【正文】 能指標。模擬設計法是將數(shù)字控制器作為模擬控制器，采用連續(xù)系統(tǒng)的設計方法，首先設計模擬控制系統(tǒng)的模擬控制器，使模擬控制系統(tǒng)性能指標滿足。該方法在采樣周期較大時，系統(tǒng)實際達到的性能往往比預計的設計指標差。然后利用離散控制系統(tǒng)理論，直接設計數(shù)字控制器。 PLC的PID模塊分析研究三菱公司從A系列PLC中的CPU開始增加了用于閉環(huán)控制的PID模塊。在系統(tǒng)中，偏差e是給定值SP(希望值)和過程變量PV(實際值)的差。（式34）其中:M(t) PID回路的輸出，是時間的函數(shù) Kc PID回路的增益 E PID回路的偏差(給定值與過程變量之差) Mmitral PID回路輸出的初始值 為了在計算機中實現(xiàn)這一這個控制功能，式(34)所描述的連續(xù)函數(shù)必須進行離散化，即對誤差進行周期性的采樣并計算輸出值。 采樣時刻n的偏差值 en1 采樣時刻n1的偏差值(偏差前項) Ki 積分項的比例系數(shù) Mintiui PID回路輸出的初始值 Ko 微分項的比例系數(shù) 積分項包括從第一次采樣到當前采樣時刻的所有誤差項，微分項由本次采樣和前一次采樣值來決定，比例項僅由本次采樣值決定。 由于計算機從第一次采樣開始，每獲得一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，但是系統(tǒng)中只需要將上一次的偏差值和積分項的存儲下來。 第n采樣時刻的比例項值 MIn 第n采樣時刻的積分項值 MDn 第n采樣時刻的微分項值 對于不同的控制系統(tǒng)，需要根據(jù)不同的控制對象，選用不同的控制環(huán)節(jié)。所以在進行PID指令對這些值進行計算之前，必須把他們轉(zhuǎn)換成標準的浮點型實數(shù)，這樣才能進行PID運算。 在控制系統(tǒng)中，模擬式PID控制調(diào)節(jié)器的應用已經(jīng)非常廣泛，由于它已經(jīng)形成了典型結(jié)構(gòu)，參數(shù)易于調(diào)整且結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)靈活，可以是其中的一部分，所以在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程(如冶金，石油，化工，電站，造紙，供水等過程)的控制中，獲得了良好的效果，對于那些數(shù)學模型不易精確求得，參數(shù)變化較大的被控對象，采用PID調(diào)節(jié)器往往也能得到滿意的控制效果。今天，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了取代模擬PID控制的數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器，并且功能不斷完善，使經(jīng)典的PID控制算法結(jié)合先進的計算機技術(shù)，促進了PID控制理論的發(fā)展，擴展了它的功能。A系列的PLC都有配套的編程軟件，該軟件可以在PC機上運行，為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應用程序提供了良好的編程環(huán)境。PID的組態(tài)設計包括以下內(nèi)容:①確定所要控制的PID指令編號(回路編號)②選擇參數(shù)控制表存放的位置以及閉環(huán)控制的參數(shù):③確定PID回路的輸入和輸出控制參數(shù):④確定PID回路的報警選項以及報警參數(shù)。由于連續(xù)生產(chǎn)過程的控制回路一般都具有較大的時間常數(shù)，通常采樣周期比系統(tǒng)的時間常數(shù)要小的多，因此其參數(shù)選擇可以采用模擬調(diào)節(jié)器的整定方法。本系統(tǒng)中采用擴充臨界比例度法進行參數(shù)整定。采樣周期如果太小，將會使微分和積分作用不明顯。此外，執(zhí)行機構(gòu)的慣性比較大，采樣周期的選擇要與之相適應，否則執(zhí)行機構(gòu)來不及反映控制器的輸出值變化。去掉控制器的積分和微分作用，只保留比例作用。記下使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度、及系統(tǒng)的臨界振蕩周期TK?？