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五 变频器的系统控制功能

 1  变频器的内置程序控制功能

1.1 基本概念 
各种变频器都具有按时间控制的程序控制功能，在一个运行周期中，可以划分为若干个程序步。各程序步的工作频率、运行时间以及加、减速的快慢都由用户根据生产工艺的需要来进行预置。
(1) 程序步的划分
程序步是按运行频率的不同而划分的，如图1所示。一个周期内各程序步需要预置的内容如下:

图1   变频器的编程功能

l 程序步1:工作频率为f1，运行时间为t1(包括加速过程所需的时间)，加速时间为tA1;
l 程序步2:工作频率上升为f2，运行时间为t2(包括加速过程所需的时间)，加速时间为tA2;
l 程序步3:工作频率下降并反转至f3，运行时间为t3(包括正转减速和反转加速过程所需时间)，减速时间和加速时间分别为tD3和tA3;
l 程序步4:工作频率下降为f4(反转)，运行时间为t4(包括减速过程所需时间)，减速时间为tD4。
(2) 各程序段内加速过程时间的计算
变频器中，加速时间tA和减速时间tD分别定义为从0Hz上升至基本频率fBA(通常为额定频率fN)以及从基本频率fBA下降至0Hz所需的时间，如图2所示。

图2   加速时间和加速过程时间

在进行功能预置时，应该考虑到:由于各程序步的加速(或减速)过程常常不是在0Hz与fBA之间进行的。所以，每个程序步的实际加速(或减速)时间并不等于预置的加速(或减速)时间。
由图2知，各程序步在加速过程中，实际加速所需时间的计算方法如下:
程序步1的实际加速时间Δt1: 
     
程序步2的实际加速时间Δt2: 
    
1.2 变频器的功能设置
(1) 程序控制的选择功能
l 有效选择 即选择程序控制功能是否有效。
l 循环选择 选择在一个运行周期结束后，是否需要周而复始地循环运行，或以何种状态运行。主要的方式有:
单循环:运行一个周期后停止;
连续循环:在无停机指令的情况下，循环不止;
循环一周后以最后程序步的转速运行。
(2) 变频器的功能设置举例
以富士G11S系列变频器为例, 其程序控制功能如表1所示。

1.3 程序控制的应用举例
某工业洗涤机的脱水机:在脱水过程中，为了加强脱水效果，要求随着衣物水分的减少，逐渐加快转速。最后，能在较高转速下甩干2min。
电动机的主要额定数据:PMN＝7.5kW，4极;
脱水机的传动比:λ＝4。
则根据操作人员的经验，确定脱水程序如下:
(1) 程序控制方式选择
由于脱水完毕后，不需要重复运行，故选择“运行1个周期后停止”。
(2) 第1程序步
由于所要求的计算精度不高，为简便起见，计算中将不考虑转差率的问题。
因为衣物已被浸透，负荷很重，不宜高速运行，加速过程也不宜太快。故:
l 工作频率:fX1=25Hz，对应的电动机转速:
nM1≈750r/min，负载转速: nL1≈187.5r/min;
l 工作时间:t1=3min;
l 加速时间:tA1=60s，实际加速时间Δt1=30s。
(3) 第2程序步
经过低速运行，衣物中的大部分水分已经甩掉，负荷大为减轻，可提高转速，加速过程也可适当加快。故:
l 工作频率:fX1=50Hz，对应的电动机转速:
nM2≈1500r/min，负载转速:nL2≈375r/min;
l 工作时间:t2＝2min;
l 加速时间:tA2＝40s，实际加速时间Δt2＝20s。
(4) 第3程序步
衣物已基本甩干，为了增强脱水效果，可再加速进行高速脱水，因负载已经较轻，故加速过程也可进一步加快。故:
l 工作频率:fX3＝90Hz，对应的电动机转速:
nM3≈2700r/min，负载转速: nL3≈675r/min;
l 工作时间:t3＝2min;
l 加速时间:tA3＝30s, 实际加速时间Δt3＝24s。
(5) 程序结束
由于脱水滚筒的惯性较大，故减速时间可预置得和第1加速时间相同:减速时间:tD1=60s，实际减速时间   Δt4=108s。全部工作程序如图3所示。

