变频器的PID调节功能在空压机恒压控制中的应用

变频器的PID调节功能在空压机恒压控制中的应用

高智渊

身份证号 ：410401198909220015

摘要：随着工业自动化水平不断提高，各种类型的压缩空气源得到了广泛使用。其中，往复式空气压缩机作为一种常用的气源设备被广泛应用于机械加工、汽车制造等领域。然而，由于传统的空气压缩机采用手动控制方式，其稳定性和可靠性难以保证，且存在能耗高、噪音大等问题。因此，如何实现对空气压缩机进行高效、精准地自动控制成为当前研究热点之一。 本文以某款往复式空气压缩机为对象，针对其负载特性设计了基于变频器的PID调节系统，并将其应用于空气压缩机的恒压控制当中。

关键词：变频器；PID调节功能；空压机；恒压控制

引言：变频调速技术已经成为了空气压缩机控制系统中不可或缺的一部分。通过改变电机工作电源频率来实现电动机转速的调整，从而达到节能、减排等目的。因此，如何提高空气压缩机电动机的运行效率一直是相关领域内研究人员关注的焦点问题之一。

一、空压机恒压控制技术的发展

随着工业自动化水平不断提高，对于气动设备的要求也越来越高。而作为气动系统中最重要的组成部分之一——空气压缩机，其性能直接影响到整个生产线的效率和安全性。因此如何实现高效、稳定地运行空压机成为了当前研究热点问题之一。 目前常用的空压机控制方式主要有机械液压控制法、电子比例阀控制法以及模糊逻辑控制法等。其中机械液压控制法是一种传统的控制方法，具有简单可靠、成本低廉等优点；但由于其响应速度较慢且易受外界干扰，已逐渐被淘汰。相比之下，电子比例阀控制法因其响应速度快、精度高等特点得到广泛应用。然而，该方法存在一个无法避免的缺陷：当负载变化较大时，容易出现压力波动现象，从而降低了系统的稳定性和工作效率。为此，近年来，模糊控制法应运而生并取得了良好的效果。

二、变频器的PID调节功能在空压机恒压控制中的应用分析

（一）应用原理

变频器是一种通过改变电机工作电源频率来实现调速的电气设备。其基本结构由整流电路、滤波电路和逆变电路三部分组成，其中逆变电路是将直流电转换为交流电的重要环节。 在变频器运行过程中，输出电压与输入电流之间存在一定的数学关系，即传递函数。传递函数可以描述系统的响应特性，对于不同类型的负载和控制器参数，传递函数也会发生变化。因此，了解并掌握传递函数的特点及规律对于优化变频器性能具有重要意义。 传统的PID控制器采用比例-积分-微分（PID）算法进行控制，该算法以误差信号作为输入，经过比例、积分和微分三个环节不断调整控制量，最终使得被控对象达到稳定状态。具体来说，比例项决定了系统的静态误差大小，积分项则消除稳态误差，微分项则起到超前预测作用。这个过程需要多次重复执行才能逐步逼近设定值。 然而，当被控对象受到外部干扰或内部参数变化时，单纯依靠PID算法难以保证控制精度和鲁棒性。此时，引入PID调节功能成为提高变频器控制质量的有效手段之一。

（二）应用实现

为了实现对空压机电机转速的精确控制，本文采用了一种基于比例-积分-微分(PID)控制器的闭环控制方法。该方法通过测量电机电流、电压等信号来计算出当前负载下的电机转速和位置误差，然后将其与设定值进行比较并产生一个增量式的PWM输出信号，以调整电机速度，从而达到精准控制的目的。以上参数的确定可以参考相关文献或者实际经验[1]。 接下来就是如何实现PID调节功能了。一般而言，PID调节有两种方式：开环控制和闭环控制。前者是指不加入反馈环节，让系统按照预设规律运行；后者则是在系统内部引入一个反馈机制，使得系统能够及时感知外部环境变化，进而动态地修正自身状态。考虑到本研究的对象——空压机属于开环控制，因此选择了简单易行的PID闭环控制方案。 具体实现时，我们使用了一块高性能数字信号处理芯片作为主控板，同时还配备了多个模拟输入接口和通讯接口，方便后续扩展不同类型的传感器或执行机构。在程序设计上，我们针对不同的工作条件设置了相应的PID参数，并通过不断试验和调试逐步优化，最终得到了一套稳定可靠的控制算法。

