【摘要】該文以空壓機(jī)的變頻調(diào)速恒壓控制為例，介紹了變頻器中PID功能的特點(diǎn)和使用要點(diǎn)。變頻調(diào)速系統(tǒng)需要閉環(huán)控制時(shí)，應(yīng)采用變頻器的PID調(diào)節(jié)功能。使用時(shí)須事先預(yù)置PID功能有效，并注意了解PID功能有效后的特.點(diǎn)，壓力變送器的接線(xiàn)方法，以及起動(dòng)問(wèn)題的解決等。還應(yīng)注意變頻器里的P，是指比例增益;而外部PID調(diào)節(jié)器的P是指比例帶，兩者互為倒數(shù)。
拖動(dòng)系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速后，常有人反映，PID調(diào)節(jié)的效果往往不盡如人意。這里所說(shuō)的PID調(diào)節(jié)，通常是指采用了變頻器以外的閉環(huán)控制功能，如PLC、工控機(jī)以及某些與傳感器結(jié)合的控制器等。究其原因是因?yàn)樽冾l器輸出頻率上升或下降的快慢嚴(yán)格地受用戶(hù)預(yù)置的“加速時(shí)間”和“減速時(shí)間”限制的。舉例說(shuō)明如下:
當(dāng)拖動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩從TL:突然增加為TL2，如圖1(a)所示時(shí)，拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速?gòu)?/font>1200r/min瞬間下降為1140r/min，如圖1(b)所示。我們希望通過(guò)PID調(diào)節(jié)，系統(tǒng)本來(lái)應(yīng)該在5ms內(nèi)就恢復(fù)到原來(lái)的轉(zhuǎn)速1200r/min。然而，變頻器的加速時(shí)間已經(jīng)預(yù)置為25s(指從零加速到1200r/min)，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)?/font>1140r/min上升到1200r/min，需要1s。顯然，外部控制器的PID調(diào)節(jié)功能沒(méi)能滿(mǎn)足要求。
以上數(shù)據(jù)雖然有些夸大，但說(shuō)明了問(wèn)題的所在。其實(shí)，變頻器自身也有PID調(diào)節(jié)功能，凡是變頻拖動(dòng)系統(tǒng)，只有在采用了變頻器的PID調(diào)節(jié)功能后，系統(tǒng)的閉環(huán)控制才比較理想。
本文以空氣壓縮機(jī)的恒壓控制為例，介紹變頻器在PID功能有效后的特點(diǎn)和使用要點(diǎn)。
1、變頻器在PID功能有效后的特點(diǎn)
1.1模擬量輸入端的目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)
在一般情況下，變頻器的閉環(huán)控制功能是無(wú)效的。其模擬量輸人端，如圖2(a)中端子12, V2和C1的功能是頻率給定信號(hào)的輸人通道。如果有多個(gè)給定信號(hào)同時(shí)輸人時(shí)，必有一個(gè)是主給定信號(hào)，其余為輔助給定信號(hào)。
當(dāng)變頻器的閉環(huán)控制功能預(yù)置為“有效”(PID功能有效)時(shí)，變頻器的模擬量輸人端中，可以選擇一個(gè)為目標(biāo)信號(hào)Xt，的輸人通道;其余輸人端中，可選擇一個(gè)為反饋信號(hào)X。的輸人通道，如圖2 (b)所示。
目標(biāo)信號(hào)也可以通過(guò)鍵盤(pán)給定，則所有的模擬量輸人端都可以作為反饋信號(hào)的輸人通道。
1.2顯示屏的顯示數(shù)據(jù)
當(dāng)PID功能無(wú)效時(shí)，顯示屏上顯示的是變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如頻率、電流、電壓等，與顯示數(shù)據(jù)相關(guān)的單位指示燈點(diǎn)亮，如圖2 (a)所示。而當(dāng)PID功能有效時(shí)，顯示屏上顯示的是與目標(biāo)信號(hào)或反饋信號(hào)成正比的百分?jǐn)?shù)，如圖2 (b)所示。
1 .3加、減速取決于PID的運(yùn)算結(jié)果
當(dāng)變頻器預(yù)置為PID功能有效后，原來(lái)預(yù)置的加速時(shí)間和減速時(shí)間均失效，如圖3 (a)所示。其輸出頻率的上升或下降，以及上升、下降的快慢，完全取決于PID運(yùn)算的結(jié)果△PID。如圖3(b)所示:當(dāng)△PID =0，輸出頻率將不發(fā)生變化;當(dāng)△PID>0，輸出頻率將上升，△PID大、頻率上升得快;當(dāng)△PID<0，輸出頻率將下降，△P1D的絕對(duì)值大，頻率下降的快。
2變頻器在PID功能有效后的使用要點(diǎn)
2.1目標(biāo)信號(hào)用百分?jǐn)?shù)表示
