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    李方園（1973－）
男，浙江舟山人，畢業于浙江大學電氣自動化專業，高級工程師，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作。

摘要：變頻器的運行方式是指變頻器應該選擇如何負載的工作方式。普通運行，是最常用的運行方式，它是在變頻器最初設置的頻率給定方式和運轉指令方式下的運行方式。點動運行，就是變頻器在停機狀態時，接到點動運轉指令后按點動頻率和點動加減速時間運行。多段速運行，是指通過多功能輸入端子的邏輯組合，可以選擇多段頻率進行多段速運行。另外本文還闡述了PID運行和簡易程序運行。

關鍵詞：變頻器；運行方式；點動運行；PID控制

Abstract:  The running method of AC inverter is how to select the right running way of the load. Normal running is the usual way in accordance with the preset frequency setting and command setting. Jog running is that AC inverter runs under the jog frequency , jog acceleration time and jog deceleration time. Multi-speed running is that AC inverter runs with the combination of multi-function terminals. And this paper also will describe the control of PID and simple PLC.

key words: AC inverter；running method；jog；PID control

    變頻器的運行方式是指變頻器應該選擇如何負載的工作方式。本節內容就是介紹了變頻器的一些運行方式。

1 普通運行

    普通運行，是最常用的運行方式，它是在變頻器最初設置的頻率給定方式和運轉指令方式下的運行方式。

2  點動運行

    所謂點動運行，就是變頻器在停機狀態時，接到點動運轉指令（如操作器鍵盤點動JOG鍵、定義為點動的多功能端子信號接通、通訊命令為點動）后按點動頻率和點動加減速時間運行。

    點動的參數設置包括點動運行頻率、點動間隔時間、點動加速時間和點動減速時間四個。如圖1所示，t1、t3為實際運行的點動加速和點動減速時間，t2為點動時間，t4為點動間隔時間，f1為點動運行頻率。點動間隔時間是從上次點動命令取消時刻起到下次點動命令有效必須等待的時間間隔。在間隔時間內的點動命令不會使變頻器運轉，變頻器以無輸出的零頻狀態運行，如果點動命令一直存在，則間隔時間結束后開始執行點動命令。

圖1   點動運行說明

    如無特別指明外，點動運行均按照從起動頻率起動的方式和減速停車的方式進行起停。

3 多段速運行

    多段速運行，是指通過多功能輸入端子的邏輯組合，可以選擇多段頻率進行多段速運行。最多可以達到16段速運行。

    在多段速運行下，變頻器能連續、斷續，保持最終值，可以方便在如下情況使用：風機或鼓風機根據季節進行風量切換；涂裝設備根據需漆的零件切換等等。

    如圖2所示為多段速示意，通過多功能輸入端子X1、X2、X3的不同邏輯組合，可以按照表1選擇普通運行頻率和1～7段速進行多段速運行。

圖2   多段速運行

    表1   多段速運行

4 PID閉環運行

    4.1 基本概念

    在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

    (1) 比例（P）控制

    比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-state error）。

    (2) 積分（I）控制

    在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統（System with Steady-state Error）。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。

    (3) 微分（D）控制

    在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。

    綜上所述，PID控制器是由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成，其輸入e (t)與輸出u (t)的關系為：

    它的傳遞函數為：

    PID閉環控制有以下特點：

    首先，PID應用范圍廣。雖然很多工業過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態特性不隨時間變化的系統，這樣PID就可控制了。

    其次，PID參數較易整定。也就是，PID參數Kp，Ki和Kd可以根據過程的動態特性及時整定。如果過程的動態特性變化，例如可能由負載的變化引起系統動態特性變化，PID參數就可以重新整定。

    第三，PID控制器在實踐中也不斷的得到改進，如結合人工智能神經元系統、模糊控制和魯棒控制等。

    4.2 內置PID功能

    正由于PID功能用途廣泛、使用靈活，使得現在變頻器的功能大都集成了PID，簡稱“內置PID”，使用中只需設定三個參數（Kp， Ki和Kd）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。如被控量屬于流量、壓力和張力等過程控制的，只需PI功能，D功能基本不用，所以為方便起見，很多變頻器其實只有PI功能。