图3   甩干机程序

2  PID控制的基础概念

2.1 自动调节的控制过程
本文的所谓自动调节控制，是指在生产过程中，对于某一个或若干个物理量进行自动调节的控制。在多数情况下，常常是恒值控制，如恒压控制、恒温控制等。
以空气压缩机为例，说明如下:
(1) 装置构成
如图4所示，电动机M拖动空气压缩机运转，使之产生压缩空气，并储存于储气罐中。储气罐中的空气要求保持一定的压力pT, 以便向用户提供压力稳定的压缩空气。

图4   空气压缩机的控制要求

(2) 控制过程
图4中，pT是储气罐要求保持的压力, 称为目标压力。
当用户的用气量增加，使储气罐内的实际压力小于目标压力时，电动机应加速，以增大储气罐内的空气压力，如图4(a)所示;
反之，当用户的用气量减少，使储气罐内的实际压力大于目标压力时，电动机应减速，以减小储气罐内的空气压力，如图4(b)所示。
2.2 PID控制系统的含义与构成
(1) PID调节的含义
PID调节的全称是比例、积分、微分调节，是闭环控制中一种重要的调节手段，目的是使被控物理量迅速而准确地无限接近于控制目标。从根本上说，是使空气压缩机产生压缩空气的能力(在本系统中，取决于电动机的转速nM)和用户用气量之间保持平衡。
(2) PID调节的控制信号
在实行PID调节时，必须至少有两种控制信号:
l 目标信号
通常也称为目标值或目标给定信号, 是与被控物理量的控制目标(如图4中之pT)对应的信号, 用XT表示。在图5中, XT的大小由电位器RP根据实际要求给定, 接至变频器的给定输入端VRF(当变频器的PID功能有效时, VRF端的作用将自动地由原来的频率给定转变为目标值给定);

图5    PID控制系统的接线

l 反馈信号 　
也称为当前值，是通过传感器SP测得的与被控物理量的实际值对应的信号，用XF表示，接至变频器的反馈输入端VPF。
PID调节功能将随时对XF与XT进行比较，以判断是否已经达到预定的控制目标。具体地说，它将根据两者的差值(XT-XF)，利用比例(Ｐ)、积分(Ｉ)、微分(Ｄ)的手段对被控物理量进行调整，直至反馈信号与目标信号基本相等(XT≈XF)，达到预定的控制目标为止。
2.3 P(比例)、I(积分)、D(微分)的控制作用
(1) 比例控制
l 恒压控制的基本工作过程
如上述，变频器输出频率fX的大小由XT和XF的比较结果(XT-XF)来决定。

图6  控制要求与频率给定的矛盾

如储气罐压力p超过了目标值，则:XF＞XT→(XT-XF)＜０→fX↓→电动机转速nX↓→储气罐压力p↓→直至与所要求的目标压力相符(XF≈XT)为止。
反之，如储气罐压力p低于目标值, 则:XF＜XT→(XT-XF)＞0→fX↑→电动机转速nX↑→储气罐压力p↑→直至与所要求的目标压力相符(XF≈XT)为止。
l 问题的提出
一方面，为了使储气罐内维持一定的压力，电动机必须保持一定的转速。所以，变频器的频率给定信号XG和输出频率应保持在与电动机转速对应的数值上;
另一方面，如上述，变频器的输出频率(从频率给定信号XG)的大小取决于(XT-XF)，而控制系统的最终目标是XT-XF≈0。
于是出现了明显的矛盾:如果XG＝XT－XF≈0的话，使变频器的输出频率fX≈0，空气压缩机将停机，这显然和上面的要求不符。
l 比例增益
为了使储气罐维持一定的压力，空气压缩机必须保持运行状态。所以，将变频器的频率给定信号及输出频率保持在一定范围内是必要的。为此:
令  
式中，XG—频率给定信号; 
    KP—放大倍数，也叫比例增益。
就是说，将(XT－XF)放大了ＫP倍后再作为频率给定信号，如图7所示。