因?yàn)樽冾l調(diào)速系統(tǒng)中，被控制的物理量是各不相同的(如壓力、溫度、流量、真空度等)，即使是相同的物理量，又因?yàn)閭鞲衅鞯牧砍滩煌约皞鞲衅鬏敵龅男盘?hào)不同(電壓信號(hào)或電流信號(hào))等原因，目標(biāo)值不可能用具體的物理量來(lái)表述，而只能用百分?jǐn)?shù)來(lái)表述。
2.2描述目標(biāo)值的基本方法
當(dāng)被測(cè)的物理量等于目標(biāo)值時(shí)，傳感器輸出的反饋信號(hào)，就等于目標(biāo)信號(hào)。
假設(shè)某空氣壓縮機(jī)的目標(biāo)壓力為1. 2 MPa，如壓力傳感器量程為2 MPa，則當(dāng)實(shí)際壓力達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，因?yàn)?/font>1. 2 MPa是滿(mǎn)刻度的60%，所以，反饋信號(hào)等于60%，如圖4 (a}所示。目標(biāo)信號(hào)就是60%，如圖4 (b)所示。
如壓力傳感器量程為5 MPa，則當(dāng)實(shí)際壓力達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，因?yàn)?/font>1. 2 MPa是滿(mǎn)刻度的24%，所以，反饋信號(hào)等于24%，如圖5 (a)所示。目標(biāo)信號(hào)就是24%，如圖5 (b)所示。
所以說(shuō)，相同的目標(biāo)壓力，如果壓力變送器的量程不同，目標(biāo)信號(hào)也是不一樣的。
2.3壓力傳感器的接入
目前常用的壓力傳感器主要有兩種:遠(yuǎn)傳壓力表和壓力變送器，分別說(shuō)明如下:
(1)遠(yuǎn)傳壓力表。這種壓力表PV內(nèi)部有一個(gè)電位器。電位器的滑動(dòng)端與壓力表的指針相連，故滑動(dòng)端的位置與指針指示的讀數(shù)相對(duì)應(yīng)，如圖6所示。電位器的阻值大多是400歐姆，兩個(gè)固定端可以直接和目標(biāo)值給定電位器的固定端并聯(lián)，也可以另用外部的(0一10 V)直流電源，其0v端與變頻器目標(biāo)信號(hào)的0v端相接，則滑動(dòng)端輸出的就是與實(shí)際壓力成正比的反饋信號(hào)，接到變頻器的反饋信號(hào)通道。這里的反饋信號(hào)是電壓信號(hào)，從V2端輸人。
(2)壓力變送器。壓力變送器BP是一種輸出信號(hào)與被測(cè)物理量成正比的測(cè)量?jī)x器。其輸出信號(hào)大多是電流信號(hào)，所需電源通常是直流24 V，變頻器一般都為用戶(hù)提供+24 V的直流電源，如圖7所示。
壓力變送器的輸出端只有兩根線(xiàn):紅線(xiàn)接電源的“+24 V"，黑線(xiàn)與電源的0v之間，串聯(lián)電流信號(hào)的接收電路，如圖7的上部所示。具體到變頻器，則壓力變送器的黑線(xiàn)只需接到反饋信號(hào)輸人端，如圖7中C1端，電流信號(hào)的接收電路在變頻器內(nèi)部的C1和11 (0 V端)之間。
2.4 PID的控制邏輯
對(duì)于空氣壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)實(shí)際壓力小于目標(biāo)壓力時(shí)，要求變頻器的輸出頻率上升，即:
XF<XT →fX↑
式中:XF—反饋信號(hào)，與壓力的當(dāng)前值成正比，%
XT —目標(biāo)信號(hào)，與壓力的目標(biāo)值成正比，%
fX—變頻器的輸出頻率，Hz
這種情況稱(chēng)為負(fù)反饋。也有的書(shū)上根據(jù):fX↑->XF↑的特點(diǎn)，稱(chēng)為正邏輯，如圖8 (a)所示
圖8 (b)【θT為目標(biāo)溫度(℃);θX為實(shí)際溫度(℃)】是會(huì)議室溫度控制的例子。該會(huì)議室
使用閉環(huán)控制時(shí)，對(duì)于控制邏輯，一定要分辨清楚，否則達(dá)不到控制要求。
2.5比例增益和比例帶互為倒數(shù)
還有一個(gè)必須注意的問(wèn)題，是關(guān)于P的概念。變頻器中的P，是指比例增益，或稱(chēng)放大倍數(shù)，用Kp表示;而其他裝置中的P，常常是指比例帶，意思是在上、下限相同的情況下，按比例變化的區(qū)間，數(shù)值上與Kp正好互為倒數(shù)。
P=1/Kp
式中:P—比例帶
Kp—比例增益
如圖9 (a)中，當(dāng)自變量X改變?cè)隽俊?/font>X時(shí)，曲線(xiàn)①的函數(shù)增量為△Y1，而曲線(xiàn)②的函數(shù)增量為△Y2。假設(shè):
△Y2>△Y1
則曲線(xiàn)②的比例增益比曲線(xiàn)①大:
KP2>Kp1
但在函數(shù)的變化范圍相同的前提下，比例增益大者，按比例變化的區(qū)間(比例帶P2)則小，如圖9 (b)中曲線(xiàn)②所示;反之，比例增益小者，按比例變化的區(qū)間(比例帶P1)則大，如圖9 (b)中曲線(xiàn)①所示。
