plc第七章PID和變頻器控制

1、plc第七章PID和變頻器控制 在工業(yè)控制中，在工業(yè)控制中，PIDPID控制（比例控制（比例- -積分積分- -微分控制）得到微分控制）得到了廣泛的應用，這是因為了廣泛的應用，這是因為PIDPID控制具有以下優(yōu)點：控制具有以下優(yōu)點： 1 1）不需要知道被控對象的數(shù)學模型。實際上大多數(shù)工業(yè)）不需要知道被控對象的數(shù)學模型。實際上大多數(shù)工業(yè)對象準確的數(shù)學模型是無法獲得的，對于這一類系統(tǒng)，使用對象準確的數(shù)學模型是無法獲得的，對于這一類系統(tǒng)，使用PIDPID控制可以得到比較滿意的效果。控制可以得到比較滿意的效果。 2 2）PIDPID控制器具有典型的結構，程序設計簡單，參數(shù)調整控制器具有典型的結構，程序

2、設計簡單，參數(shù)調整方便。方便。 3 3）有較強的靈活性和適應性，根據(jù)被控對象的具體情況，）有較強的靈活性和適應性，根據(jù)被控對象的具體情況，可以采用各種可以采用各種PIDPID控制的變種和改進的控制方式，如控制的變種和改進的控制方式，如 PIPI、PDPD、帶死區(qū)的帶死區(qū)的PIDPID、積分分離式、積分分離式PIDPID、變速積分、變速積分PIDPID等。等。 隨著智能控制技術的發(fā)展，隨著智能控制技術的發(fā)展，PIDPID控制與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)控制與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等現(xiàn)代控制方法相結合，可以實現(xiàn)絡控制等現(xiàn)代控制方法相結合，可以實現(xiàn)PIDPID控制器的參數(shù)控制器的參數(shù)自整定，使自整定，使PID

3、PID控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。 第一節(jié)、第一節(jié)、PLCPLC的的PIDPID控制控制 1 1）使用）使用PIDPID過程控制模塊。這種模塊的過程控制模塊。這種模塊的PIDPID控制程序是控制程序是PLCPLC生生產(chǎn)廠家設計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需要產(chǎn)廠家設計的，并存放在模塊中，用戶在使用時只需要設置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制設置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。但是這種模塊的價格昂貴，幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。但是這種模塊的價格昂貴，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。如三菱的一般在大型控制系統(tǒng)中使用。如三菱的

4、A A系列、系列、Q Q系列系列PLCPLC的的PIDPID控制模塊。控制模塊。2 2）使用）使用PIDPID功能指令。現(xiàn)在很多中小型功能指令。現(xiàn)在很多中小型 PLCPLC都提供都提供PIDPID控制控制用的功能指令，如用的功能指令，如FX2NFX2N系列系列PLCPLC的的PIDPID指令。它們實際上指令。它們實際上是用于是用于PIDPID控制的子程序，與控制的子程序，與A/DA/D、D/AD/A模塊一起使用，可模塊一起使用，可以得到類似于使用以得到類似于使用PIDPID過程控制模塊的效果，價格卻便宜過程控制模塊的效果，價格卻便宜得多。得多。3 3）使用自編程序實現(xiàn)）使用自編程序實現(xiàn)PIDP

5、ID閉環(huán)控制。有的閉環(huán)控制。有的PLCPLC沒有有沒有有PIDPID過程過程控制模塊和控制模塊和 PIDPID控制指令，有時雖然有控制指令，有時雖然有PIDPID控制指令，但控制指令，但用戶希望采用變型用戶希望采用變型PIDPID控制算法。在這些情況下，都需要控制算法。在這些情況下，都需要由用戶自己編制由用戶自己編制PIDPID控制程序控制程序 S1S1指定目標值指定目標值(SV),S2(SV),S2指定測量值指定測量值(PV)(PV)，S3S3指定指定PIDPID運算參數(shù)的首運算參數(shù)的首址。參數(shù)表占用址。參數(shù)表占用2525個數(shù)據(jù)寄存器。個數(shù)據(jù)寄存器。PIDPID運算后的結果存入運算后的結果存

6、入DD中。中。 PIDPID指令是用來調用指令是用來調用PIDPID運算程序，在運算程序，在PIDPID運算開始之前，應使用運算開始之前，應使用MOVMOV指令指令將參數(shù)設定值預先寫入對應的數(shù)據(jù)寄存器中。如果使用有斷電保持功能的將參數(shù)設定值預先寫入對應的數(shù)據(jù)寄存器中。如果使用有斷電保持功能的數(shù)據(jù)寄存器，不需要重復寫入。如果目標操作數(shù)數(shù)據(jù)寄存器，不需要重復寫入。如果目標操作數(shù)DD有斷電保持功能，應有斷電保持功能，應使用初始化脈沖使用初始化脈沖M8002M8002的常開觸點將其復位。的常開觸點將其復位。 n 比例系數(shù)比例系數(shù)K K p p越大，比例調節(jié)作用越強，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高；但越大，比例調節(jié)

