匯川變頻器多級PID調(diào)節(jié)的實(shí)踐與分析

黃曉偉 周保廷

摘要：文章通過對水洗機(jī)控制系統(tǒng)的分析入手，詳細(xì)介紹了水洗機(jī)張力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方法，闡述了變頻器多級PID調(diào)節(jié)的工作原理、參數(shù)設(shè)定及運(yùn)行調(diào)試的方法。

關(guān)鍵詞：變頻器；張力控制；多級PID

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.002

雙振蕩式平幅式水洗機(jī)是印染廠最常用的設(shè)備，主要利用它對坯布進(jìn)行后整理。老式的調(diào)速控制方案就是采用直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。新的控制方案是采用交流異步電動(dòng)機(jī)加變頻器的方式進(jìn)行調(diào)速。在本文的控制方案中，各電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)軸連接，整機(jī)的最高線速度可以達(dá)到40米/分鐘以上，通過變頻器的調(diào)速，啟動(dòng)時(shí)可以穩(wěn)步提速，達(dá)到平穩(wěn)過渡，防止瞬間沖擊過大，將坯布拉斷，系統(tǒng)通過張力傳感器進(jìn)行張力檢測反饋，通過PID調(diào)節(jié)，達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，系統(tǒng)具有較高的靈敏度，調(diào)速性能穩(wěn)定可靠。

1調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

平幅水洗機(jī)包括進(jìn)布、補(bǔ)液、汽蒸、對中、水洗、中和、出布這七個(gè)主要硬件部分，整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2控制系統(tǒng)工作原理

在平幅水洗機(jī)的張力閉環(huán)控制系統(tǒng)中，為了協(xié)調(diào)控制整個(gè)機(jī)器的運(yùn)行速度，采用PLC對變頻器進(jìn)行通信控制，當(dāng)有開車信號時(shí)，PLC通過通信，給定變頻器基準(zhǔn)線速度，同時(shí)控制軋車及轉(zhuǎn)鼓運(yùn)行，張力傳感器及時(shí)檢測張力大小，并把張力變送器上的標(biāo)準(zhǔn)模擬量電壓信號0-10V反饋給PLC和變頻器，變頻器再根據(jù)檢測到的張力反饋信號的大小進(jìn)行多級PID調(diào)節(jié)，使本單元的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及時(shí)根據(jù)反饋的張力信號講行微調(diào)。

3變頻器的使用

3.1變頻器的選型

平幅式水洗機(jī)負(fù)載特性為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，要求電動(dòng)機(jī)能帶負(fù)載啟動(dòng)，且能在各種低速狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行。為此，本系統(tǒng)選用了匯川MD380系列變頻器，這是一款通用高性能電流矢量型變頻器，主要用于控制和調(diào)節(jié)三相交流異步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。MD380采用高性能的矢量控制技術(shù)，低速高轉(zhuǎn)矩輸出，具有良好的動(dòng)態(tài)特性、超強(qiáng)的過載能力。根據(jù)匯川MD380變頻器的選型手冊以及變頻器的三個(gè)容量計(jì)算公式，可以講行各個(gè)變頻器的容量先選型。

式中PM為電動(dòng)機(jī)輸出功率、η為電動(dòng)機(jī)效率（常取0.85）、cosφ為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)（常取0.75）、UM電壓（V）、IM電流（A）、K為電流波形的修正系數(shù)（PWM方式取1.05～1.1）、ICN：變頻器的額定電流（A）、PCN：變頻器的額定容量（KVA），通過公式換算，變頻器的額定容量可以選擇為電動(dòng)機(jī)輸出功率的1.81倍，即PCN≈1.81PM。

3.2變頻器的參數(shù)設(shè)置

由于該變頻器支持主、輔頻率運(yùn)算，便于進(jìn)行張力PID調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)中，選擇主頻率源X+輔助頻率源Y的方式，輔助頻率源Y為張力傳感器檢測反饋。主頻率源X為PLC通訊給定的基準(zhǔn)線速度。通過MD380內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，配合主頻率源給定值，實(shí)現(xiàn)張力控制的自動(dòng)調(diào)節(jié)，變頻器頻率閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示。在使用MD380變頻器的PID閉環(huán)控制時(shí)，首先需要選定頻率源F0-03=8，即選擇PID輸出頻率值。過程控制的PID功能需要通過設(shè)置FA參數(shù)組來完成。

