ПИД-регуляторы в частотных преобразователях «Веспер» — высокая точность процесса автоматического регулирования

Преобразователи частоты, как устройства управления асинхронными электродвигателями, — электронные приборы на базе микропроцессорных устройств со своим уникальным программным обеспечением. Они заметно улучшают работу
электропривода и, благодаря встроенному программному модулю «ПИД- регулятор», позволяют оптимизировать работу частотно-регулируемого электропривода в режиме автоматического регулирования параметров технологических процессов.

Благодаря продуманному интерфейсу и упорядоченной структуре меню специалист любого уровня сможет запустить ПЧ «Веспер». Но, чтобы уйти от типичных ошибок при интеграции ПЧ в систему автоматического регулирования, необходимо ознакомиться с принципами работы ПИД-регуляторов и этапами настройки.

Принцип работы ПИД- регулятора

Принцип пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования основан на формировании управляющего сигнала, являющегося суммой трёх слагаемых (составляющих):

• пропорциональный (P);
• интегральный (I);
  
• дифференциальный (D).

Эти составляющие формируются соответствующими блоками программного модуля ПИД-регулятора.

ПИД регулятор на базе микропроцессорных устройств, как и любая система автоматического регулирования с обратной связью, предусматривает наличие двух входов и одного выхода: вход сигнала обратной связи с датчика технологического параметра и вход сигнала задания требуемой величины технологического параметра. Выходной сигнал ПИД-регулятора формируется на программном уровне в результате математических вычислений с тремя слагаемыми (P, I, D):

Структура ПИД-регулятора — основные особенности

Контур П-регулятора.

Программный блок пропорциональной (Р) составляющей определяет величину выходного сигнала П-регулятора, который формируется в результате сравнения в сумматоре значений двух сигналов: сигнала обратной связи (ОС) и сигнала задания значения технологического параметра. Выходной сигнала П-регулятора - это ошибка (рассогласование) управления e(t), умноженная на коэффициент (KP). Вычисляется по формуле:

Коэффициент (KP) задаётся численным значением параметра пропорциональной составляющей.

В идеале, если входной сигнал с датчика соответствует заданному значению, то выходной равен нулю. На практике, если использовать только П-регулятор, значение выходного сигнала П-регулятора не бывает равным заданию, так как постоянно будет возникать статическая ошибка регулирования. Точность поддержания значения технологического параметра можно повысить увеличением значения коэффициента KP, но при слишком больших значениях могут возникнуть автоколебания в контуре П-регулирования, и система потеряет стабильность. П-регулятор подходит для систем, где не важна высокая точность поддержания значения технологического параметра .

Контур ПИ-регулятора

Чтобы повысить точность (скомпенсировать статическую ошибку) и стабилизировать систему, в структуру вводится программный блок интегральной составляющей (I)

Интегральная составляющая вычисляется по формуле:

т. е. пропорциональна интегралу по времени от отклонения регулируемой величины. Она позволяет регулятору со временем учесть статическую ошибку регулирования и устранить её.

Если система не испытывает внешних возмущений, то через некоторое время значение технологического параметра стабилизируется на заданном уровне, сигнал пропорциональной составляющей будет равен нулю, а выходной сигнал будет полностью обеспечиваться интегральной составляющей. Тем не менее, интегральная составляющая также может приводить к автоколебаниям при неправильном выборе её коэффициента.

Таким образом, если использовать два программных блока — пропорциональный и интегральный, то точность процесса регулирования, а соответственно и точность поддержания значения технологического параметра значительно повысится. Степень компенсации статической ошибки регулирования прямо пропорциональна значению коэффициента пропорциональности Ki. Но чем он выше, тем медленнее будут протекать переходные процессы: при очередном запуске системы и при внешних возмущениях. ПИ-регулятор подходит для систем автоматического регулирования, где не важна скорость её реакции. В большинстве случаев для решения задач в замкнутых системах автоматического регулирования вполне достаточно использовать только ПИД- регулятор.

Контур ПИД-регулятора

Чтобы ускорить переходный процесс и еще больше стабилизировать систему, вводится программный блок дифференциальной составляющей. Результирующее значение вычисляется по формуле:

Дифференциальная составляющая пропорциональна скорости изменения отклонения текущего значения технологического параметра от заданного и предназначена для компенсирования подобных отклонений, которые прогнозируются в будущем. Отклонения могут быть вызваны внешними возмущениями или запаздыванием воздействия регулятора на систему автоматического регулирования.

Задействовать сразу три контура (P + I + D) особенно важно при необходимости увеличения быстродействия системы автоматического регулирования. ПИД-регулирование частотного преобразователя будет наиболее полезно в высокодинамичных системах, когда требуется высокая точность, стабильность и скорость управляющего сигнала. Дифференциальный канал чувствителен к ВЧ-помехам. Поэтому, при построении системы регулирования, необходимо принять меры для защиты от помех.

Преобразователь частоты в системе автоматического регулирования

Преобразователи частоты (далее ПЧ) с программным модулем «ПИД-регулятор» универсальны в применении, но особой популярностью они пользуются в гидравлических системах для поддержания постоянного давления жидкости вне зависимости от её расхода.

Типичное решение с применением ПЧ в режиме ПИД-регулирования для поддержания постоянного давления в напорном трубопроводе строится по следующему принципу:

• На аналоговый вход ПЧ (первый вход ПИД-регулятора) поступает сигнал о текущем значении давления с аналогового датчика давления. На второй вход ПИД-регулятора поступает сигнал задания значения давления, определяемый значением опорной частоты, в соответствии с выбранным источником задания опорной частоты.
• Встроенный программный модуль ПИД-регулятора анализирует отклонение между текущим и заданным значениями и формирует управляющий сигнал задания выходной частоты ПЧ.
• ПЧ изменяет производительность электронасоса, для компенсации изменения давления (например при изменении расхода жидкости)

Т.О. давление в напорном трубопроводе останется на заданном уровне и не будет зависеть от расхода.

Пусконаладка ПЧ «Веспер» в режиме ПИД-регулирования

Процесс настройки ПИД-регулятора состоит из нескольких этапов. В целом схема управления типична и состоит в основном из задания уставки и настройки оптимальных значений трех ПИД-коэффициентов.

Уставка (необходимый уровень давления для гидравлических систем) задается путем указания частоты. Показатели частоты вычисляются по формуле:

где FЗ — задание частоты, Гц;

P — необходимое давление в системе, бар;

Fmax — частота электросети на выходе, Гц;

Pmax — верхний диапазон чувствительности датчика, бар.

Для вычисления коэффициентов ПИД-регулятора применяются формулы, но на практике провести точный расчет всех этих значений крайне сложно. Вычислениям мешает нелинейность и нестационарность системы, отсутствие точных характеристик объекта управления. Поэтому настройку ПИД-регулятора частотного преобразователя зачастую проводят с использованием эмпирического и эвристического методов. Оптимальные значения подбираются опытным путем.

Также при настройке ПЧ необходимо указать параметры электропривода: номинальный ток, номинальное напряжение и прочие характеристики, необходимые для корректной работы ПЧ и всей системы автоматического регулирования в целом.

Подробные инструкции по настройке даны в технической документации к каждой модели ПЧ «Веспер». Можно запросить помощь по проведению пусконаладочных работ у технических специалистов компании ВЕСПЕР.