定一個為目標信號的輸入通道，則其他輸入端子均可作為反饋信號的輸入端?？赏ㄟ^相應的功能參數(shù)碼選擇其中的一個使用。比較典型的幾種變頻器反饋信號通道選擇見表 3 。

6 ． P 、 I 、 D 參數(shù)的預置與調(diào)整

(1) 比例增益 P

變頻器的 PID 功能是利用目標信號和反饋信號的差值來調(diào)節(jié)輸出頻率的，一方面，我們希望目標信號和反饋信號無限接近，即差值很小，從而滿足調(diào)節(jié)的精度：另一方面，我們又希望調(diào)節(jié)信號具有一定的幅度，以保證調(diào)節(jié)的靈敏度。解決這一矛盾的方法就是事先將差值信號進行放大。比例增益 P 就是用來設置差值信號的放大系數(shù)的。任何一種變頻器的參數(shù) P 都給出一個可設置的數(shù)值范圍，一般在初次調(diào)試時， P 可按中間偏大值預置．或者暫時默認出廠值，待設備運轉(zhuǎn)時再按實際情況細調(diào)。

(2) 積分時間

如上所述．比例增益 P 越大，調(diào)節(jié)靈敏度越高，但由于傳動系統(tǒng)和控制電路都有慣性，調(diào)節(jié)結(jié)果達到最佳值時不能立即停止，導致“超調(diào)”，然后反過來調(diào)整，再次超調(diào)，形成振蕩。為此引入積分環(huán)節(jié) I ，其效果是，使經(jīng)過比例增益 P 放大后的差值信號在積分時間內(nèi)逐漸增大 ( 或減小 ) ，從而減緩其變化速度，防止振蕩。但積分時間 I 太長，又會當反饋信號急劇變化時，被控物理量難以迅速恢復。因此， I 的取值與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，積分時間應短些；拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時，積分時間應長些。

(3) 微分時間 D

微分時間 D 是根據(jù)差值信號變化的速率，提前給出一個相應的調(diào)節(jié)動作，從而縮短了調(diào)節(jié)時間，克服因積分時間過長而使恢復滯后的缺陷。 D 的取值也與拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)：拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較小時，微分時間應短些；反之，拖動系統(tǒng)的時間常數(shù)較大時， 微分時間應長些。

(4)P 、 I 、 D 參數(shù)的調(diào)整原則

P 、 I 、 D 參數(shù)的預置是相輔相成的，運行現(xiàn)場應根據(jù)實際情況進行如下細調(diào)：被控物理量在目標值附近振蕩，首先加大積分時間 I ，如仍有振蕩，可適當減小比例增益 P 。被控物理量在發(fā)生變化后難以恢復，首先加大比例增益 P ，如果恢復仍較緩慢，可適當減小積分時間 I ，還可加大微分時間 D 。