PID控制是過程控制的一種常用方法，通過對被控量反饋信號與目標(biāo)信號的差量進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，通過調(diào)整變頻器的輸出頻率，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，使被控量穩(wěn)定在目標(biāo)值。適用于本任務(wù)中的張力控制場合，過程PID的控制原理框圖如圖2所示。

變頻器PID調(diào)節(jié)的相關(guān)的功能碼均在FA組功能參數(shù)中，F(xiàn)A-00為PID給定源的設(shè)定范圍，此參數(shù)用于選擇過程PID的目標(biāo)量給定通道。本系統(tǒng)中選擇通過PLC通訊給定。

FA-01過程PID的設(shè)定目標(biāo)量為相對值，設(shè)定范圍為0.0%～100.0%。同樣PID的反饋量也是相對量，PID的作用就是使這兩個(gè)相對量相同。本系統(tǒng)中選擇100.0%。

FA-02此參數(shù)用于選擇過程PID的反饋信號通道。本系統(tǒng)中選擇A11模擬量通道進(jìn)行反饋。過程PID的反饋量也為相對值，設(shè)定范圍為0.0%～100.0%。

FA-03為PID反饋值的作用方向，正作用方向：當(dāng)PID的反饋信號小于給定量時(shí)，變頻器輸出頻率上升。如收卷的張力控制場合。反作用方向：當(dāng)PII的反饋信號小于給定量時(shí)，變頻器輸出頻率下降。如放卷的張力控制場合。該參數(shù)必須根據(jù)張力檢測傳感器安裝的位置來決定反饋值的作用方向，如果張力傳感器安裝在傳動(dòng)輥之后，則為正作用，如果張力傳感器安裝在傳動(dòng)輥之前，則為反作用。本系統(tǒng)中，由于三級水洗轉(zhuǎn)鼓的張力檢測傳感器安裝在傳動(dòng)輥之前，因此，均選擇為反作用，張力校準(zhǔn)和調(diào)試如圖3所示。

接下來就是FA-05比例增益Kp1，F(xiàn)A-06積分時(shí)間Til，F(xiàn)A-07微分時(shí)間Td1，這三個(gè)關(guān)鍵的PID參數(shù)設(shè)置了，針對比例增益，由于氨綸紡織品彈性較大，通過多次反復(fù)調(diào)試各種不同氨綸含量樣品，本系統(tǒng)選擇了25為最佳比例增益值。

FA-06積分時(shí)間選擇為2秒，由于微分的作用比較敏感，很容易造成系統(tǒng)振蕩，為此，把PID微分的作用限制在一個(gè)較小范圍，微分時(shí)間選擇為0.5秒。

在一組PID參數(shù)調(diào)節(jié)模式下，系統(tǒng)調(diào)試到氨綸含量較多，彈性較大的布匹時(shí)，PID調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度會(huì)變得很漫長，不利于系統(tǒng)調(diào)試，加減速過程中PID調(diào)節(jié)不理想，為此需要采用不同PID參數(shù)。

本系統(tǒng)即利用了MD380變頻器內(nèi)置的2個(gè)等效PID計(jì)算單元的有利條件，利用其特性參數(shù)，可以分別設(shè)置兩組不同的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，適合根據(jù)不同的彈性面料，采用不同PID調(diào)節(jié)特性，分別強(qiáng)調(diào)PID的調(diào)節(jié)速度和精度。其中PID調(diào)節(jié)器參數(shù)FA-15比例增益位Kp2，F(xiàn)A-16積分時(shí)間為Ti2，F(xiàn)A-17微分時(shí)間為Td2，與參數(shù)FA-05～FA-07類似。FA-15設(shè)置為30，F(xiàn)A-16設(shè)置為1.5秒，F(xiàn)A-17設(shè)置為0.2秒，使得系統(tǒng)響應(yīng)更加積極。

本系統(tǒng)中，F(xiàn)A-18PID參數(shù)切換條件選擇為“2”根據(jù)偏差自動(dòng)切換，變頻器內(nèi)的兩組PID參數(shù)根據(jù)PID的偏差自動(dòng)切換。