图7   引入比例增益

由式(3):
 
在这里，当空气压缩机需要以一定的转速nG1运行时，与之对应的变频器输出频率为fX1，频率给定信号为XG1。则由式(4):KP越大，(XT-XF)越小，XF越接近于XT。这种控制过程，称为比例放大环节。
显然，因为XG不能等于０，所以，XF只能是无限接近于XT，却不能等于XT。这说明，XF和XT之间总会有一个差值，称为静差，用ε表示。不消说，静差值应该越小越好。
假设在某一状态下, 所需要的频率给定信号XG1=4V, 则静差ε与比例增益ＫP之间的关系如表2所示。显然，比例增益(KP)越大，静差(ε)越小，如图8(a)所示。

图8   P的作用与振荡

为了减小静差，应尽量增大比例增益，但由于系统有惯性，因此，KP太大了，当XF随着用户用气量的变化而变化时，XG＝KP(XT-XF)有可能一下子增大(或减小)了许多，使变频器的输出频率很容易超调(调过了头)，于是又反过来调整，引起被控量(压力)忽大忽小，形成振荡，如图8(b)所示。
(2) 积分与微分控制
(a) 积分控制
为了消除系统的振荡，引入了积分环节，其目的是:
使给定信号XG的变化与乘积KP(XT-XF)对时间的积分成正比。意思是说，尽管KP(XT-XF)一下子增大(或减小)了许多，但XG只能在“积分时间”内逐渐地增大(或减小)，从而减缓了XG的变化速度，防止了振荡。积分时间越长，XG的变化越慢。
只要偏差不消除(ε＝XT-XF≠0)，积分就不停止，从而能有效地消除静差，如图9(a)所示。
但积分时间(I)太长，又会发生当用气量急剧变化时，被控量(压力)难以迅速恢复的情况。
(b) 微分控制
微分控制是根据偏差变化率的大小，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服了因积分时间太长而使恢复滞后的缺点，如图9(b)所示。

图9   积分与微分环节

(3) PID的控制逻辑
(a) 负反馈  
如上述空气压缩机的恒压控制中, 压力越高(反馈信号越大)，要求电动机的转速越低。这样的控制方式，称为负反馈，这种控制逻辑, 称为正逻辑, 如图10中之曲线①所示。
(b) 正反馈  
在空调机的温度控制中，温度越高(反馈信号越大)，要求电动机转速也越高。这样的控制方式，称为正反馈，这种控制逻辑，称为负逻辑，如图10中之曲线②所示。

图10  控制逻辑

(4) 目标信号的确定
(a) 出现的问题  
一方面，目标信号的具体数值是和所选压力传感器的量程有关的。例如，当目标压力为0.6MPa时，有: 如所选压力传感器的量程为0~1.0MPa(4~20mA电流输出)，则对应于0.6MPa的目标信号为13.6mA，如图11(a)所示; 如所选压力传感器的量程为0~5.0MPa(4~20mA电流输出)，则对应于0.6MPa的目标信号为5.92mA，如图11(b)所示。
另一方面，常用的目标值给定方式主要有两种:
电位器给定如图7所示, 其给定信号是电压信号。虽然可以求出与0.6MPa对应的电压值，但显示屏上却难以显示;
面板给定 即直接通过面板上的键盘来给定。但是，给定信号如何确定？
l 解决方法
目标信号的大小由传感器(SP)量程的百分数表示。上例中:
当SP的量程为0～1.0MPa时，目标值为60％，如图11(a)所示;
当SP的量程为0～5.0MPa时，目标值为12％，如图11(b)所示。