    PID閉環運行，必須首先選擇PID閉環選擇功能有效的情況下，變頻器按照給定量和反饋量進行PID調節。PID調節是過程控制中應用得十分普遍的一種控制方式，它是使控制系統的被控物理量能夠迅速而準確地無限接近于控制目標的基本手段。

    在PID調節中，必須至少有兩種控制信號：（1）給定量。它是與被控物理量的控制目標對應的信號。（2）反饋量。它是通過現場傳感器測量的與被控物理量的實際值對應的信號。PID調節功能將隨時對給定量和反饋量進行比較，以判斷是否已經達到預定的控制目的。具體地說，它將根據兩者的差值，利用比例P、積分I、微分D的手段對被控物理量進行調整，直至反饋量和給定量基本相等，達到預定的控制目標為止。

    反饋正調節與正作用的概念是不一樣的。

    4.3 PID閉環參數設置

    PID閉環的參數調節P、I、D的三個參數調節是個難點，下面給出了一個調節口訣，以方便記憶：

     參數整定找最佳，從小到大順序查；
     先是比例后積分，最后再把微分加；
     曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；
     曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；
     曲線偏離回復慢，積分時間往下降；
     曲線波動周期長，積分時間再加長；
     曲線振蕩頻率快，先把微分降下來；
     動差大來波動慢，微分時間應加長；
     理想曲線兩個波，前高后低四比一；
     一看二調多分析，調節質量不會低。

    4.4 PID調節的增強功能

    在變頻器的PID閉環功能中，為了達到快速穩定以及可靠性高的目的，通常都會選擇相應的增強功能，如預置頻率及保持、積分調節限制以及對反饋信號的檢測等。

    (1) 預置頻率

    為了使PID閉環調節快速進入穩定階段，需要根據工藝要求設置相應的預置頻率和預置頻率保持時間。PID閉環運行啟動后，變頻器的輸出頻率首先按照加速時間加速至閉環預置頻率，并且在該頻率點上持續運行一段時間后，才按照PID閉環特性運行。

    (2) 積分調節選擇

    對于需要快速響應的系統，變頻器的輸出頻率到上下限時，可以取消積分調節。

    (3) 多段閉環設定值數據

    對于需要有多段閉環設定值數據的場合可以選擇此功能，比如恒壓供水中可以設置不同時段的供水壓力信號值。如表2所示，只需將多功能輸入端子X1、X2、X3設置為多段閉環設定值數據通道1、多段閉環設定值數據通道2、多段閉環設定值數據通道3即可得到8段不同的設定數據。

    表2   多段閉環設定值數據

    (4) 閉環反饋信號檢測功能
   
    對于閉環反饋信號是電流信號的，還可以設置回路檢測是否處于閉合狀態以及有效值是否處于合理范圍之內。

5 簡易程序運行

    5.1 基本概念

    簡易程序運行，必須首先選擇簡易程序運行選擇功能有效的情況下，變頻器按照既定的程序進行單循環和連續循環的運行。它是一個多段速度發生器，變頻器能根據運行時間自動變換運行頻率和方向，以滿足生產工藝的要求，因為以前該功能是由可編程控制器（PLC）來完成，現在依靠變頻器自身就可以實現，所以又被稱為“簡易PLC運行”。

