匯川變頻器多級PID調節的實踐與分析

黃曉偉 周保廷

摘要：文章通過對水洗機控制系統的分析入手，詳細介紹了水洗機張力控制系統的結構和控制方法，闡述了變頻器多級PID調節的工作原理、參數設定及運行調試的方法。

關鍵詞：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是印染廠最常用的設備，主要利用它對坯布進行后整理。老式的調速控制方案就是采用直流電動機調速。新的控制方案是采用交流異步電動機加變頻器的方式進行調速。在本文的控制方案中，各電動機通過減速機構和傳動軸連接，整機的最高線速度可以達到40米/分鐘以上，通過變頻器的調速，啟動時可以穩步提速，達到平穩過渡，防止瞬間沖擊過大，將坯布拉斷，系統通過張力傳感器進行張力檢測反饋，通過PID調節，達到動態穩定，系統具有較高的靈敏度，調速性能穩定可靠。

1調速系統結構簡介

平幅水洗機包括進布、補液、汽蒸、對中、水洗、中和、出布這七個主要硬件部分，整個系統的硬件結構圖如圖1所示。

2控制系統工作原理

在平幅水洗機的張力閉環控制系統中，為了協調控制整個機器的運行速度，采用PLC對變頻器進行通信控制，當有開車信號時，PLC通過通信，給定變頻器基準線速度，同時控制軋車及轉鼓運行，張力傳感器及時檢測張力大小，并把張力變送器上的標準模擬量電壓信號0-10V反饋給PLC和變頻器，變頻器再根據檢測到的張力反饋信號的大小進行多級PID調節，使本單元的電動機轉速及時根據反饋的張力信號講行微調。

3變頻器的使用

3.1變頻器的選型

平幅式水洗機負載特性為恒轉矩負載特性，要求電動機能帶負載啟動，且能在各種低速狀態下連續運行。為此，本系統選用了匯川MD380系列變頻器，這是一款通用高性能電流矢量型變頻器，主要用于控制和調節三相交流異步電機的運轉速度。MD380采用高性能的矢量控制技術，低速高轉矩輸出，具有良好的動態特性、超強的過載能力。根據匯川MD380變頻器的選型手冊以及變頻器的三個容量計算公式，可以講行各個變頻器的容量先選型。

式中PM為電動機輸出功率、η為電動機效率（常取0.85）、cosφ為電動機功率因數（常取0.75）、UM電壓（V）、IM電流（A）、K為電流波形的修正系數（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機輸出功率的1.81倍，即PCN≈1.81PM。

3.2變頻器的參數設置

由于該變頻器支持主、輔頻率運算，便于進行張力PID調節。本系統中，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通訊給定的基準線速度。通過MD380內置的PID調節器，配合主頻率源給定值，實現張力控制的自動調節，變頻器頻率閉環控制系統如圖2所示。在使用MD380變頻器的PID閉環控制時，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功能需要通過設置FA參數組來完成。

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信號的差量進行比例、積分、微分運算，通過調整變頻器的輸出頻率，構成閉環系統，使被控量穩定在目標值。適用于本任務中的張力控制場合，過程PID的控制原理框圖如圖2所示。

變頻器PID調節的相關的功能碼均在FA組功能參數中，FA-00為PID給定源的設定范圍，此參數用于選擇過程PID的目標量給定通道。本系統中選擇通過PLC通訊給定。

FA-01過程PID的設定目標量為相對值，設定范圍為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相對量相同。本系統中選擇100.0%。

FA-02此參數用于選擇過程PID的反饋信號通道。本系統中選擇A11模擬量通道進行反饋。過程PID的反饋量也為相對值，設定范圍為0.0%～100.0%。

FA-03為PID反饋值的作用方向，正作用方向：當PID的反饋信號小于給定量時，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PII的反饋信號小于給定量時，變頻器輸出頻率下降。如放卷的張力控制場合。該參數必須根據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輥之后，則為正作用，如果張力傳感器安裝在傳動輥之前，則為反作用。本系統中，由于三級水洗轉鼓的張力檢測傳感器安裝在傳動輥之前，因此，均選擇為反作用，張力校準和調試如圖3所示。

