МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» НАСТРОЙКА ПИД-РЕГУЛЯТОРА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ DANFOSS ДЛЯ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ ПРАКТИКУМ Казань 2017 УДК 681.516.31 ББК 32.965.3 Н32 Н32 Настройка ПИД-регулятора преобразователя частоты Danfoss для вентиляторной установки: практикум / В.М. Бутаков, П.П. Павлов, И.О. Юшин. − Казань: Каз. гос. энерг. ун-т., 2017. – 36 с. Приведены основные теоретические сведения, краткое описание лабораторного стенда «Вентиляторная установка с преобразователем частоты Danfoss», порядок выполнения лабораторной работы и обработки полученных результатов. Предназначен для студентов всех форм обучения, изучающих дисциплины «Электродинамические процессы в электромеханических системах», «Исследование электродинамических процессов в электромеханических комплексах и системах», «Системы автоматического регулирования и управления» по основной образовательной программе «Электромеханические комплексы и системы» направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». УДК 681.516.31 ББК 32.965.3 © Казанский государственный энергетический университет, 2017 3 ВВЕДЕНИЕ Практикум по выполнению лабораторной работы разработаны для оказания студентам помощи при выполнении лабораторной работы по дисциплине «Электродинамические процессы в электромеханических системах» и составлены в соответствии с основными разделами рабочей программы. Практикум предназначен для студентов очной и заочной форм обучения по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» квалификации «бакалавр». Целью изучения дисциплины является получение теоретических и практических навыков анализа переходных процессов в электромеханических системах. В результате выполнения лабораторной работы по дисциплине «Электродинамические процессы в электромеханических системах» у студента должны сформироваться следующие компетенции: – способность применять соответствующий физико-математический аппарат, методы анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования при решении профессиональных задач; – способность обрабатывать результаты экспериментов. Первая часть практикума содержит краткие теоретические сведения о принципах построения ПИД-регуляторов. Во второй части приведено описание лабораторного стенда и порядок проведения экспериментальных работ. Цель практикума – снабдить студентов методикой настройки систем автоматического управления и регулирования на примере настройки ПИДрегулятора преобразователя частоты Danfoss. 4 ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы является приобретение знаний по настройке ПИДрегуляторов систем автоматического регулирования. В результате выполнения лабораторной работы обучающийся должен: - изучить основные теоретические положения, используемые при построении систем автоматического регулирования с обратной связью; - изучить устройство лабораторного стенда и овладеть навыками работы на нем; - провести эксперименты и обработать полученные данные; - построить графики; - проанализировать полученные результаты и подготовить отчет о проделанной работе. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Классический ПИД-регулятор Простейшая система автоматического регулирования с обратной связью показана на рис. 1. В ней блок R называют регулятором (от слова Regulator), P – объектом регулирования (от слова Process), r – управляющим воздействием или уставкой (reference), e – сигналом рассогласования или ошибки (error), u – выходной величиной регулятора, y – регулируемой величиной. r + _ e y u R P Рис. 1. ПИД-регулятор в системе с обратной связью Если выходная переменная u-регулятора описывается выражением t de(t ) 1 u (t ) Ke(t ) e(t )dt Td , Ti dt 0 (1) где t – время; K – пропорциональный коэффициент (безразмерный), Ti – постоянная интегрирования (размерность времени) регулятора и Td – постоянная дифференцирования (размерность времени) регулятора, то такой регулятор называют ПИД-регулятором. 