7、作用越強，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高；但是對于大多數(shù)系統(tǒng)，是對于大多數(shù)系統(tǒng)，K K p p過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低降低n 積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但是積分作用的動作積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但是積分作用的動作緩慢，可能給系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性帶來不良影響。積分時間常數(shù)緩慢，可能給系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性帶來不良影響。積分時間常數(shù)T T I I增大時，積分作用減弱，系統(tǒng)的動態(tài)性能（穩(wěn)定性）可能有所改善，增大時，積分作用減弱，系統(tǒng)的動態(tài)性能（穩(wěn)定性）可能有所改善，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。n 微分部分是根據(jù)誤

8、差變化的速度，提前給出較大的調節(jié)作用。微分微分部分是根據(jù)誤差變化的速度，提前給出較大的調節(jié)作用。微分部分反映了系統(tǒng)變化的趨勢，它較比例調節(jié)更為及時，所以微分部部分反映了系統(tǒng)變化的趨勢，它較比例調節(jié)更為及時，所以微分部分具有超前和預測的特點。微分時間常數(shù)分具有超前和預測的特點。微分時間常數(shù)T T D D增大時，超調量減小，增大時，超調量減小，動態(tài)性能得到改善，但是抑制高頻干擾的能力下降。動態(tài)性能得到改善，但是抑制高頻干擾的能力下降。n 選取采樣周期選取采樣周期T T S S時，應使它遠遠小于系統(tǒng)階躍響應的純滯后時間時，應使它遠遠小于系統(tǒng)階躍響應的純滯后時間或上升時間。為使采樣值能及時反映模擬量的

9、變化，或上升時間。為使采樣值能及時反映模擬量的變化，T T S S越小越好。越小越好。但是但是T T S S太小會增加太小會增加CPUCPU的運算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒的運算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，所以也不宜將有什么變化，所以也不宜將T T S S取得過小。取得過小。 第二節(jié)第二節(jié) PLCPLC控制變頻器的方法控制變頻器的方法 由電機拖動中交流調速的相關知識可知，變頻調速的性能由電機拖動中交流調速的相關知識可知，變頻調速的性能最好。變頻調速電氣傳動調速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運最好。變頻調速電氣傳動調速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率高，是一種理想的調速系統(tǒng)。目前，交

10、流調速系統(tǒng)行效率高，是一種理想的調速系統(tǒng)。目前，交流調速系統(tǒng)的性能已經(jīng)可以達到或超過直流調速系統(tǒng)。在不久的將來，的性能已經(jīng)可以達到或超過直流調速系統(tǒng)。在不久的將來，交流變頻調速電氣傳動將替代包括直流調速傳動在內的其交流變頻調速電氣傳動將替代包括直流調速傳動在內的其他調速電氣傳動。他調速電氣傳動。 異步電動機的變頻調速必須按照一定的規(guī)律同時改變電機異步電動機的變頻調速必須按照一定的規(guī)律同時改變電機的定子電壓和頻率，必須通過變頻裝置獲得電壓和頻率都的定子電壓和頻率，必須通過變頻裝置獲得電壓和頻率都可調的電源，實現(xiàn)所謂的可調的電源，實現(xiàn)所謂的VVVFVVVF（Variable Voltage Var

11、iable Voltage Variable FrequencyVariable Frequency）調速控制，這類能實現(xiàn)變頻調速功）調速控制，這類能實現(xiàn)變頻調速功能的變頻調速裝置稱之為變頻器。能的變頻調速裝置稱之為變頻器。 隨著現(xiàn)代功率電子技術的發(fā)展，變頻器的性能日新月異，隨著現(xiàn)代功率電子技術的發(fā)展，變頻器的性能日新月異，有調速范圍寬、調速精度高、動態(tài)響應快、運行效率高、有調速范圍寬、調速精度高、動態(tài)響應快、運行效率高、功率因數(shù)高、操作方便并且便于同其他設備接口等一系列功率因數(shù)高、操作方便并且便于同其他設備接口等一系列優(yōu)點。優(yōu)點。一、變頻器概述一、變頻器概述二、三菱二、三菱 VS-616G5