刂贫仁且阅M調(diào)節(jié)器為基準，將數(shù)字控制器的控制效果于模擬調(diào)節(jié)器相比較所得?？刂贫缺硎镜氖菙?shù)字PID和模擬PID相比的控制效果，無需計算。表31 控制度、參數(shù)KP , KI，和KD的值。其特點如下（圖41）： 圖41 基本工作原理圖電壓和電流能從零起連續(xù)可調(diào)，對電動機無操作過電壓傷害，無轉(zhuǎn)矩沖擊，對電網(wǎng)無沖擊；轉(zhuǎn)速慢慢上升，有利于潤滑，能延長電動機及機械設備的使用壽命；高壓開關(guān)合閘時電流(或電壓)為零，能顯著提高開關(guān)壽命。在起動過程中，能在額定電流以內(nèi)給電動機以充分加速，因此能最大限度的降低起動電流最大值，最大值保持時間短。開關(guān)變壓器具有很大的電感值，晶閘管產(chǎn)生的高次諧波大部分加在它上面，加到電源和電動機上的高次諧波很少。開關(guān)變壓器高壓側(cè)串聯(lián)在高壓回路中，輸出端與電動機相串聯(lián)，通過調(diào)節(jié)低壓側(cè)電壓而達到調(diào)節(jié)高壓側(cè)電壓的目的。起動時PLC發(fā)出指令使2QF閉合，電動開始起動，電機電壓、電流都從零起調(diào)，與此同時，A/D 將電流互感器反饋回的電流值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入PLC，PLC接到反饋信號后經(jīng)過內(nèi)部的控制運算控制輸出，經(jīng)D/A變換后控制晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)低壓側(cè)電壓達到調(diào)節(jié)高壓側(cè)電壓的目的隨著電機端電壓的不斷升高電機的轉(zhuǎn)速逐步達到額定值，當電機電流迅速下降說明電機已經(jīng)完成起動，此時PLC發(fā)出控制指令使1QF閉合，后延時斷開2QF和2QS使開關(guān)變壓器旁路，起動結(jié)束。它投資較小，起動效果好 它的基本工作原理是將電壓調(diào)節(jié)式可調(diào)電抗串聯(lián)在籠型電機的轉(zhuǎn)子回路中，電機起動前可調(diào)電抗值為其最大值L0，電機起動時由于串聯(lián)了可調(diào)電抗，起動電流較小。 電機起動過程完畢。 系統(tǒng)原理及方案設計磁控式可調(diào)電抗原理圈如圖1所示，電抗原始值為LO，可調(diào)電源的電流值改變時，由于互感的作用，電抗的輸出值也隨之變化， 合理選擇電感參數(shù)，可使電源電壓由小到大變化時電抗輸出值在L0~O之間變化（圖43）。可調(diào)電源為可控硅， 通過改變可控硅的觸發(fā)角來改變輸出電壓，從而改變電抗的輸出電抗值。磁控式可調(diào)電抗的輸出端串聯(lián)在籠型電機的轉(zhuǎn)子回路中，控制端口接可控硅的輸出端。電機起動前旁路開關(guān)KM2斷開，可調(diào)電抗開關(guān)KM1閉合， 使可調(diào)電抗串聯(lián)在電機的轉(zhuǎn)子回路中，電機斷路器QFO在斷開位置。起動時PLC發(fā)出信號先合上斷路器QF0，電機開始起動，電流迅速增大。PLC得到反饋信號后開始進行PID運算。隨著電機的起動，反饋值I0不斷減小，因此PLC的輸出電流模擬量值不斷增大，使可控硅輸出電壓值不斷增大，可調(diào)電抗值不斷減小。此時PLC發(fā)出信號，合上KM2，可調(diào)電抗被旁路，電機正常運行，這時斷開KM1，使可調(diào)電抗平穩(wěn)退出，起動過程結(jié)束。采用交流220V電源供電，主模塊本身帶有8路開關(guān)量輸入，用于檢測控制命令和開關(guān)狀態(tài)；6路繼電器型開關(guān)量輸出，用于各操作開關(guān)的控制。它有8路模擬輸入，用于檢測起動過程中的轉(zhuǎn)子電流；1路模擬輸出，用于將PLC主機中運算處理得到的控制信號轉(zhuǎn)換為模擬量輸出至觸發(fā)控制板，從而調(diào)整可調(diào)電抗器的等效電抗，達到控制啟動電流的目的。PLC主模塊上輸入開關(guān)量有6個，其中三個為控制命令， 它們是：X0(主機啟動)、X1(主機急停)、X2(試驗啟動)，另三個為開關(guān)狀態(tài)：X3 (QF0開關(guān)合)、X4 (KM1開關(guān)合)、X5 (KM2開關(guān)合)。