5 В частном случае некоторые из компонент могут отсутствовать и такие упрощенные регуляторы называют П-, И- или ПИ-регуляторами. Распространены также следующие модификации выражения (1): 1t de(t ) ; u (t ) K e(t ) e(t )dt Td i T dt 0 t de(t ) . dt u (t ) Ke(t ) Ki e(t )dt K d 0 (2) (3) Между параметрами выражений (1) - (3) существует простая связь. Однако отсутствие общепринятой системы параметров часто приводит к путанице. Это нужно помнить при замене одного ПИД-контроллера на другой, при задании его параметров или использовании программ настройки параметров. Мы будем пользоваться выражением (1). Система автоматического регулирования с обратной связью с учетом шума n и внешних возмущений d показана на рис. 2. r + e R _ u+ d n + + P + y Рис. 2. ПИД-регулятор в системе с шумом n и внешними возмущениями d Используя преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях u(0)=0, выражение (1) можно представить в операторной форме: 1 u ( s) K Td s e( s) . Ti s (4) Таким образом, передаточная функция ПИД-регулятора имеет вид R( s ) K 1 1 T Td s K 1 d Ti s KTi s K s . (5) Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристика передаточной функции (5) при параметрах Ti = 1 с, Td = 1 с, K = 10 (K = 100) показаны на 6 рис. 3. Переходная характеристика ПИД-регулятора (реакция на единичный скачок) представляет собой сумму постоянной составляющей K, прямой линии , полученной при интегрировании единичного скачка и дельтафункции Дирака Tdδ(t), полученной при дифференцировании единичного скачка. Из рис.1 следует, что y(s) P( s) R( s) P( s) R( s) r ( s ) или Gd ( s ) , 1 P( s) R( s) 1 P( s) R( s) (6) где Gd (s) y(s) / r (s) – передаточная функция замкнутой системы. Рис. 3. АЧХ и ФЧХ ПИД-регулятора при Ti = 1 с, Td = 1 с, K = 10 и K = 100 На систему автоматического регулирования могут воздействовать внешние возмущения d = d(s) и шум измерений n = n(s) (см. рис. 2). Внешние возмущения (влияние нагрузки, изменение температуры окружающей среды, ветер, течение воды и т.п.) обычно распределены пространственно по объекту, однако для упрощения анализа их моделируют сосредоточенным источником d(s), приложенным к входу или источником d(s)P(s), приложенным к выходу объекта. Источник шума n(s) моделирует погрешность измерений выходной переменой y, погрешность датчика, а 7 также помехи, воздействующие на канал передачи сигнала с выхода системы на ее вход. С учетом возмущающих воздействий и шума уравнение системы автоматического управления примет вид y(s) P( s) R( s) 1 P( s) r ( s) n( s ) d (s) 1 P(s) R( s) 1 P( s) R( s) 1 P( s) R( s) (7) Рассмотрим несколько частных случаев. 1. П-регулятор Пусть интегральная и дифференциальная компоненты отсутствуют, т.е. Td = 0, Ti = ∞. Тогда из (5) получим R(s) = K и (7) можно преобразовать к виду P( s) K 1 P( s) y(s) r (s) n( s ) d (s) (8) 1 P( s) K 1 P( s) K 1 P( s) K В установившемся режиме, при t→∞ или s = jω→0 передаточная функция процесса P(s) равна коэффициенту передачи Kp. При этом выражение (8) преобразуется к виду y K pK 1 K pK r Kp 1 n d 1 K pK 1 K pK (9) Как следует из полученной формулы, влияние возмущений d снижается с ростом петлевого усиления KpK и при KpK ˃˃1 обратно пропорционально коэффициенту регулятора K. Однако проблема устойчивости не позволяет выбирать K как угодно большим. Влияние помехи n также уменьшается с ростом петлевого усиления и пропорционального коэффициента регулятора. Дополнительно влияние помехи можно уменьшить применением экранирования, правильного заземления, витых пар, уменьшением длины проводников в цепи обратной связи и др. При пренебрежимо малых помехах и внешних возмущениях погрешность П-регулятора δy, как следует из (9), определяется величиной пропорционального коэффициента усиления: y r K pK 1 K pK r 1 r 1 K pK (10) 8 Эта погрешность обычно не может быть сделана как угодно малой путем увеличения усиления K-регулятора, поскольку с ростом K сначала падает запас по фазе и усилению системы с обратной связью, что ухудшает ее робастность и качество регулирования, затем возникают периодические колебания (система теряет устойчивость). Поэтому в П-регуляторах для снижения погрешности используют метод компенсации. Для этого к входу объекта регулирования P прикладывают компенсирующее воздействие ub, которое аддитивно добавляется к возмущению d, чтобы суммарное воздействие возмущения и компенсирующего воздействия d′ стало равно d′ = d + ub. Отметим, что при изменении значения уставки компенсацию нужно выполнить заново, поскольку погрешность (10) пропорциональна r (т.