图11   确定目标信号

这样，在调节目标信号时，显示屏上只需显示百分数就可以了。
所以，变频器在预置为PID功能有效时，不论是目标信号，或是反馈信号，显示屏都将显示百分数。

3  PID功能应用举例

3.1应用实例1—车间恒压供水
(1) 恒压供水的目的
对供水系统进行的控制，归根结底，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力(由供水流量ＱG表示)和用水需求(由用水流量ＱU表示)之间的平衡情况有关:
如:供水能力ＱG＞用水需求QU, 则压力上升(p↑);
如:供水能力ＱG＜用水需求ＱU, 则压力下降(p↓);
如:供水能力ＱG=用水需求ＱU, 则压力不变(p=const)。
可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。
(2) 车间供水的特点
l 供水范围较小。故用水流量的起伏较大, 最小时，用水流量几近于0;
l 一般说来, 工厂的车间都是低层建筑，其实际扬程较小，故频率调节范围大。在单泵供水的情况下，下限频率甚至可达10Hz以下;
l 某些车间的冲洗用水，常常具有突发性:需要冲洗时，用水流量很大;不冲洗时，用水流量又很小。因此，与其他供水系统相比，对动态响应有一定的要求。
(3) 恒压供水的工作过程 
图12所示是变频调速恒压供水系统在正常工况下的PID调节过程。图12(a)所示是管道内流量Q的变化情形;图12(b)所示是供水压力p(从而反馈量XF)的变化情形，由于PID调节的结果，它的变化是很小的;图12(c)所示是管道内流量发生变化(从而供水压力也变化)时，PID的调节量   ΔPID，调节量ΔPID只是在压力反馈量XF与目标值XT之间有偏差时才出现。在无偏差的情况下，ΔPID＝0; 图12(d)所示是变频器输出频率fX和电动机转速nX的变化情形。具体工作过程如下:

图12   恒压供水的正常工况

l 稳态运行 　
水泵装置的供水能力与车间的用水需求处于平衡状态(QG＝QU)，供水压力p稳定而无变化，反馈信号与目标信号近乎相等(XF≈XT)，PID的调节量ΔPID为0，电动机在频率fX下匀速运行，如图12中之0～t1段;
l 用水流量增加
当车间的用水流量增大，超过了供水能力(QU＞QG)时，供水压力p有所下降，反馈信号XF减小，合成信号(XT-XF)则增大，PID产生正的调节量(ΔPID为“＋”)，变频器的输出频率fX和电动机的转速nX上升，使供水能力QG增大，压力回复，如图12中之t1～t2段。
当压力p由于水泵转速的升高而恢复到目标值时，PID的调节量减小为0(ΔPID＝0)，变频器的输出频率fX和电动机的转速nX不再上升，供水系统在新的平衡状态(QG＝QU)下稳定运行，如图12中之t2～t3段。
l 用水流量减小 　
当车间的用水流量减少时，供水能力QG＞用水需求QU，则供水压力上升，反馈信号XF增大，合成信号(XT-XF)则减小，PID产生负的调节量(ΔPID为“－”)。结果是变频器的输出频率fX和电动机的转速nX下降，使供水能力QG下降，压力又开始回复，如图12中之t3～t4段。
当压力大小由于水泵转速的降低而重又回复到目标值时，供水能力与用水需求重又取得新的平衡(QG＝QU)，系统恢复稳定运行，如图12中t4以后的情形。
(4) 控制电路和功能预置
l 控制电路
图13中, UF是变频器(选用富士P11S系列)，M是水泵电动机，SP是压力传感器，其基本接法如右上角虚线框内所示。

图13   车间恒压供水电路

目标值由电位器RP给定，从端子12输入;SP输出的反馈信号接至C1端。
(b) 功能预置
如表3所示。

3.2 应用实例2—风机调速的恒温控制
如图14，空调机产生的冷空气，由鼓风机经通风管道吹入会议室，使会议室降温，并要求保持恒温状态。图中，RT是测温电阻，TC是温度控制器。
(1) 主要特点
l 会议室的温度越高, 要求进一步降温, 变频器的输出频率(从而风机的转速)应上升，所以，是正反馈;
l 变频器有PID调节功能，温度控制器也有PID调节功能，两者都可用，但控制方法稍有区别。
(2) 方案1－采用变频器的PID功能  
l 电路构成 　
温度控制器仅仅将测温电阻的信号转换成电流信号，作为变频器的反馈信号，接至C1端。温度控制的目标信号由变频器外接的电位器RP给定，从端子12输入。温度控制器的PID功能不用，或只用P功能，如图14所示。

