汇川变频器多级PID调节的实践与分析

黄晓伟 周保廷

摘要：文章通过对水洗机控制系统的分析入手，详细介绍了水洗机张力控制系统的结构和控制方法，阐述了变频器多级PID调节的工作原理、参数设定及运行调试的方法。

关键词：变频器；张力控制；多级PID

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

双振荡式平幅式水洗机是印染厂最常用的设备，主要利用它对坯布进行后整理。老式的调速控制方案就是采用直流电动机调速。新的控制方案是采用交流异步电动机加变频器的方式进行调速。在本文的控制方案中，各电动机通过减速机构和传动轴连接，整机的最高线速度可以达到40米/分钟以上，通过变频器的调速，启动时可以稳步提速，达到平稳过渡，防止瞬间冲击过大，将坯布拉断，系统通过张力传感器进行张力检测反馈，通过PID调节，达到动态稳定，系统具有较高的灵敏度，调速性能稳定可靠。

1调速系统结构简介

平幅水洗机包括进布、补液、汽蒸、对中、水洗、中和、出布这七个主要硬件部分，整个系统的硬件结构图如图1所示。

2控制系统工作原理

在平幅水洗机的张力闭环控制系统中，为了协调控制整个机器的运行速度，采用PLC对变频器进行通信控制，当有开车信号时，PLC通过通信，给定变频器基准线速度，同时控制轧车及转鼓运行，张力传感器及时检测张力大小，并把张力变送器上的标准模拟量电压信号0-10V反馈给PLC和变频器，变频器再根據检测到的张力反馈信号的大小进行多级PID调节，使本单元的电动机转速及时根据反馈的张力信号讲行微调。

3变频器的使用

3.1变频器的选型

平幅式水洗机负载特性为恒转矩负载特性，要求电动机能带负载启动，且能在各种低速状态下连续运行。为此，本系统选用了汇川MD380系列变频器，这是一款通用高性能电流矢量型变频器，主要用于控制和调节三相交流异步电机的运转速度。MD380采用高性能的矢量控制技术，低速高转矩输出，具有良好的动态特性、超强的过载能力。根据汇川MD380变频器的选型手册以及变频器的三个容量计算公式，可以讲行各个变频器的容量先选型。

式中PM为电动机输出功率、η为电动机效率（常取0.85）、cosφ为电动机功率因数（常取0.75）、UM电压（V）、IM电流（A）、K为电流波形的修正系数（PWM方式取1.05～1.1）、ICN：变频器的额定电流（A）、PCN：变频器的额定容量（KVA），通过公式换算，变频器的额定容量可以选择为电动机输出功率的1.81倍，即PCN≈1.81PM。

3.2变频器的参数设置

由于该变频器支持主、辅频率运算，便于进行张力PID调节。本系统中，选择主频率源X+辅助频率源Y的方式，辅助频率源Y为张力传感器检测反馈。主频率源X为PLC通讯给定的基准线速度。通过MD380内置的PID调节器，配合主频率源给定值，实现张力控制的自动调节，变频器频率闭环控制系统如图2所示。在使用MD380变频器的PID闭环控制时，首先需要选定频率源F0-03=8，即选择PID输出频率值。过程控制的PID功能需要通过设置FA参数组来完成。

PID控制是过程控制的一种常用方法，通过对被控量反馈信号与目标信号的差量进行比例、积分、微分运算，通过调整变频器的输出频率，构成闭环系统，使被控量稳定在目标值。适用于本任务中的张力控制场合，过程PID的控制原理框图如图2所示。

变频器PID调节的相关的功能码均在FA组功能参数中，FA-00为PID给定源的设定范围，此参数用于选择过程PID的目标量给定通道。本系统中选择通过PLC通讯给定。

FA-01过程PID的设定目标量为相对值，设定范围为0.0%～100.0%。同样PID的反馈量也是相对量，PID的作用就是使这两个相对量相同。本系统中选择100.0%。

FA-02此参数用于选择过程PID的反馈信号通道。本系统中选择A11模拟量通道进行反馈。过程PID的反馈量也为相对值，设定范围为0.0%～100.0%。

FA-03为PID反馈值的作用方向，正作用方向：当PID的反馈信号小于给定量时，变频器输出频率上升。如收卷的张力控制场合。反作用方向：当PII的反馈信号小于给定量时，变频器输出频率下降。如放卷的张力控制场合。该参数必须根据张力检测传感器安装的位置来决定反馈值的作用方向，如果张力传感器安装在传动辊之后，则为正作用，如果张力传感器安装在传动辊之前，则为反作用。本系统中，由于三级水洗转鼓的张力检测传感器安装在传动辊之前，因此，均选择为反作用，张力校准和调试如图3所示。