е. является мультипликативной), а компенсация в виде d′ = d + ub является аддитивной (не зависит от r). Скомпенсировать погрешность можно также с помощью коррекции величины r. Для этого управляющее воздействие после коррекции (обозначим его r′), как следует из (9) и (10), должно иметь вид r' 1 K pK K pK r (11) Переходный процесс в контуре с П-регулятором при Kp = 1 и разных K показан на рис. 4. При малых K система имеет малое перерегулирование, но большую статическую погрешность (50%). С ростом K погрешность уменьшается, но возрастает перерегулирование. Рис. 4. Изменение переменной y(t) во времени при подаче единичного скачка r(t) на вход системы при разных K Объясняется поведение П-регулятора следующим образом. С ростом усиления вся АЧХ разомкнутой системы (АЧХ петлевого усиления KP(s)) сдвигается вверх, в том числе возрастает усиление на частоте ω180, где 9 фазовый сдвиг в контуре с обратной связью равен 180˚. Это приводит к уменьшению запаса по фазе и усилению, возрастает колебательность и перерегулирование. Если петлевое усиление на частоте ω180 достигает 1, в системе устанавливаются незатухающие колебания. 2. И-регулятор Рассмотрим теперь случай, когда в ПИД-регуляторе остается только интегральный член, т.е. K = 0 и Td = 0. Из (4) получим u ( s) 1 e( s ) Ti s (12) Модуль и аргумент передаточной функции (5.47) равны R ( ) 1 Ti Arg R( ) 2 (13) АЧХ И-регулятора в логарифмическом масштабе представляет собой прямую линию с наклоном -20 дб/дек во всем диапазоне частот, от 0 до ∞, которая пересекает ось частот (проведенную при log|R(ω)| = 0) в точке 1/Ti. ФЧХ представляет собой горизонтальную линию с ординатой - 90°. На низких частотах, при ω<1/Ti, коэффициент передачи регулятора (13) больше единицы и стремится к бесконечности при ω→0. Поскольку случаю ω→0 во временной области соответствует t→∞, или установившийся (равновесный) режим для асимптотически устойчивых систем, то передаточная функция любого устойчивого объекта (за исключением объектов с интегрирующими процессами) при t→∞ будет равна статическому коэффициенту передачи Kp. Поэтому, подставляя в (7) P(s) = Kp и R(s) →∞, получим для системы с И-регулятором y=r (14) Это означает, что система с И-регулятором не имеет ошибки в установившемся режиме. На рис. 5 показаны переходные характеристики замкнутой системы с И-регулятором и объектом второго порядка вида W ( s) 1 1 sT 2 (15) где T = 0,1с. При больших постоянных интегрирования Ti переходная характеристика имеет вид, сходный с характеристикой апериодического 10 звена. С уменьшением Ti растет усиление регулятора в соответствии с (13) и когда на частоте ω180 петлевое усиление контура с обратной связью приближается к 1, в системе появляются колебания (рис. 5, кривая Ti = 0,1с). Рис. 5. Реакция на скачок r(t) замкнутой системы с объектом 2-го порядка (15) с И-регулятором при T = 0,1 с и разных Ti Вторым фактором, влияющим на устойчивость замкнутой системы, является дополнительный сдвиг фаз величиной - 90°, вносимый И-регулятором в контур регулирования. Поэтому объект 1-го порядка с малой транспортной задержкой или объект 2-го порядка, устойчивый в контуре с П-регулятором, может потерять устойчивость в контуре с Ирегулятором. 3. ПИ-регулятор В ПИ-регуляторе только постоянная дифференцирования равна нулю, Td = 0: R(s) K 1 Ti s (16) АЧХ ПИ-регулятора можно получить из рис. 3, если отбросить правую ветвь АЧХ с наклоном +20 дБ/дек. При этом сдвиг фаз на частотах выше 1 Гц (на рис. 3) не превысит уровень 0˚. Таким образом, ПИ-регулятор имеет два существенных положительных отличия от И-регулятора: во-первых, его усиление на всех частотах не может стать меньше K, следовательно, увеличивается динамическая точность регулирования, во-вторых, по сравнению с Ирегулятором, он вносит дополнительный сдвиг фаз только в области низких частот, что увеличивает запас устойчивости замкнутой системы. Оба фактора дают дополнительные степени свободы для оптимизации качества регулирования. В то же время, как и в И-регуляторе, модуль коэффициента передачи регулятора с уменьшением частоты стремится к бесконечности, обеспечивая тем самым нулевую ошибку в установившемся режиме. 