12、變頻器外部接線圖變頻器外部接線圖 VS-616G5VS-616G5變頻器屬于電壓變頻器屬于電壓型變頻器型變頻器, ,它包括了它包括了4 4種控種控制方式：標準制方式：標準V/FV/F控制、帶控制、帶PGPG反饋的反饋的V/FV/F控制、無傳感控制、無傳感器的磁通矢量控制和帶器的磁通矢量控制和帶PGPG反饋的磁通矢量控制反饋的磁通矢量控制. . 主電路電源端子主電路電源端子R R、S S、T T經(jīng)交流接觸器和自動空氣斷經(jīng)交流接觸器和自動空氣斷路器與電源連接，無需考慮相序。變頻器輸出電源接路器與電源連接，無需考慮相序。變頻器輸出電源接到端子到端子U U、V V、W W上。上。 變頻器的保護功能動作

13、時，相應的繼電器吸合，其常變頻器的保護功能動作時，相應的繼電器吸合，其常閉觸點斷開變頻器電源側主電路接觸器的線圈電路，閉觸點斷開變頻器電源側主電路接觸器的線圈電路，從而切斷變頻器主電路的電源。從而切斷變頻器主電路的電源。 請勿以主電路的通斷來進行變頻器的運行、停止操作，請勿以主電路的通斷來進行變頻器的運行、停止操作，必須通過控制電路端子必須通過控制電路端子1 1或端子或端子2 2來操作。來操作。 DCDC電抗器連接端子電抗器連接端子+1+1和和 +2+2是連接改善功率因數(shù)是連接改善功率因數(shù)用電抗器的端子。這兩端子在出廠時接有短路片，對用電抗器的端子。這兩端子在出廠時接有短路片，對于于30KW3

14、0KW以上變頻器需配置以上變頻器需配置DCDC電抗器時，卸掉短路片后電抗器時，卸掉短路片后再連接。再連接。 對小容量變頻器，內設制動電阻接在對小容量變頻器，內設制動電阻接在B1B1和和B2B2端子上。端子上。對較大容量變頻器，需連接外部制動電阻時，接在端對較大容量變頻器，需連接外部制動電阻時，接在端子子B1B1、B2B2上。上。 變頻器必須可靠接地。變頻器必須可靠接地。1 1、主電路的連接、主電路的連接2 2、控制電路端子的功能說明、控制電路端子的功能說明（1 1）輸入信號：包括對運行）輸入信號：包括對運行/ /停止、正轉停止、正轉/ /反轉、點動等運行狀態(tài)進行操反轉、點動等運行狀態(tài)進行操作的

15、數(shù)字操作信號。作的數(shù)字操作信號。 變頻器通常利用繼電器接點或者晶體管集電極開路形式得到這些運行信號，變頻器通常利用繼電器接點或者晶體管集電極開路形式得到這些運行信號，如如PLCPLC的繼電器輸出電路或的繼電器輸出電路或PLCPLC的晶體管輸出電路。的晶體管輸出電路。 PLCPLC的輸出端口可以和變頻器的上述信號端子直接相連接。的輸出端口可以和變頻器的上述信號端子直接相連接。（2 2）監(jiān)測輸出信號：包括故障檢測信號、速度檢測信號、頻率信號和電）監(jiān)測輸出信號：包括故障檢測信號、速度檢測信號、頻率信號和電流信號等。分為開關量檢測信號和模擬量檢測信號兩種，用來和其他設備配流信號等。分為開關量檢測信號和

16、模擬量檢測信號兩種，用來和其他設備配合以組成控制系統(tǒng)。合以組成控制系統(tǒng)。 模擬量檢測輸出信號既可根據(jù)需要送給電流表或頻率表，也可以送給模擬量檢測輸出信號既可根據(jù)需要送給電流表或頻率表，也可以送給PLCPLC的模擬量輸入模塊。的模擬量輸入模塊。 開關量檢測信號，它們是通過繼電器接點或晶體管集電極開路的形式輸出，開關量檢測信號，它們是通過繼電器接點或晶體管集電極開路的形式輸出，額定值均在額定值均在24V/50mA24V/50mA之上，完全符合之上，完全符合FXFX系列系列PLCPLC對輸入信號的要求，所以可對輸入信號的要求，所以可以將變頻器的開關量檢測信號和以將變頻器的開關量檢測信號和FXFX系列