故有：KP2>Kp1→P2 <P1
2.6閉環(huán)控制的起動(dòng)功能
以上述的會(huì)議室的冷風(fēng)控制系統(tǒng)為例，會(huì)議室在不開(kāi)會(huì)時(shí)，是沒(méi)有必要吹人冷空氣的，故室內(nèi)溫度較高，假設(shè)為35℃，這時(shí)的反饋信號(hào)XF較大;而我們的目標(biāo)溫度只有2090，目標(biāo)信號(hào)XT較小，差值△X(XT一XF)較大，PID運(yùn)算的結(jié)果△PID就相當(dāng)大了。這就要求變頻器的輸出頻率迅速地上升，如圖10 (a)所示，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流較大，變頻器容易因過(guò)電流而跳閘。
為此，各種變頻器都專(zhuān)門(mén)設(shè)置了“PID有效時(shí)的起動(dòng)功能”:在剛開(kāi)始起動(dòng)的過(guò)程中，令加速時(shí)間有效，或者另行設(shè)置加速時(shí)間，如圖10 (b)所示。舉例如下:
(1)安川CIMR一G7 A系列變頻器。功能碼b5-17用于預(yù)置“PID指令用加減速時(shí)間”。當(dāng)PID功能有效時(shí)，其起動(dòng)過(guò)程中的加、減速時(shí)間將由b5 -17功能獨(dú)立決定。
(2)西門(mén)子430系列變頻器。功能碼P2293為" PID上升時(shí)間”，用于起動(dòng)時(shí)防止因加速太快而跳閘。
(3)丹佛斯VLT5000系列變頻器。功能碼439為“工藝PID起動(dòng)頻率”，當(dāng)收到起動(dòng)信號(hào)時(shí)，變頻器將轉(zhuǎn)人開(kāi)環(huán)控制方式運(yùn)行，按加速時(shí)間加速。在達(dá)到439功能所預(yù)置的起動(dòng)頻率時(shí)，才轉(zhuǎn)為閉環(huán)工藝控制。
2.7 P、I、D的初次和運(yùn)行調(diào)試
2.7.1初次調(diào)試
所謂初次調(diào)試，是指拖動(dòng)系統(tǒng)安裝完畢后，對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)的工作性能不十分清楚的情況下，預(yù)置P、I、D的步驟與方法(在多數(shù)情況下，主要是Kp和I)，介紹如下:
第一步，把比例增益K，預(yù)置到最小，而把積分時(shí)間I預(yù)置到20一30S。
第二步，逐漸加大Kp，一直到系統(tǒng)發(fā)生振蕩，
然后取其半。
第三步，逐漸減小I，一直到系統(tǒng)發(fā)生振蕩，然后增加50%。
第四步，一般說(shuō)來(lái)，按照上述步驟調(diào)試后，問(wèn)題已經(jīng)不大了。但如果發(fā)現(xiàn)有輕微振蕩，則略減小一點(diǎn)Kp，或增加一點(diǎn)八如果希望在用氣量改變后壓力恢復(fù)得快一些，則略增大一點(diǎn)Kp，或減小一點(diǎn)I。
2.7.2運(yùn)行調(diào)試
這里所說(shuō)的運(yùn)行調(diào)試，是指在實(shí)際工作中，對(duì)運(yùn)行情況感到不滿(mǎn)意時(shí)，需要進(jìn)行的調(diào)試。運(yùn)行過(guò)程中，不外是兩種情況:
第一種情況:儲(chǔ)氣罐的壓力時(shí)高時(shí)低，不大穩(wěn)定，說(shuō)明系統(tǒng)發(fā)生了振蕩，如圖11 (a)所示。解決的方法是:或減小Kp，或增加積分時(shí)間I。
第二種情況:用戶(hù)的用氣量改變后，壓力偏離目標(biāo)值的時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)比較遲緩，如圖11 (b)所示。解決的方法是:或增大Kp，或減小積分時(shí)間I。
實(shí)踐證明，在變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)中，利用變頻器自身的PID調(diào)節(jié)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，效果是比較理想的。
3結(jié)語(yǔ)
變頻器具有十分完善的PID調(diào)節(jié)功能，變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)需要閉環(huán)控制時(shí)，應(yīng)采用變頻器的PID調(diào)節(jié)功能。使用時(shí)須事先預(yù)置PID功能“有效”，并注意了解PID功能有效后的特點(diǎn)，壓力變送器的接線(xiàn)方法，以及起動(dòng)功能的解決等。除此以外，還應(yīng)注意，變頻器里的P，指的是比例增益，而其他PID調(diào)節(jié)器里的P，常常是指比例帶，兩者互為倒數(shù)。
作者：張 燕 賓@壓力變送器
版權(quán)：張 燕 賓
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