Настройка ПИД-регулятора частотного преобразователя

Что такое ПИД-регулятор?

ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор) – это алгоритм автоматического управления, используемый в системах регулирования. Он применяется для поддержания заданного параметра, например, давления, скорости или температуры, на требуемом уровне.

Основные компоненты (P, I, D) и их роль в регулировании

• P (пропорциональная составляющая) – реагирует на текущее отклонение и изменяет выходное воздействие пропорционально ему.
• I (интегральная составляющая) – накапливает ошибки регулирования и корректирует систематические отклонения.
• D (дифференциальная составляющая) – учитывает скорость изменения ошибки и предотвращает резкие изменения выхода.

Принцип работы ПИД-регулятора

Как формируется управляющее воздействие

ПИД-регулятор вычисляет управляющее воздействие по формуле:

u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫ e(t) dt + Kd * de(t)/dt

где:

• Kp – коэффициент пропорциональности,
• Ki – коэффициент интегральной составляющей,
• Kd – коэффициент дифференциальной составляющей,
• e(t) – ошибка регулирования.

Влияние каждого из коэффициентов на работу системы

• Увеличение Kp снижает время отклика, но может вызвать колебания.
• Увеличение Ki устраняет статическую ошибку, но может привести к нестабильности.
• Увеличение Kd уменьшает колебания, но делает систему чувствительной к шумам.

Частотные преобразователи с ПИД-регулированием

Как ПИД-регулятор интегрирован в частотный преобразователь

ПИД-регулятор встроен в программное обеспечение частотного преобразователя и управляет выходной частотой на основе сигнала обратной связи.

Основные модели и производители с поддержкой ПИД-регулирования

• InnovertсерииISD, ITD, IBD – используются в насосах и вентиляторах.
• Danfoss VLT – высокоточная настройка и гибкие параметры.
• Siemens SINAMICS – надежность и интеграция с промышленными сетями.

Области применения

Частотные преобразователи с ПИД-регулятором применяются в:

• насосных станциях,
• вентиляционных системах,
• конвейерных линиях.

Подключение ПИД-регулятора

1. Подключение датчиков обратной связи

Для работы ПИД-регулятора необходимо подключить датчик, измеряющий регулируемый параметр. Обычно это аналоговый датчик с выходом 4-20 мА или 0-10 В, который подключается к аналоговому входу частотного преобразователя (например, AI2).

2. Настройка входа обратной связи

В параметрах преобразователя указывается источник обратной связи — аналоговый вход, к которому подключён датчик. Например, параметр PA-02 = 1 может выбирать обратную связь по аналоговому входу AI2.

3. Задание уставки

Уставка (желаемое значение регулируемого параметра) может задаваться вручную через параметры преобразователя (например, PA-01) или передаваться по протоколу Modbus RTU.

4. Определение направления регулирования

Параметр направления ПИД-регулирования (например, PA-03) определяет, как преобразователь будет реагировать на отклонение от уставки:

• PA-03 = 0 — увеличение частоты при снижении обратной связи ниже уставки;
• PA-03 = 1 — наоборот, уменьшение частоты при снижении обратной связи.

Настройка ПИД-регулятора

1. Начальная настройка электропривода

Перед настройкой ПИД-регулятора необходимо задать параметры электродвигателя в преобразователе: номинальный ток, напряжение, скорость, коэффициент мощности и другие.

2. Установка начальных коэффициентов ПИД

Рекомендуется сначала выставить интегральную (I) и дифференциальную (D) составляющие в ноль, а пропорциональный коэффициент (P) — в небольшое значение (например, P=1).

3. Подбор пропорционального коэффициента (P)

Плавно увеличивают P до появления устойчивых автоколебаний, затем уменьшают примерно вдвое для стабильной работы без излишних колебаний.

4. Настройка интегральной составляющей (I)

Добавляют интегральную составляющую для уменьшения статической ошибки и колебаний, подбирая значение, обеспечивающее быстрое, но без чрезмерных колебаний реагирование.

5. Настройка дифференциальной составляющей (D)

Дифференциальный коэффициент корректирует скорость реакции и сглаживает переходные процессы, уменьшая перерегулирование и улучшая стабильность.

6. Тонкая настройка и фильтрация

В некоторых преобразователях можно настроить фильтрацию сигналов для подавления шумов и автоколебаний (например, параметр 7-06 у Danfoss).

Пример параметров настройки (на примере Danfoss VLT FC 360)

Итог

Подключение ПИД-регулятора в частотном преобразователе включает подключение датчика обратной связи к аналоговому входу и настройку параметров уставки и направления регулирования. Настройка ПИД осуществляется последовательным подбором коэффициентов: сначала P, затем I и D, с целью достижения стабильного и точного поддержания заданного параметра без излишних колебаний и перерегулирования.

Для удобства и точности настройки часто используется программное обеспечение, поставляемое с преобразователем, позволяющее наблюдать осциллограммы и оперативно корректировать параметры.

Общие рекомендации по настройке ПИД-регулятора

• Начинать с небольших значений Kp, Ki, Kd и увеличивать по мере необходимости.
• Использовать автотюнинг, если доступен в частотном преобразователе.
• Проверять датчики обратной связи.
• Избегать слишком больших значений Ki, чтобы не вызвать дрейф параметров.
• Проводить тестирование при различных нагрузках.