接下来就是FA-05比例增益Kp1，FA-06积分时间Til，FA-07微分时间Td1，这三个关键的PID参数设置了，针对比例增益，由于氨纶纺织品弹性较大，通过多次反复调试各种不同氨纶含量样品，本系统选择了25为最佳比例增益值。

FA-06积分时间选择为2秒，由于微分的作用比较敏感，很容易造成系统振荡，为此，把PID微分的作用限制在一个较小范围，微分时间选择为0.5秒。

在一组PID参数调节模式下，系统调试到氨纶含量较多，弹性较大的布匹时，PID调节的响应速度会变得很漫长，不利于系统调试，加减速过程中PID调节不理想，为此需要采用不同PID参数。

本系统即利用了MD380变频器内置的2个等效PID计算单元的有利条件，利用其特性参数，可以分别设置两组不同的PID调节参数，适合根据不同的弹性面料，采用不同PID调节特性，分别强调PID的调节速度和精度。其中PID调节器参数FA-15比例增益位Kp2，FA-16积分时间为Ti2，FA-17微分时间为Td2，与参数FA-05～FA-07类似。FA-15设置为30，FA-16设置为1.5秒，FA-17设置为0.2秒，使得系统响应更加积极。

本系统中，FA-18PID参数切换条件选择为“2”根据偏差自动切换，变频器内的两组PID参数根据PID的偏差自动切换。

选择为自动切换时，给定与反馈之间偏差绝对值小于FA-19参数中PID参数切换偏差1时，PID参数选择参数组1。给定与反馈之间偏差绝对值大于FA-20参数中PID参数切换偏差2时，PID参数选择参数组2。给定与反馈之间偏差处于切换偏差1和切换偏差2之间时，PID参数为两组PID参数线性插补值，如图4所示。

4设备调试运行

4.1变频器的主要运行参数设置

根据选择的电动机功率大小，必须进行电动机参数设置，让变频器获得电动机的运行参数。方法是：首先根据电机功率大小修改电机的F1-01额定功率参数，依次修改电机F1-02～F1-05额定电压、额定电流、额定频率和额定转速。其次按照水洗机的工艺要求，设置启动、停车加减速时间，根据水洗机的工艺要求，为了保护坯布的弹性，防止起步时的拉扯，必须注意传动辊的卷径大小，水洗机要求变频启动时不能太快，加减速时间必须严格控制。为了达到运行平稳，变频器的加减速时间设定为3.5秒以上，基本上可以满足要求。

4.2张力控制设置

（1）将每一个张力架放在水平位置，校准张力传感器的数值，分别为O张力和20KG张力，使输出为OV-10V的范围；

（2）按照本文介绍的方法设定好变频器的PID调节的参数及相关的辅助参数；

（3）设置好参数后，给整个控制电路重新上电。检查张力传感器的供电电源，检查张力传感器的输出信号是否正确，如果不正确，应重新利用砝码校验张力传感器；

（4）合上所有张力传感器供电电源，保持张力架的平衡位置，检测上述步骤4对应的输出电压是否一致，不一致应查明原因并使其一致。

4.3整机调试

（1）先單台电机调试，轧辊脱开，使其空载运行，测试每台电机的运行状态，同时检测各个轧车的主动辊的转动线速度是否一致，如果不一致应查明原因进行调整；

（2）启动后，按加速按钮开始加速，加速到40米/分钟左右，再稳步减速到设定初速，最后按下停车按钮停车。加速过程中，检测各个轧车主动棍的速度变化情况是否正确，张力反馈是否有变化，频率值是否根据反馈的张力进行PID运算和调整，必要时，继续修改变频器FA参数组里的PID调节参数；

（3）经过上述的开车调试，整个机器基本上就达到了恒张力同步运行。最后连接上新坯布，使整机带负载运行，按照正常流程开车，观察整机的同步情况，测试水洗后布匹的PH值是否满足要求，并微调电气、机械、温度、水洗液位等各种影响整机同步运行的扰动因子，使整机达到恒张力可变速同步运行。

5结语

本文按照以上方案对原同步控制的双振荡水洗机进行了带反馈的张力PID控制改造，更加广泛地适应了各类不同品种、不同宽幅、不同弹性的布匹，大大提高了控制系统的稳定性和可靠性，降低了工人操作的工作量，经受了企业的现场运行考验，满足了客户要求，达到了设计效果。