QF0開關(guān)的分閘由外部停止命令直接控制，當起動過程中故障時，Y5也可以用于QF0開關(guān)的跳閘。表41可編程控制器輸入輸出端口(DI/0)地址分配表端口地址注釋X0主機啟動X1主機急停X2試驗啟動X3熔斷器開關(guān)合閘X4KM1開關(guān)合閘X5KM2開關(guān)合閘Y0熔斷器合閘Y1KM1合閘Y2KM1分閘Y3KM2合閘Y4KM2分閘Y5故障報警 軟件編程大型電機軟起動裝置軟件部分主要包括模塊自檢、開機判斷、PID運算、超時及故障保護、開關(guān)量順序控制等軟件采用模塊化思想編程，程序流程圈如圖46所示。當檢測到起動信號時開始起動過程、并將檢測到的轉(zhuǎn)子電流信號與設定值進行比較，通過PID運算后調(diào)整輸出到觸發(fā)控制板的模擬信號的大小，盡量使實際轉(zhuǎn)子電流與設定值一致。為防止采集數(shù)據(jù)的誤差引起PLC輸出調(diào)節(jié)量不準確而導致起動時間過長，可在軟件中設置起動超時保護，即設置一個起動最大時限，到了這個時限后若檢測的轉(zhuǎn)子電流仍大于改定值．PLC將發(fā)信號結(jié)束起動過程，保證電機的正常工作，軟件編制流程如下圖所示：圖46 PLC控制程序流程圖 基于單臺軟起動器對多臺大中型異步電動機的軟起動在實際的生產(chǎn)應用當中，往往需要實現(xiàn)一臺軟啟動器對多臺電動機的起動，所以，用PLC實現(xiàn)“一拖多”就具備了極其實用的意義。 主回路圖電動機的軟起動和軟停止是一種新型的起動方式。電動機的軟停止使電動機從額定轉(zhuǎn)速開始，按預先設置的方式逐步減速，直到停止。從而控制其輸出電壓或電流，達到有效地控制電動機的起動和停止。圖10中，在軟起動器的輸入和輸出兩端，并聯(lián)接觸器KMn1(n=4以下同)的常開觸點，在軟起動器輸入和輸出端串聯(lián)接觸器KM和接觸器KMn2的常開觸點。軟起動完成后，觸點KMn1閉合，觸點KM和觸點KMn2斷開，軟起動器不工作。當軟停止時，觸點KM和觸點KMn2閉合，觸點KMn1斷開，實現(xiàn)軟停止，直到電動機停止運行，然后斷開觸點KM和KMn2。同時避免了電動機運行時軟起動器產(chǎn)生的高次諧波。起動、停止的控制過程可由PLC的順序控制完成，并能實現(xiàn)用一臺軟起動器起動多臺電動機。程序編制的主導思想是模塊化，流程如圖48所示。常用的方法是降壓軟起動，但由于電動機的起動轉(zhuǎn)矩與所加電壓的平方成正比，所以降壓軟起動只適用于空載或輕載起動的設備。這時需要采用變頻軟起動方案，即用變頻器帶動電機從零速開始起動，逐漸升壓升速，直至達到其額定轉(zhuǎn)速。如果變頻器僅僅承擔軟起動的任務，不作調(diào)速運行的話，則在變頻器帶動電機達到額定轉(zhuǎn)速后，就要將電動機切換到工頻電網(wǎng)直接供電運行，變頻器可以再去起動其他的電動機。當水壓過高需要停泵時，為了避免“水錘效應”，也不允許突然切斷水泵電源，而要求逐漸降低轉(zhuǎn)速緩慢停車。這樣就不可避免地要進行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作。這兩種看法都不免有失偏頗，所以有關(guān)變頻器在拖動系統(tǒng)應用的文章中，碰到變頻器的切換問題時，要么有意回避，不作具體描述；要么一語帶過，用簡單的一句“切換到電網(wǎng)運行”了之，即使有些文章在切換問題上進行了一些探索但是也沒有將這個問題的本質(zhì)揭示出來，給人一種功虧一潰的感覺，下面就試圖從技術(shù)和經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，對變頻器輸出切換問題作進一步的分析探討。熱切換：在變頻器運行中進行帶電切換。軟切換：也叫同步切換，真正的不停電平穩(wěn)切換。 硬切換的危害性及改進辦法 由于硬切換時不可避免地要使電動機瞬時停電，問題也就因此而產(chǎn)生了：1）、由變頻器向電網(wǎng)切換 變頻器拖動電機軟起動，逐漸升速，當變頻器輸出頻率達到50HZ，電壓達到額定電壓，電動機的轉(zhuǎn)速也已達到額定轉(zhuǎn)速時，快速將電動機從變頻器切出，再立即投入電網(wǎng)運行。但是其先決條件是在切換前必須保證變頻器的輸出與電網(wǎng)電壓同相序，并最好要進行電壓的幅值、頻率及相位跟蹤，使其與電網(wǎng)盡量保持一致，否則將會引起嚴重的后果。