11 Отсутствие сдвига фаз на высоких частотах позволяет увеличить скорость нарастания управляемой переменной (по сравнению с И-регулятором) без снижения запаса устойчивости. Однако это справедливо до тех пор, пока пропорциональный коэффициент K не станет настолько большим, что увеличит усиление контура до единицы на частоте ω180. Рис. 6. Реакция замкнутой системы с ПИ-регулятором на скачок r(t) при Ti = 1 с для объекта вида (15) при T = 1 с Рис. 7. Реакция замкнутой системы с ПИ-регулятором на скачок r(t) при Ti = 0,1 с для объекта вида (15) при T = 1 с Переходный процесс в ПИ-регуляторе при разных сочетаниях Ti и K показан на рис. 6, рис. 7. При K = 0 (рис. 6) получаем И-регулятор. С ростом пропорционального коэффициента K появляется дополнительная ошибка во время переходного процесса (см. также рис.4 и (10)), которая уменьшается с ростом K, однако при этом снижается запас устойчивости системы, поскольку с ростом K увеличивается усиление на частоте ω180. Это приводит к появлению затухающих колебаний в начале переходного процесса (рис. 6). Когда величина K становится достаточно большой для компенсации 12 ослабления сигнала в объекте на частоте ω180, в системе появляются незатухающие колебания. Следует отметить, что в отличие от П-регулятора, в котором ошибка остается в установившемся режиме, наличие интегрального члена в ПИ-регуляторе сводит эту ошибку в идеальном регуляторе до нуля, как в И-регуляторе. Выражение для ошибки ПИ-регулятора можно получить, подставив (16) в (6) и вычтя из полученного выражения r(s): y( s) sTi r ( s) sTi sKTi P( s) P( s) (17) Рис.8. АЧХ замкнутого контура с ПИ-регулятором при Ti = 0,2 с для объекта вида (15) при T = 0,1с Как видим, при s→0, т.е. в установившемся режиме, ошибка δy(s) →0. Однако появление пропорционального коэффициента приводит к затягиванию переходного процесса по сравнению с И-регулятором при тех же Ti и T, (рис. 6). Объясняется это тем, что в ПИ-регуляторе сигнал ошибки ε(t), поступающий на вход интегратора, меньше, чем в И-регуляторе (он уменьшается благодаря пропорциональному коэффициенту), поэтому сигнал, компенсирующий ошибку нарастает медленнее, чем в И-регуляторе. В частотной области этот процесс можно объяснить тем, что с ростом K полюс 1/KTi передаточной функции смещается влево (рис. 3), т.е. расширяется область частот, в которой интегральной составляющая пренебрежимо мала и ПИ-регулятор вырождается в чистый П-регулятор, для которого характерна статическая ошибка. В АЧХ замкнутой системы с большим K (рис. 8) появляется погрешность (уменьшение амплитуды выходного сигнала) в диапазоне частот выше 1/KTi. С ростом K эта частота 13 сдвигается влево, что во временной области соответствует затягиванию процесса установления. 4. ПД-регулятор Если в уравнении ПИД-регулятора положить Ti = ∞, получим уравнение регулятора без интегрального члена (ПД-регулятор): T R ( s ) K Td s K 1 d s , K откуда следует, что на высоких частотах (в начале переходного процесса) ПД-регулятор имеет высокое усиление и, следовательно, точность, а в установившемся режиме (при s→0) он вырождается в П-регулятор со свойственной ему статической ошибкой. Если статическую ошибку скомпенсировать, как это делается в П-регуляторах, то возрастет ошибка в начале переходного процесса. Таким образом, ПД-регулятор по своим потребительским свойствам оказывается хуже П-регулятора, поэтому на практике он используется крайне редко. П-регулятор имеет только одно положительное свойство: он вносит в контур регулирования положительный фазовый сдвиг (рис.3), что повышает запас устойчивости системы при малых Td. Однако с увеличением Td растет усиление регулятора на высоких частотах, и, когда петлевое усиление контура регулирования достигает единицы на частоте ω180, система переходит в режим автоколебаний. 