17、系列PLCPLC的輸入端直接相連接，從而實現(xiàn)的輸入端直接相連接，從而實現(xiàn)信號的反饋控制。信號的反饋控制?？刂齐娐范俗拥墓δ苷f明控制電路端子的功能說明三、三、VS-616G5變頻器多級調速的變頻器多級調速的PLC控制控制 可以利用可以利用PLCPLC的開關量輸入輸出模塊對變頻器的多功能輸入端進行控制，的開關量輸入輸出模塊對變頻器的多功能輸入端進行控制，實現(xiàn)三相異步電動機的正反轉、多速控制。實現(xiàn)三相異步電動機的正反轉、多速控制。 可以利用變頻器的數(shù)字操作器對多功能輸入、輸出端子的功能重新進行可以利用變頻器的數(shù)字操作器對多功能輸入、輸出端子的功能重新進行設定（表設定（表7-17-1中為出廠時所設定）

18、。用數(shù)字操作器對參數(shù)中為出廠時所設定）。用數(shù)字操作器對參數(shù)H1-01H1-01H1-06H1-06進進行設定，可實現(xiàn)多達行設定，可實現(xiàn)多達9 9段速運行。設定情況如下表所示。段速運行。設定情況如下表所示。 多段速參數(shù)的設定多段速參數(shù)的設定u設定方法：設定方法：p點動運轉是一種與所設置的加減速時間無關的、單步的、以點動頻率運轉點動運轉是一種與所設置的加減速時間無關的、單步的、以點動頻率運轉的驅動功能。的驅動功能。p變頻器的變頻器的5 5、6 6、7 7端子經(jīng)過功能設定后再通過通斷組合，可控制端子經(jīng)過功能設定后再通過通斷組合，可控制8 8擋頻率，擋頻率，連同端子連同端子8 8對應的點動頻率，共可實

19、現(xiàn)對應的點動頻率，共可實現(xiàn)9 9段速的控制。段速的控制。p每擋相應的頻率可以通過數(shù)字操作器對參數(shù)每擋相應的頻率可以通過數(shù)字操作器對參數(shù)d1-01d1-01d1-09d1-09的設置而定（范的設置而定（范圍圍0 0400Hz400Hz）。）。 多段頻率的選擇多段頻率的選擇圖是利用圖是利用FX1N-24MRFX1N-24MR型型PLCPLC和和VS-VS-616G5616G5變頻器實現(xiàn)變頻器實現(xiàn)9 9段速的硬件接線段速的硬件接線圖。圖。Y6Y6、Y7Y7、Y10Y10和和Y11Y11全為全為OFFOFF時，電時，電機以頻率指令機以頻率指令1 1對應的頻率運行對應的頻率運行（d1-01d1-01設定

20、的值）；設定的值）；Y6Y6為為ONON，而，而Y7Y7、Y10Y10和和Y11Y11全為全為OFFOFF時，電機以頻率指時，電機以頻率指令令2 2對應的頻率運行（對應的頻率運行（d1-02d1-02設定的設定的值），依次類推。值），依次類推。變頻器的數(shù)字量檢測信號直接和變頻器的數(shù)字量檢測信號直接和PLCPLC的輸入端相連。的輸入端相連。實際控制中實際控制中9 9段速和所有檢測信號段速和所有檢測信號未必一定全部采用，需根據(jù)具體情未必一定全部采用，需根據(jù)具體情況而定。況而定。u應用舉例：應用舉例：四、四、VS-616G5變頻器無級調速的變頻器無級調速的PLC控制控制n 無級調速是指頻率指令信號從

21、變頻器的模擬輸入端子輸入。無級調速是指頻率指令信號從變頻器的模擬輸入端子輸入。變頻器可以利用自身的頻率設定電源來進行頻率指令的設變頻器可以利用自身的頻率設定電源來進行頻率指令的設定，如定，如VS-616G5VS-616G5變頻器外部接線圖所示。在生產(chǎn)實際中，變頻器外部接線圖所示。在生產(chǎn)實際中，頻率指令信號一般來自于調節(jié)器或者頻率指令信號一般來自于調節(jié)器或者PLCPLC。n PLCPLC必須配置模擬量輸出模塊，將輸出的必須配置模擬量輸出模塊，將輸出的0 -10V0 -10V或或4-20mA4-20mA模擬量信號送給變頻器相應的電壓或電流輸入端。模擬量信號送給變頻器相應的電壓或電流輸入端。n 這種