接下來就是FA-05比例增益Kp1，FA-06積分時間Til，FA-07微分時間Td1，這三個關鍵的PID參數設置了，針對比例增益，由于氨綸紡織品彈性較大，通過多次反復調試各種不同氨綸含量樣品，本系統選擇了25為最佳比例增益值。

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

在一組PID參數調節模式下，系統調試到氨綸含量較多，彈性較大的布匹時，PID調節的響應速度會變得很漫長，不利于系統調試，加減速過程中PID調節不理想，為此需要采用不同PID參數。

本系統即利用了MD380變頻器內置的2個等效PID計算單元的有利條件，利用其特性參數，可以分別設置兩組不同的PID調節參數，適合根據不同的彈性面料，采用不同PID調節特性，分別強調PID的調節速度和精度。其中PID調節器參數FA-15比例增益位Kp2，FA-16積分時間為Ti2，FA-17微分時間為Td2，與參數FA-05～FA-07類似。FA-15設置為30，FA-16設置為1.5秒，FA-17設置為0.2秒，使得系統響應更加積極。

本系統中，FA-18PID參數切換條件選擇為“2”根據偏差自動切換，變頻器內的兩組PID參數根據PID的偏差自動切換。

選擇為自動切換時，給定與反饋之間偏差絕對值小于FA-19參數中PID參數切換偏差1時，PID參數選擇參數組1。給定與反饋之間偏差絕對值大于FA-20參數中PID參數切換偏差2時，PID參數選擇參數組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，PID參數為兩組PID參數線性插補值，如圖4所示。

4設備調試運行

4.1變頻器的主要運行參數設置

根據選擇的電動機功率大小，必須進行電動機參數設置，讓變頻器獲得電動機的運行參數。方法是：首先根據電機功率大小修改電機的F1-01額定功率參數，依次修改電機F1-02～F1-05額定電壓、額定電流、額定頻率和額定轉速。其次按照水洗機的工藝要求，設置啟動、停車加減速時間，根據水洗機的工藝要求，為了保護坯布的彈性，防止起步時的拉扯，必須注意傳動輥的卷徑大小，水洗機要求變頻啟動時不能太快，加減速時間必須嚴格控制。為了達到運行平穩，變頻器的加減速時間設定為3.5秒以上，基本上可以滿足要求。

4.2張力控制設置

（1）將每一個張力架放在水平位置，校準張力傳感器的數值，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定好變頻器的PID調節的參數及相關的輔助參數；

（3）設置好參數后，給整個控制電路重新上電。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，應重新利用砝碼校驗張力傳感器；

（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對應的輸出電壓是否一致，不一致應查明原因并使其一致。

4.3整機調試

（1）先單臺電機調試，軋輥脫開，使其空載運行，測試每臺電機的運行狀態，同時檢測各個軋車的主動輥的轉動線速度是否一致，如果不一致應查明原因進行調整；

（2）啟動后，按加速按鈕開始加速，加速到40米/分鐘左右，再穩步減速到設定初速，最后按下停車按鈕停車。加速過程中，檢測各個軋車主動棍的速度變化情況是否正確，張力反饋是否有變化，頻率值是否根據反饋的張力進行PID運算和調整，必要時，繼續修改變頻器FA參數組里的PID調節參數；

（3）經過上述的開車調試，整個機器基本上就達到了恒張力同步運行。最后連接上新坯布，使整機帶負載運行，按照正常流程開車，觀察整機的同步情況，測試水洗后布匹的PH值是否滿足要求，并微調電氣、機械、溫度、水洗液位等各種影響整機同步運行的擾動因子，使整機達到恒張力可變速同步運行。

5結語

本文按照以上方案對原同步控制的雙振蕩水洗機進行了帶反饋的張力PID控制改造，更加廣泛地適應了各類不同品種、不同寬幅、不同彈性的布匹，大大提高了控制系統的穩定性和可靠性，降低了工人操作的工作量，經受了企業的現場運行考驗，滿足了客戶要求，達到了設計效果。