5. ПИД-регулятор ПИД-регулятор (5) можно получить добавлением дифференциального члена к ПИ-регулятору. Поэтому на ПИД-регулятор переносятся все свойства ПИ-регулятора и добавляются новые. Дифференциальный член, как следует из рис. 3, вносит положительный фазовый сдвиг до 90˚ на частотах выше K/Td. Это позволяет обеспечить устойчивость или улучшить качество регулирования системы в случаях, когда это невозможно сделать с помощью ПИ-регулятора. На рис. 9 показано влияние постоянной дифференцирования на форму отклика замкнутой системы на скачок r(t). Уменьшение амплитуды колебаний и увеличение коэффициента затухания с ростом постоянной дифференцирования Td объясняется тем, что благодаря положительному наклону АЧХ в области ω ˃ K/Td (см.рис. 3) уменьшается сдвиг фаз в контуре регулирования. 14 Рис. 9. Реакция замкнутой системы с ПИД регулятором на скачок r(t) при Ti = 0,0015 с, К = 6 для объекта вида (15) при T = 0,1 с Дальнейшее увеличение постоянной дифференцирования (т.е. снижение частоты ω = K/Td) приводит к росту усиления ПИД-регулятора на высоких частотах, при ω ˃ K/Td (рис.3). Поскольку фазовый сдвиг φ = Lω, связанный с транспортной задержкой L, неограниченно увеличивается с ростом частоты, то при увеличении усиления в связи с ростом Td всегда наступает момент, когда петлевое усиление системы на частоте фазового сдвига180˚ превысит единицу. При этом на переходной характеристике замкнутой системы сначала появляются затухающие колебания (кривая Td = 0,75 с), затем, при дальнейшем увеличении Td, система переходит в колебательный режим. 15 СОСТАВ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА Лабораторный стенд, внешний вид которого показан на рис. 10, состоит из вентиляторной установки с асинхронным двигателем 1, частотного преобразователя Danfoss 2, датчика давления воздуха 3, пульта управления 4, наборного поля 5. 2 3 5 4 1 Рис. 10. Внешний вид лабораторного стенда Схема лабораторного стенда показана на рис 11. + Рис. 11. Схема лабораторного стенда Для поддержания с помощью преобразователя частоты того или иного заданного параметра используется ПИД-регулятор. 16 УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ Внимание. Работа на лабораторном стенде относится к категории особо опасных. Стенд подключен к трехфазной сети с линейным напряжением 380 В. 1. Сборку электрических схем для проведения лабораторной работы производить при отключенном питании стенда. 2. Включение питания стенда и выполнение лабораторной работы производить только после разрешения преподавателя. 3. Перед выполнением работы студенты должны быть проинструктированы в соответствии с инструкцией по технике безопасности при работе в лаборатории кафедры ЭТКС и расписаться в журнале инструктажа. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Подключение частотного преобразователя В качестве примера рассматривается настройка ПИД-регулятора преобразователя частоты Danfoss для вентиляторной установки с датчиком давления воздуха. Задача установки заключается в поддержании необходимого давления воздуха. Сигнал задания будет сниматься с потенциометра, расположенного в пульте управления 4 (см. рис. 10). Потенциометр R1 подключается к частотному преобразователю по схеме, показанной на рис. 12. R1 Рис. 12. Схема подключения потенциометра к частотному преобразователю Для удобства монтажа разъемы клемм управления частотного преобразователя выведены на наборное поле 5 (см. рис. 10). Сигнал обратной связи снимается с датчика давления, который подключается по схеме, показанной на рис. 13. 17 Рис. 13. Схема подключения датчика давления к частотному преобразователю При подключении датчика давления необходимо соблюдать полярность. Датчик давления может быть токовым или потенциальным. Поскольку в лабораторном стенде используется потенциальный датчик давления, то необходимо указать, что 54-й аналоговый вход работает в потенциальном режиме. Для этого переключатель А54, расположенный под графической панелью (рис. 14), переводится в крайнее левое положение. Рис. 14. Установка аналогового входа 54 в потенциальный режим Управляющие сигналы подключаются к частотному преобразователю в соответствии со схемой, показанной на рис. 15. Запуск двигателя производится путем включения выключателя S1, расположенного на пульте управления. S1 Рис. 15. Схема подключения управляющих сигналов к частотному преобразователю Перед включением стенда необходимо установить рычаг управления 1 выходными жалюзи 2 (рис. 16) в положение «ном» (рис. 17), которое соответствует номинальному расходу воздуха. 