圖3   簡易程序運行圖

    圖3為簡易程序運行示意圖，其中a1到a7、d1到d7為所處階段的加速和減速時間，f1到f7為每一階段的運行頻率，T1到T7為每一階段的持續運行時間。

    簡易程序運行方式可分為單循環后停機、單循環后保持最終值和連續循環三種。

    (1) 單循環后停機：如圖4，變頻器完成一個循環后自動停機，需要再次給出運行命令時才能起動。

圖4   簡易程序控制單循環后停機方式

    (2) 單循環后保持最終值：如圖5，變頻器完成一個循環后自動保持在最后一段的運行頻率和方向。

圖5   簡易程序控制單循環后保持方式

    (3) 連續循環：變頻器完成一個循環后自動開始下一個循環，直到有停機命令，如下圖6。

圖6   簡易程序控制連續循環方式

    5.2 簡易程序運行中斷運行再起動

    簡易程序運行在中斷后的運行再起動有三種方式：從第一段開始運行、從中斷時刻的階段頻率繼續運行和從中斷時刻的運行頻率繼續運行。

    (1) 從第一段開始運行：運行中停機（由多種運轉指令方式引起的各類停機命令、變頻器故障或掉電引起），再起動后從第一段開始運行。

    (2) 從中斷時刻的階段頻率繼續運行：運行中停機（由多種運轉指令方式引起的各類停機命令、變頻器故障引起），變頻器自動記錄當前階段已運行的時間，再起動后自動進入該階段，以該階段定義的頻率繼續剩余時間的運行。下圖7所示為該起動方式示意圖。

圖7   簡易程序控制起動方式2
a1：階段1加速時間  a2：階段2加速時間
a3：階段3加速時間  d2：階段2減速時間
f1：階段1頻率  f2：階段2頻率  f3：階段3頻率

    (3) 從中斷時刻的運行頻率繼續運行：運行中停機（由多種運轉指令方式引起的各類停機命令、變頻器故障引起），變頻器不僅自動記錄當前階段已運行的時間而且還記錄停機時刻的運行頻率，再起動后先恢復到停機時刻的運行頻率，進入該階段，以該階段定義的頻率繼續剩余時間的運行。圖8為該起動方式示意圖。

圖8   簡易程序控制起動方式3
a1：階段1加速時間  a2：階段2加速時間
a3：階段3加速時間  d2：階段2減速時間
 f1：階段1頻率  f2：階段2頻率  f3：階段3頻率

    由圖中比較我們可以看出，方式2和方式3的區別在于方式3比方式2多記憶一個停機時刻的運行頻率，而且再起動后從該頻率繼續運行。

    5.3 簡易程序運行的參數設置

    簡易程序運行的參數設置主要包括每一階段（有些變頻器為7段、有些變頻器為15段）的運行參數和簡易程序運行的各種方式選擇。

    變頻器在簡易程序控制運行的每一階段的參數內容為以下幾部分：（1）運行頻率數值；（2）運轉方向選擇；（3）加減速時間選擇；（4）運行持續時間；（5）時間單位。簡易程序的時間單位可以是秒，也可以是分，如果對該階段的運行持續時間設置為零時，該階段則無效。

    簡易程序運行的各種方式選擇包括以下幾個部分：（1）簡易程序控制方式的選擇；（2）簡易程序控制中斷運行再起動方式的選擇；（3）掉電時簡易程序控制狀態參數存儲選擇。簡易程序控制的方式和中斷再起動方式在上面兩節中已經介紹過了，對于掉電時簡易程序狀態參數存儲選擇是這樣定義的，如選擇“不存儲”則掉電時不記憶簡易程序的運行狀態，上電后，再起動從第一階段開始；如選擇“存儲”則掉電時記憶簡易程序的運行狀態，如掉電時刻的階段、運行頻率、已運行的時間，上電后則按照簡易程序控制中斷運行再起動方式運行。

    在簡易程序的控制過程中，可以通過多功能輸入端子的定義對簡易程序控制進行暫停、失效、記憶狀態清零等控制；同時，可以通過多功能輸出端子的定義，使簡易程序階段和循環完成指示來輸出500毫秒的脈沖指示信號。

6 運行方式之間的衍變邏輯

    在以上各種運行方式中，一旦有外部控制要求進行運行方式的切換時必須遵從特定的衍變邏輯，否則就會造成運行方式的混亂。這種衍變邏輯就是根據運行方式的優先級來定義的，在不同的變頻器中有不同的優先級排列。

    圖9所示為較常見的一種變頻器運行方式的衍變邏輯：

圖9   變頻器運行方式的衍變邏輯

    在該衍變邏輯中，優先級高低依次為“點動運行”、“閉環PID運行”、“簡易程序運行”、”多段速運行”和“普通運行”。很顯然，點動運行高于其他任何運行方式。

參考文獻：

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    [4]吳忠智,吳加林.變頻器應用手冊（第2版）[M]. 機械工業出版社,2003.

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