22、這種PLCPLC控制變頻器的調速方法，優(yōu)點是硬件上接線簡單，控制變頻器的調速方法，優(yōu)點是硬件上接線簡單，可實現(xiàn)無級調速，缺點是可實現(xiàn)無級調速，缺點是PLCPLC的模擬量輸出模塊價格較高。的模擬量輸出模塊價格較高。n 系統(tǒng)設計時，須根據(jù)變頻器的輸入阻抗來選擇系統(tǒng)設計時，須根據(jù)變頻器的輸入阻抗來選擇PLCPLC的模擬的模擬輸出模塊，選用的輸出模塊，選用的PLCPLC模擬量輸出模塊的信號范圍和變頻模擬量輸出模塊的信號范圍和變頻器的輸入信號范圍一致。器的輸入信號范圍一致。五、五、VS-616G5變頻器、變頻器、PLC在速度檢測和位置控制時的接線在速度檢測和位置控制時的接線配置專用的高速計數(shù)模塊和運動控

23、制模塊。配置專用的高速計數(shù)模塊和運動控制模塊。選用特殊功能擴展模塊，增加系統(tǒng)的硬件選用特殊功能擴展模塊，增加系統(tǒng)的硬件投資。投資。將將PLCPLC基本單元內部的內置高速計數(shù)器和變基本單元內部的內置高速計數(shù)器和變頻器的速度卡配合使用，節(jié)省硬件費用。頻器的速度卡配合使用，節(jié)省硬件費用。工業(yè)控制中，實現(xiàn)速度和位置的閉環(huán)控制方法：工業(yè)控制中，實現(xiàn)速度和位置的閉環(huán)控制方法：u與電機同軸相連的脈沖輸出式旋轉編碼器與電機同軸相連的脈沖輸出式旋轉編碼器PGPG會隨著電機的轉動而發(fā)出相位會隨著電機的轉動而發(fā)出相位互差互差9090的的A A、B B兩相脈沖，變頻器速度卡兩相脈沖，變頻器速度卡PG-B2PG-B2能

24、夠接收這兩相脈沖，并將其能夠接收這兩相脈沖，并將其轉換為與實際轉速相應的數(shù)字信號送給變頻器，變頻器將實際速度與內部的轉換為與實際轉速相應的數(shù)字信號送給變頻器，變頻器將實際速度與內部的給定速度相比較，從而調節(jié)變頻器的輸出頻率和電壓。給定速度相比較，從而調節(jié)變頻器的輸出頻率和電壓。u編碼器起著檢測運行速度、運行位置和運行方向的作用，它和VS-616G5變頻器速度卡PG-B2之間用屏蔽電纜相連接，該電纜連接于PG-B2卡上的TA1端子上，TA2端子為兩相脈沖的監(jiān)視輸出端子，屏蔽端接在卡上的TA3端子上。TA1端子的1、2分別為給編碼器供電的正負電源+12V、0V。 u 如果程序中使用的是如果程序中使

25、用的是1 1相相1 1計數(shù)計數(shù)器計數(shù)計數(shù)器C235-C245C235-C245中的一個計數(shù)器，則中的一個計數(shù)器，則TA2TA2端子中只使用一相輸出即可，例如使用端子中只使用一相輸出即可，例如使用A A相，則把相，則把TA2TA2的的2 2號端子和號端子和PLCPLC的輸入端的輸入端COMCOM連接，而連接，而TA2TA2的的1 1號端子則需要根據(jù)所使用的計數(shù)器查號端子則需要根據(jù)所使用的計數(shù)器查相關相關PLCPLC手冊來定，計數(shù)器的計數(shù)的方向由手冊來定，計數(shù)器的計數(shù)的方向由M8M8的狀態(tài)來決定。的狀態(tài)來決定。 如使用如使用C237C237，1 1號端子號端子就需和就需和X2X2連接；連接； 如使

26、用如使用C243C243，1 1號端子號端子就需和就需和X4X4連接。連接。p圖為圖為FX2N-64MRFX2N-64MR、VS-VS-616G5616G5、PG-B2PG-B2卡和旋轉卡和旋轉編碼器編碼器PGPG在某系統(tǒng)中的在某系統(tǒng)中的硬件接線圖。硬件接線圖。pPG-B2PG-B2卡的卡的TA2TA2輸出端輸出端子的使用情況與子的使用情況與PLCPLC程序程序中所使用的高速計數(shù)器中所使用的高速計數(shù)器有關。有關。u如果程序中使用的是如果程序中使用的是1 1相相2 2計數(shù)計數(shù)器計數(shù)計數(shù)器C246-C250C246-C250中的一個計數(shù)器，則中的一個計數(shù)器，則TA2TA2端子中也只使用一相輸出，以使用端子中也只使用一相輸出，以使用A A相為例，同樣把相為例，同樣把TA2TA2的的2 2號端子和號端子和PLCPLC的輸入端的輸入端COMCOM連接，而連接，而TA2TA2的的1 1號端子則需要根據(jù)所使用的計數(shù)器的計號端子則需要根據(jù)所使用的計數(shù)器的計數(shù)