lc第七章PID和变频器控制教学文稿

lc第七章PID和变频器控制1.PID控制在工业控制中，PID控制（比例-积分-微分控制）得到了广泛的应用，这是因为PID控制具有以下优点：1）不需要知道被控对象的数学模型。实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。2）PID控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式，如PI、PD、带死区的PID、积分分离式PID、变速积分PID等。随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。第一节、PLC的PID控制2.PLC实现PID控制的方法PLC实现PID控制的方法1）使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。2）使用PID功能指令。现在很多中小型PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与A/D、D/A模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，价格却便宜得多。3）使用自编程序实现PID闭环控制。有的PLC没有有PID过程控制模块和PID控制指令，有时虽然有PID控制指令，但用户希望采用变型PID控制算法。在这些情况下，都需要由用户自己编制PID控制程序[S1]指定目标值(SV),[S2]指定测量值(PV)，[S3]指定PID运算参数的首址。参数表占用25个数据寄存器。PID运算后的结果存入[D]中。PID指令是用来调用PID运算程序，在PID运算开始之前，应使用MOV指令将参数设定值预先写入对应的数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。如果目标操作数[D]有断电保持功能，应使用初始化脉冲M8002的常开触点将其复位。3.FX2N的PID指令PID控制参数及设定4.PID参数的整定比例系数Kp越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，Kp过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度，但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。积分时间常数TI增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是消除稳态误差的速度减慢。微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。微分时间常数TD增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。选取采样周期TS时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，TS越小越好。但是TS太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将TS取得过小。第二节PLC控制变频器的方法由电机拖动中交流调速的相关知识可知，变频调速的性能最好。变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运行效率高，是一种理想的调速系统。目前，交流调速系统的性能已经可以达到或超过直流调速系统。在不久的将来，交流变频调速电气传动将替代包括直流调速传动在内的其他调速电气传动。异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变电机的定子电压和频率，必须通过变频装置获得电压和频率都可调的电源，实现所谓的VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）调速控制，这类能实现变频调速功能的变频调速装置称之为变频器。随着现代功率电子技术的发展，变频器的性能日新月异，有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便并且便于同其他设备接口等一系列优点。一、变频器概述二、三菱VS-616G5变频器外部接线图VS-616G5变频器属于电压型变频器,它包括了4种控制方式：V/F控制、带PG反馈的V/F控制、无传感器的磁通矢量控制和带PG反馈的磁通矢量控制.主电路电源端子R、S、T经交流接触器和自动空气断路器与电源连接，无需考虑相序。变频器输出电源接到端子U、V、W上。变频器的保护功能动作时，相应的继电器吸合，其常闭触点断开变频器电源侧主电路接触器的线圈电路，从而切断变频器主电路的电源。请勿以主电路的通断来进行变频器的运行、停止操作，必须通过控制电路端子1或端子2来操作。DC电抗器连接端子⊕+1和⊕+2是连接改善功率因数用电抗器的端子。这两端子在出厂时接有短路片，对于30KW以上变频器需配置DC电抗器时，卸掉短路片后再连接。对小容量变频器，内设制动电阻接在B1和B2端子上。对较大容量变频器，需连接外部制动电阻时，接在端子B1、B2上。变频器必须可靠接地。1、主电路的连接2、控制电路端子的功能说明（1）输入信号：包括对运行/停止、正转/反转、点动等运行状态进行操作的数字操作信号。