18 1 2 Рис. 16. Выходные жалюзи макс ном Рис. 17. Рычаг управления жалюзи 19 2. Программирование преобразователя частоты Программирование преобразователя частоты возможно как с графической панели местного управления, так и при помощи компьютера с установленным программным обеспечением MCT-10, позволяющим также производить контроль параметров преобразователя в графическом виде. Компьютер с программным обеспечением МСТ-10 подключается к преобразователю частоты с помощью USB-кабеля (рис. 18). Рис. 18. Подключение компьютера к преобразователю частоты Рис. 19 После запуска программы МСТ-10 производится автоматическое определение преобразователя частоты. Через открывшееся ниспадающее древовидное меню (рис. 19) доступны для редактирования все возможные параметры преобразователя частоты. 20 Для предварительных настроек (рис. 20) преобразователя частоты Danfoss в группу параметров 1-2 необходимо ввести следующие паспортные данные двигателя: 1-22 - номинальное напряжение двигателя (380 В), 1-23 - номинальная частота (50 Гц), 1-24 - номинальный ток двигателя (1,26 А), 1-25 - номинальная скорость двигателя (2760 об/мин). Рис. 20 Рис. 21 Далее производится параметрирование аналоговых входов преобразователя частоты в группе параметров 6 (рис. 21). В группе 6-1 задаются параметры сигнала задания: 6-10 – присваивается значение 0 вольт, 6-11 – присваивается значение 10 вольт, 6-14 – устанавливается также равным 0 (это значение в инженерных единицах), 6-15 – устанавливается равным 500 (это значение в инженерных единицах). Таким образом, крайнее левое положение потенциометра будет соответствовать давлению 0 Па, а крайнее правое – 500 Па. 21 В группе 6-2 (рис. 22) задаются параметры датчика: 6-20 и 6-21 – это электрические параметры датчика в вольтах, 6-24 и 6-25 – это параметры датчика в инженерных единицах (в нашем случае в Па). 6-20 устанавливается равным 0, 6-21 устанавливается равным 10, 6-24 устанавливается равным 0, а 6-25 устанавливается равным 500. Рис. 22 Рис. 23 Рис. 24 Затем преобразователь настраивается таким образом, чтобы он работал в контуре регулирования процесса: параметр 1-00 устанавливается в значение «Closed Loop» (рис. 23). Это будет значить, что преобразователь работает в замкнутом контуре. В параметре 3-15 (рис. 24) указывается, что задание производится от аналогового входа 53. Параметрами 3-02 и 3-03 (рис. 25) определяется диапазон, в котором работает контур. Это минимальное (0) и максимальное (500) значение регулируемой величины, указанное в инженерных единицах. 22 Рис. 25 Рис. 26 Рис. 27 Параметрам 3-41 (время разгона) и 3-42 (время торможения) присваивается значение 2 (рис. 26). Это значение подходит не для всех применений и выбирается индивидуально в каждом конкретном случае. Для перевода преобразователя частоты в автоматический режим необходимо нажать кнопку «Auto On» на графической панели местного управления. Для графического отображения процесса настройки ПИД-регулятора необходимо создать осциллограф, выбрав в диалоговом меню проекта (рис. 27) вкладку «новый осциллограф» (Project – New – Scope Folder). 23 После двойного щелчка по иконке «New Folder 1» открывается экран осциллографа (рис. 28). Рис. 28 Рис. 29 Для выбора требуемых каналов просмотра (до двух одновременно) необходимо навести указатель на свободное поле под экраном и нажать правую кнопку. В открывшемся всплывающем окне выбрать строку «Add Channel» (рис. 29). После этого появляется диалоговое меню (рис. 30), в котором выбирается преобразователь частоты (Network – USB1 – 1.FC302) и во 24 всплывающем окне выбираются необходимые для наблюдения параметры преобразователя частоты. Рис. 30 Рис. 31 Для настройки ПИД-регулятора потребуется 2 канала. Это каналы задания в единицах – «Refernce Unit» (см. рис. 30) и обратная связь в единицах – «Feedback Unit» (рис.31). После выбора канала задания нажимается кнопка «Next» и появляется диалоговое меню с параметрами канала (рис. 32). 