選擇為自動(dòng)切換時(shí)，給定與反饋之間偏差絕對值小于FA-19參數(shù)中PID參數(shù)切換偏差1時(shí)，PID參數(shù)選擇參數(shù)組1。給定與反饋之間偏差絕對值大于FA-20參數(shù)中PID參數(shù)切換偏差2時(shí)，PID參數(shù)選擇參數(shù)組2。給定與反饋之間偏差處于切換偏差1和切換偏差2之間時(shí)，PID參數(shù)為兩組PID參數(shù)線性插補(bǔ)值，如圖4所示。

4設(shè)備調(diào)試運(yùn)行

4.1變頻器的主要運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

根據(jù)選擇的電動(dòng)機(jī)功率大小，必須進(jìn)行電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置，讓變頻器獲得電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。方法是：首先根據(jù)電機(jī)功率大小修改電機(jī)的F1-01額定功率參數(shù)，依次修改電機(jī)F1-02～F1-05額定電壓、額定電流、額定頻率和額定轉(zhuǎn)速。其次按照水洗機(jī)的工藝要求，設(shè)置啟動(dòng)、停車加減速時(shí)間，根據(jù)水洗機(jī)的工藝要求，為了保護(hù)坯布的彈性，防止起步時(shí)的拉扯，必須注意傳動(dòng)輥的卷徑大小，水洗機(jī)要求變頻啟動(dòng)時(shí)不能太快，加減速時(shí)間必須嚴(yán)格控制。為了達(dá)到運(yùn)行平穩(wěn)，變頻器的加減速時(shí)間設(shè)定為3.5秒以上，基本上可以滿足要求。

4.2張力控制設(shè)置

（1）將每一個(gè)張力架放在水平位置，校準(zhǔn)張力傳感器的數(shù)值，分別為O張力和20KG張力，使輸出為OV-10V的范圍；

（2）按照本文介紹的方法設(shè)定好變頻器的PID調(diào)節(jié)的參數(shù)及相關(guān)的輔助參數(shù)；

（3）設(shè)置好參數(shù)后，給整個(gè)控制電路重新上電。檢查張力傳感器的供電電源，檢查張力傳感器的輸出信號是否正確，如果不正確，應(yīng)重新利用砝碼校驗(yàn)張力傳感器；

（4）合上所有張力傳感器供電電源，保持張力架的平衡位置，檢測上述步驟4對應(yīng)的輸出電壓是否一致，不一致應(yīng)查明原因并使其一致。

4.3整機(jī)調(diào)試

（1）先單臺(tái)電機(jī)調(diào)試，軋輥脫開，使其空載運(yùn)行，測試每臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)檢測各個(gè)軋車的主動(dòng)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)線速度是否一致，如果不一致應(yīng)查明原因進(jìn)行調(diào)整；

（2）啟動(dòng)后，按加速按鈕開始加速，加速到40米/分鐘左右，再穩(wěn)步減速到設(shè)定初速，最后按下停車按鈕停車。加速過程中，檢測各個(gè)軋車主動(dòng)棍的速度變化情況是否正確，張力反饋是否有變化，頻率值是否根據(jù)反饋的張力進(jìn)行PID運(yùn)算和調(diào)整，必要時(shí)，繼續(xù)修改變頻器FA參數(shù)組里的PID調(diào)節(jié)參數(shù)；

（3）經(jīng)過上述的開車調(diào)試，整個(gè)機(jī)器基本上就達(dá)到了恒張力同步運(yùn)行。最后連接上新坯布，使整機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，按照正常流程開車，觀察整機(jī)的同步情況，測試水洗后布匹的PH值是否滿足要求，并微調(diào)電氣、機(jī)械、溫度、水洗液位等各種影響整機(jī)同步運(yùn)行的擾動(dòng)因子，使整機(jī)達(dá)到恒張力可變速同步運(yùn)行。

5結(jié)語

本文按照以上方案對原同步控制的雙振蕩水洗機(jī)進(jìn)行了帶反饋的張力PID控制改造，更加廣泛地適應(yīng)了各類不同品種、不同寬幅、不同彈性的布匹，大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低了工人操作的工作量，經(jīng)受了企業(yè)的現(xiàn)場運(yùn)行考驗(yàn)，滿足了客戶要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。