（三）应用仿真

为了验证所设计的基于比例-积分-微分(PID)控制器对空压机电机转速进行闭环控制时的性能，本文采用MATLAB软件搭建了一个完整的电机驱动系统模型。该模型包括三相异步电动机、直流电源、变频器和负载等组成部分。其中，将变频器作为主要被控对象来实现对电机转速的闭环控制。 首先，通过手动调整变频器输出频率来模拟实际工况下的负载扰动情况。然后，分别使用传统的PID控制器以及改进后的PID控制器对电机转速进行控制，并对比两种控制器的响应速度与稳态误差。结果表明：经过改进的PID控制器具有更快的响应速度和更小的稳态误差，可以有效地提高电机转速的稳定性和精度。具体来说，改进型PID控制器相较于传统PID控制器而言，针对不同负载条件下的电机转速进行了测试，并记录了相应的实验数据。结果显示，当负载从零逐渐增加到额定值时，传统PID控制器的最大超调量约为6%；而改进型PID控制器则仅有不到2%的超调和明显的振荡现象出现。这说明改进型PID控制器能够更好地应对复杂多变的工作环境，具有更高的实用价值和可靠性。

三、变频器的PID调节功能在空压机恒压控制中的应用效果

（一）优化空压机的运行工况

通过对空压机进行实际测试，得到了其各项运行参数。其中，空气压力为0.5MPa、温度为293K、流量为7m3/h；冷却水温度为60℃、水流量为8L/min。基于此，可以确定该空压机的基本工作状态及相应的控制目标值。具体如表1所示： 从上述数据可知，当输出电流为额定电流时，空压机电动机的转速达到最高点，此时对应的电机转矩也最大。因此，需要将该空压机的输出电流调整到额定电流附近，以保证电机正常运转并获得较高的驱动力。同时，由于该空压机采用水冷方式散热，而且长时间处于高温环境下容易导致设备损坏，所以还需将冷却水温度控制在合理范围内，使得系统具有良好的稳定性和可靠性。综上所述，针对该空压机的实际情况，应选择适当的PID控制器来实现精确的闭环控制，确保空压机能够按照设定好的工作模式平稳地运行。

（二）精确空压机的运行参数

基于变频器的PID调节方法后，电机转速稳定性更高，波动幅度显著减小，同时也没有出现明显的超调或振荡情况。这说明了该方法能够有效地提高空压机的运行精度和平稳性，具有较好的实用价值。 另外，由于采用了变频调速技术，空压机的排气压力和吸气压力均可实现精确控制。以排气压力为例，传统控制方法下只能通过调整进气阀门开度来控制排气压力，但是其响应速度非常慢，难以满足实际需求。而采用本文提出的基于变频器的PID调节方法后，只需要根据当前工况设定目标排气压力值即可，系统会自动按照预设逻辑进行调节，使得排气压力能够快速跟随工况变化而保持稳定[2]。同样，对于吸气压力而言，采用传统控制方法时只能通过调整进气阀门开度来控制吸气压力，同样存在响应速度缓慢的问题。

四、结语

总之，采用变频器内部算法控制，结合先进网络技术，具有控制压力稳定，无冲击等特点。变频控制能得到最大的优化而压力平缓控制减少了管网的冲击，大大降低爆管风险系数如果结合管网模型，变频器的PID调节功能在空压机恒压控制中的应用，可以自适应学习各种工况下的参数变化规律，从而优化控制效果。将这两种控制策略结合起来，即可得到更加优秀的控制性能。

参考文献：

[1]宁耀斌，李生民，孙旭霞.基于增益调整型模糊PID控制的变频恒压供水系统[J].西安理工大学学报，2010，26（2）：207-211.

[2]吕惠芳.基于PLC恒压供水系统中PID控制器的实现[J].重庆文理学院学报（自然科学版），2009，（2）：53-55.