图14   用变频器的PID功能进行恒温控制

l 工作特点 
因为当变频器的PID功能有效时，其“加速时间”和“减速时间”功能将失效，电动机的加、减速过程是由PID调节功能控制的，而鼓风机的惯性较大。所以，在起动过程中容易因过电流而跳闸。但在恒温过程中，由于温度本身的变化比较缓慢，运行是正常的。因此，须注意预置加速过程的“防跳闸”功能。
(3) 方案2－由温度控制器进行PID调节  
即变频器的PID功能预置为无效，PID调节由温度控制器来实现。
l 电路构成 
因为温度控制的目标值以及P、I、D的具体设置，都通过温度控制器TC的面板进行给定。所以，温度控制器TC输出的电流信号将直接作为变频器的频率给定信号，如图15所示。

图15   用变频器的PID功能进行恒温控制

l 工作特点
变频器可根据鼓风机惯性大的特点来预置加、减速的时间和方式。但变频器加、减速时间的加入，相当于延长了积分时间。因此，温度控制器的积分时间可以设置得短一些。
这种方法因为加、减速时间是固定的, 无法与温度控制器的比例增益进行有机的配合，故灵敏度稍低。但由于温度本身的变化比较缓慢, 在实际使用中, 并不存在问题。
温度控制器中“P”的概念与变频器不同:
变频器中的“P”，就是比例增益，或称放大倍数，用KP表示;
但温度控制器中的“P”, 通常是指比例带, 意思是按比例变化的区域，数值上与KP正好互为倒数:
     (5)
如图16, 图(a)中, 当自变量X改变增量ΔX时, 曲线①的函数增量为ΔY1，而曲线②的函数增量为ΔY2。假设:ΔY2＞ΔY1, 则曲线②的比例增益比曲线①大:KP2＞KP1。

图16   比例增益与比例带

但在函数的变化范围相同的前提下，比例增益大者，按比例变化的区域(比例带P2)则小，如图(b)中之曲线②'所示;反之，比例增益小者，按比例变化的区域(比例带P1)则大，如图(b)中之曲线①'所示。故有:
     KP2＞KP1→P2＜P1
故在对温度控制器进行PID设定时，必须特别注意。

4  PID功能的熟悉与调试

4.1 PID功能的模拟调试
对于一些不大熟悉PID调节功能的读者来说，在正式调试前，可以在不接负载的情况下，先通过模拟调试来熟悉变频器的PID调节功能。具体方法介绍如下:
(1) 接线
如图17，目标值输入:由电位器RP1取出电压信号，接至端子12; 反馈量输入:由端子C1输入模拟反馈量的电流信号，调节电位器RP2，可调节电流信号的大小，以模拟反馈量的变化(R'为限流电阻，用于防止电池短路)。

图17   PID功能的模拟调试

(2) 模拟调试
l 调节RP1，使目标值XT为一中间值(50%左右);
l 调节RP2, 使反馈值XF逐渐增大或减小, 则当XF＞XT时，电动机开始起动并不断升速，直至上限转速; 当XF＜XT时, 电动机开始不断降速, 直至下限转速。
在实际运行过程中，电动机升速或降速时，反馈值XF将随之发生变化，当XF＝XT时，电动机将不再升速或降速。但在模拟调试时，反馈值XF不能随转速而变化。所以，只要变频器的输出频率未受到限制，加速或减速过程将不会停止。
l 加大“P”, 则升速和降速过程加快;加大“I”, 则升速和降速过程减慢。
4.2 系统调试
当控制系统正式运行后，调试的基本规律是:
如被测量忽大忽小地“振荡”，应加大“I”;
如被测量偏离控制目标后恢复得太慢, 则应加大“P”