25 В настройках канала необходимо указать масштаб для осциллографа. Это масштаб для оси Y, ось X – временная. Выбираем 5 единиц на клетку и нажимаем «ОК». Рис. 32 Рис. 33 3. Настройка ПИД-регулятора Настройка ПИД-регулятора в преобразователях частоты Danfoss заключается в определении коэффициентов пропорциональной и интегральной составляющих регулятора. Для определения пропорциональной составляющей необходимо выполнить следующие действия (рис. 33): присвоить параметру 20-94 максимальное значение (10000), исключив тем самым влияние интегральной составляющей, задать параметру 20-93, который отвечает за пропорциональную составляющую, значение равное 1. Управление работой преобразователя частоты осуществляется с пульта управления 4 (см. рис. 10). Запуск преобразователя частоты производится путем включения выключателя S1 на пульте управления. Задание устанавливается с помощью потенциометра R1 пульта управления. 26 Для наблюдения за состоянием регулируемой величины используется виртуальный двухканальный осциллограф. Для запуска осциллографа нужно дважды щелкнуть по иконке «New Folder 1» в левом нижнем углу экрана и нажать кнопку на панели меню программы MCT10, отмеченную стрелкой на рис. 34. Рис. 34 Рис. 35 Переходная характеристика при отсутствии регулирования (при коэффициентах ПИД-регулятора, заданных в соответствии с рис. 33) показана на рис. 35. 27 Из графика видно, что переходная характеристика имеет апериодический вид. Кроме этого, имеется значительная статическая погрешность. Обратить внимание на разность масштабов графиков по оси Y (для задания – 50 В/деление, а для выходной величины – 20 В/деление). После увеличения пропорциональной составляющей до 5 (рис. 36) график переходной характеристики будет иметь вид, показанный на рис. 37. Рис. 36 Рис. 37 Рис. 38 По сравнению с предыдущим графиком переходной характеристики существенно уменьшилась статическая погрешность, сократилось время нарастания, однако появились автоколебания выходной величины. 28 При увеличении пропорциональной составляющей до 10 (рис. 38) график переходной характеристики будет иметь вид, показанный на рис. 39. Рис. 39 Рис. 40 Из графика видно, что появилось перерегулирование. Автоколебания увеличились по амплитуде, достаточно хорошо видны на осциллографе и имеют устойчивый характер (рис. 39). При использовании только пропорциональной составляющей всегда будет возникать, так называемая, статическая ошибка регулирования. Это разница между заданием и реальным значением регулируемой величины. Значение пропорциональной составляющей нужно выбрать таким, при котором автоколебаний нет (см. рис. 33) и убедиться в отсутствии автоколебаний (см. рис. 35). Для устранения статической ошибки необходимо добавить влияние интегральной составляющей: параметр 20-94 необходимо уменьшить, установить равным 10 (рис. 40) и продолжить наблюдение за состоянием регулируемой величины. В процессе наблюдения видно, что статическая ошибка уменьшается (рис. 41). 29 Рис. 41 Рис. 42 Рис. 43 При увеличении влияния интегральной составляющей (уменьшении параметра 20-94 до 5 (рис. 42)), существенно уменьшается время нарастания и статическая ошибка (рис. 43). 30 При дальнейшем увеличении влияния интегральной составляющей (уменьшении параметра 20-94 до 1 (рис. 44)) в определенный момент автоколебания начинают возникать вновь (рис. 45) – это чрезмерное влияние пропорциональной составляющей. Рис. 44 Рис. 45 Рис. 46 Если и далее продолжать увеличение влияния интегральной составляющей (уменьшение параметра 20-94 до 0,1 (рис. 46)), то в определенный момент автоколебания становятся незатухающими (рис. 47). 31 Рис. 47 Рис. 48 Рис. 49 Для устранения колебаний необходимо уменьшить пропорциональную составляющую (рис. 48) и вернуться к наблюдению за состоянием регулируемой величины. Из графика переходной характеристики видно (рис. 49), что колебания существенно уменьшились и стали затухающими. 