变频器通常利用继电器接点或者晶体管集电极开路形式得到这些运行信号，如PLC的继电器输出电路或PLC的晶体管输出电路。PLC的输出端口可以和变频器的上述信号端子直接相连接。（2）监测输出信号：包括故障检测信号、速度检测信号、频率信号和电流信号等。分为开关量检测信号和模拟量检测信号两种，用来和其他设备配合以组成控制系统。模拟量检测输出信号既可根据需要送给电流表或频率表，也可以送给PLC的模拟量输入模块。开关量检测信号，它们是通过继电器接点或晶体管集电极开路的形式输出，额定值均在24V/50mA之上，完全符合FX系列PLC对输入信号的要求，所以可以将变频器的开关量检测信号和FX系列PLC的输入端直接相连接，从而实现信号的反馈控制。控制电路端子的功能说明三、VS-616G5变频器多级调速的PLC控制可以利用PLC的开关量输入输出模块对变频器的多功能输入端进行控制，实现三相异步电动机的正反转、多速控制。可以利用变频器的数字操作器对多功能输入、输出端子的功能重新进行设定（表7-1中为出厂时所设定）。用数字操作器对参数H1-01～H1-06进行设定，可实现多达9段速运行。设定情况如下表所示。多段速参数的设定设定方法：点动运转是一种与所设置的加减速时间无关的、单步的、以点动频率运转的驱动功能。变频器的5、6、7端子经过功能设定后再通过通断组合，可控制8挡频率，连同端子8对应的点动频率，共可实现9段速的控制。每挡相应的频率可以通过数字操作器对参数d1-01～d1-09的设置而定（范围0～400Hz）。多段频率的选择图是利用FX1N-24MR型PLC和VS-616G5变频器实现9段速的硬件接线图。Y6、Y7、Y10和Y11全为OFF时，电机以频率指令1对应的频率运行（d1-01设定的值）；Y6为ON，而Y7、Y10和Y11全为OFF时，电机以频率指令2对应的频率运行（d1-02设定的值），依次类推。变频器的数字量检测信号直接和PLC的输入端相连。实际控制中9段速和所有检测信号未必一定全部采用，需根据具体情况而定。应用举例：四、VS-616G5变频器无级调速的PLC控制无级调速是指频率指令信号从变频器的模拟输入端子输入。变频器可以利用自身的频率设定电源来进行频率指令的设定，如VS-616G5变频器外部接线图所示。在生产实际中，频率指令信号一般来自于调节器或者PLC。PLC必须配置模拟量输出模块，将输出的0-10V或4-20mA模拟量信号送给变频器相应的电压或电流输入端。这种PLC控制变频器的调速方法，优点是硬件上接线简单，可实现无级调速，缺点是PLC的模拟量输出模块价格较高。系统设计时，须根据变频器的输入阻抗来选择PLC的模拟输出模块，选用的PLC模拟量输出模块的信号范围和变频器的输入信号范围一致。五、VS-616G5变频器、PLC在速度检测和位置控制时的接线配置专用的高速计数模块和运动控制模块。选用特殊功能扩展模块，增加系统的硬件投资。将PLC基本单元内部的内置高速计数器和变频器的速度卡配合使用，节省硬件费用。工业控制中，实现速度和位置的闭环控制方法：与电机同轴相连的脉冲输出式旋转编码器PG会随着电机的转动而发出相位互差90°的A、B两相脉冲，变频器速度卡PG-B2能够接收这两相脉冲，并将其转换为与实际转速相应的数字信号送给变频器，变频器将实际速度与内部的给定速度相比较，从而调节变频器的输出频率和电压。编码器起着检测运行速度、运行位置和运行方向的作用，它和VS-616G5变频器速度卡PG-B2之间用屏蔽电缆相连接，该电缆连接于PG-B2卡上的TA1端子上，TA2端子为两相脉冲的监视输出端子，屏蔽端接在卡上的TA3端子上。TA1端子的1、2分别为给编码器供电的正负电源+12V、0V。如果程序中使用的是1相1计数计数器C235-C245中的一个计数器，则TA2端子中只使用一相输出即可，例如使用A相，则把TA2的2号端子和PLC的输入端COM连接，而TA2的1号端子则需要根据所使用的计数器查相关PLC手册来定，计数器的计数的方向由M8△△△的状态来决定。如使用C237，1号端子就需和X2连接；如使用C243，1号端子就需和X4连接。图为FX2N-64MR、VS-616G5、PG-B2卡和旋转编码器PG在某系统中的硬件接线图。PG-B2卡的TA2输出端子的使用情况与PLC程序中所使用的高速计数器有关。如果程序中使用的是1相2计数计数器C246-C250中的一个计数器，则TA2端子中也只使用一相输出，以使用A相为例，同样把TA2的2号端子和PLC的输入端COM连接，而TA2的1号端子则需要根据所使用的计数器的计数方向查手册来定，如C246的加计数时TA2的1号端子和X0连接，而C246的减计数时TA2的1号端子和X1连接；如C248的加计数时TA2的1号端子和X3连接，而C248的减计数时TA2的1号端子和X4连接。如果程序中使用的是2相2计数输入计数器C251-C255中的一个，则TA2端子的两相输出都需使用，TA2的2、4输出端子连在一起后与PLC的输入端COM相连接，1、3端子连接的PLC输入端口随计数器的不同而不同，如使用C251，则TA2的1、3端子连接PLC的X0、X1端口（如图所示）；如使用C255，则TA2的1、3端子连接PLC的X3、X4端口。运行前，须由数字操作器设置变频器参数F1-05，以决定正转时A、B两相脉冲那一相超前。设定值“0”的场合，意味着正转时A相输入在接通期间B相输入由断开变为接通，A、B的这种相位关系使计数器加计数。通过上述设置，在电机正转时计数器自动加计数，反转时计数器自动减计数。由M8△△△的状态可以监视计数器的加减状态。结束