我們知道，當電動機斷開電源后，由于定子開路，定子繞組中儲存的磁場能量要經(jīng)過較長的時間才能衰減完，而轉(zhuǎn)子是短路的，轉(zhuǎn)子電流將按一定的時間常數(shù)衰減，這個電流產(chǎn)生的磁通，因為轉(zhuǎn)子還在旋轉(zhuǎn)，就會在定子繞組中感應出電動勢（反電勢）。當轉(zhuǎn)子電流尚未衰減到零時，若合上電源，會因為電源電壓與定子儲能電勢和轉(zhuǎn)子感應電勢的相位差而產(chǎn)生沖擊電流，若合閘時電源電壓與感應電勢的相位差剛好為180176。因此電動機在斷開電源后，應該等轉(zhuǎn)子電流充分衰減后再合上電源。由電動機反電勢引起的過電流與電動機起動時因為轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)（S=1）所產(chǎn)生的堵轉(zhuǎn)電流不是一回事，所以在切換時會面臨一種矛盾的選擇：一方面要避開反電勢引起的沖擊電流，一方面又要利用電機的轉(zhuǎn)速，以減小堵轉(zhuǎn)（由轉(zhuǎn)差率S引起的）沖擊電流。由此可見，硬切換一定會引起沖擊電流，只是其大小的不同罷了，不可能做到平穩(wěn)切換。當然為了避免電動機從變頻器切出時變頻器因甩負荷而引起的過電壓損壞功率器件，在切換前應先封鎖變頻器的輸出。如果電動機拖動的負載不允許突然停車的話，或者須由定速運行轉(zhuǎn)為調(diào)速運行時，可以這樣操作：先將電動機由電網(wǎng)切除，自由停車運行，延時1~2秒，避開反電勢的影響，在封鎖輸出的情況下將電機接到變頻器，變頻器跟蹤電動機轉(zhuǎn)速并以跟蹤頻率啟動運行，沖擊將會很小。1）、由變頻器向電網(wǎng)切換 同步切換的過程是這樣的：變頻器拖動電機軟起動，平穩(wěn)升頻到接近50HZ，進入鎖相環(huán)路的捕捉范圍，之后在鎖相環(huán)路的作用下，鎖定變頻器輸出電壓的頻率、幅值、相序和相位與工頻電網(wǎng)一致，將電動機與工頻電網(wǎng)之間的接觸器吸合，電網(wǎng)和變頻器同時向電動機供電，然后封鎖變頻器的輸出，并將電機從變頻器切出，電動機即平穩(wěn)地切換到電網(wǎng)運行。然后有一段變頻器和電網(wǎng)同時對電動機供電的時間。2）、由電網(wǎng)向變頻器切換 在由電網(wǎng)向變頻器同步切換之前，變頻器先空載加速到50HZ，啟動鎖相環(huán)路的跟蹤技術(shù)，經(jīng)過一段時間的跟蹤調(diào)整，達到鎖定狀態(tài)后變頻器合閘，然后電網(wǎng)開關(guān)跳閘，電動機即平穩(wěn)地由電網(wǎng)切換到變頻器調(diào)速運行。在過渡到由電網(wǎng)和變頻器同時向電動機供電階段，再稍稍調(diào)高變頻器輸出電壓的幅值，逐漸將負荷從電網(wǎng)向變頻器轉(zhuǎn)移，以免在電網(wǎng)開關(guān)跳閘時對變頻器造成過大的沖擊。鎖相環(huán)路是一個閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，能夠自動地跟蹤輸入信號的頻率和相位，使輸出信號的頻率和相位與輸入信號同步，稱之為“鎖定”。圖52 同步切換系統(tǒng)框圖 圖52為具有同步切換功能的交流異步電動機循環(huán)軟起動切換控制裝置框圖。系統(tǒng)由變頻器、相位信號取樣電路、鎖相控制電路、可編程控制器和切換接觸器等組成。鎖相環(huán)路由鎖相控制電路和變頻器組成；鎖相控制電路則由鑒相器和環(huán)路濾波器組成。 圖52 同步切換系統(tǒng)框圖θ1(t)作為基準信號，變頻器輸出的電壓相位信號θ2(t)作為跟蹤信號。當二者的頻率相等，相位差穩(wěn)定在一個較小的數(shù)值時，稱為鎖定，此時輸出一個切換信號，便可以在PLC的控制下，平穩(wěn)地進行變頻器和工頻電網(wǎng)之間的相互切換了。而變頻器一般采用交一直—交系統(tǒng)，即使將變頻器整個短路后，變頻器的直流母線還通過整流器由電網(wǎng)供電，逆變器的功率器件仍然要承受直流高壓，這時逆變器的功率器件若導通的話，則會直接與電網(wǎng)短路而造成損壞。所以在變頻器的輸出端切換電動機時，一定要慎之又慎。如果要在變頻器輸出側(cè)進行切換的話，應盡量采取冷切換方式：第一步應使變頻器停機，第二步在其輸出側(cè)進行切換，第三步在切換后重新啟動變