32 Уменьшать пропорциональную составляющую нужно до тех пор (рис. 50), пока не исчезнут колебания (рис. 51). Рис. 50 Если остается статическая ошибка регулирования, то необходимо вновь увеличить влияние интегральной составляющей (уменьшить значение параметра 20-94). Как только значение регулируемой величины сравняется с заданием и перестанет колебаться (рис. 51), процесс настройки можно считать завершенным. Рис. 51 Для проверки точности настройки можно посмотреть, как ведет себя система при наличии возмущающих воздействий. Для этого необходимо перевести рычаг управления жалюзи в положение «макс» (см. рис. 17), что соответствует увеличенному расходу воздуха. При этом происходит падение давления в вентиляционном канале, однако через некоторое время система компенсирует это падение за счет увеличения оборотов двигателя вентилятора (рис. 52). 33 Рис. 52 макс ном мин Рис. 53 При переводе рычага управления жалюзи в положение «мин» (рис. 53) расход воздуха уменьшается. При этом происходит повышение давления в вентиляционном канале, однако через некоторое время система компенсирует это повышение за счет уменьшения оборотов двигателя вентилятора (рис. 54). 34 Рис. 54 При изменении возмущающего воздействия присутствует некоторое перерегулирование (рис. 52, 54), что характерно для всех ПИД-регуляторов. УКАЗАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА Отчет должен содержать: 1. Титульный лист с названием работы. 2. Цель и задачи работы. 3. Схему лабораторной установки. 4. Графики всех рассмотренных режимов. 5. Расчет времени нарастания, времени регулирования перерегулирования для всех графиков переходных характеристик. 6. Выводы. и КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Расскажите о назначении ПИД-регулятора и принципе его работы. 2. Нарисуйте АЧХ и ФЧХ ПИД-регулятора. 3. Укажите особенности переходного процесса в контуре с П-регулятором. 4. Укажите особенности переходного процесса в контуре с И-регулятором. 5. Укажите особенности переходного процесса в контуре с ПИрегулятором. 6. Нарисуйте АЧХ замкнутого контура с ПИ-регулятором. 35 7. Назовите недостатки П-регулятора. 8. Как устранить статическую ошибку при постоянном задающем воздействии? 9. Укажите особенности переходного процесса в контуре с ПИДрегулятором. 10. Расскажите порядок настройки ПИД-регулятора. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. VLT® AutomationDrive FC 301/302 0,25–75 кВт. Инструкции по эксплуатации. 2. VLT® AutomationDrive FC 301/302 0,25–75 кВт. Руководство по программированию. 3. Справочник по теории автоматического управления под ред. А.А. Красовского. – М.: Наука, 1987 – 712 с. 4. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием – М.: Горячая линия-Телеком, 2009 – 608 с. 5. Энциклопедия АСУ ТП (http://bookasutp.ru). СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ЦЕЛЬ РАБОТЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Классический ПИД-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. П-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. И-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. ПИ-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. ПД-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. ПИД-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . СОСТАВ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Подключение частотного преобразователя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Программирование преобразователя частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . УКАЗАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 4 4 7 9 10 13 13 15 16 16 16 19 34 34 35 Учебное издание НАСТРОЙКА ПИД-РЕГУЛЯТОРА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ DANFOSS ДЛЯ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ Практикум Составители: Бутаков Валерий Михайлович Павлов Павел Павлович Юшин Игорь Олегович Кафедра «Электротехнические комплексы и системы» КГЭУ Редактор редакционно-издательского отдела М.М. Надыршина Компьютерная верстка Ю.Ф. Мухаметшина Подписано в печать 14.07.17. Формат 6084/16. Бумага «Business». Гарнитура «Times». Вид печати РОМ. Усл. печ. л. 2,09. Уч.-изд. 2,32 л. Тираж 500 экз. Заказ № 129/эл. Редакционно-издательский отдел КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51
