【正文】 示 圖 ==2 時仿真曲線 （ 3）比例積分微分控制 消除了靜差，超調(diào)過大，可加入微分環(huán)節(jié)，能使超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時間縮短。 Kc 越大，對系統(tǒng)偏差變化控制作用增強(qiáng)。我們不能在實(shí)際過程中應(yīng)用這組參數(shù)，必須進(jìn)行再調(diào)試。 當(dāng) Flag=0 時， sys 各變量值代表意義如下： sys[1]是連續(xù)狀態(tài)變量個數(shù)， sys[2]表示離散變量的個數(shù)， sys[3]輸出變量個數(shù)， sys[4]輸入變量個數(shù)， sys[6]是前向通道的個數(shù)，默認(rèn)為 1， sys[7]表示采樣時間，默認(rèn)為 1。 控制方案的仿真 比較 不同控制算法仿真比較如表 。正確填寫控制網(wǎng)通信模 塊的節(jié)點(diǎn)號(01)和槽號 (02)，如圖 所示，“ ElectronicKeying”選擇“ DisableKeying”，點(diǎn)擊 OK。 圖 程序標(biāo)簽的添加 打開“ MainProgram”文件夾下“ MainRoutine”，如圖 所示，即可打開梯形圖程序編寫界面。 這時編程軟件會顯示 I/O OK 如 圖 所示 。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 模糊 PID 程序設(shè)計 模糊 PID 流程圖 將模糊控制與 PID 控制簡單的并聯(lián)，中間選用一個軟開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)偏差大時，則采用模糊控制，使系統(tǒng)快速反應(yīng)；即當(dāng)系統(tǒng)偏差小時，采用 PID 控制，消除穩(wěn)態(tài)誤差。 ? 組合輸入信號的“總和值”，表示了各類輸入的作用總效果，相當(dāng)于生物神經(jīng)元的膜電位； f 是神經(jīng)元的激活函數(shù)，表示輸入和輸出之間的對應(yīng)關(guān)系，一般都是非線性的。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)庫組態(tài)，建立數(shù)據(jù)庫如圖 所示。說明系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，反應(yīng)慢，精度高。 模糊 PID 控制 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 經(jīng)過調(diào)試，實(shí)驗(yàn)最后選用參數(shù) Ke=， Kc=， Ku= 作為模糊部分的參數(shù)，在給定值為 1000r/min,其實(shí)時控制曲線如圖 所示。因此選擇模糊和 PID 聯(lián)合使用。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為不超過 15r/min。 圖 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 響應(yīng)圖 系統(tǒng)在 22:03s 啟動，在 22:11s 達(dá)到最大值，最大值為 1060r/min,超調(diào)量為 60 轉(zhuǎn)。分析原因如下：（ 1）由于單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制算法的數(shù)據(jù)復(fù)雜，計算量很大。順利完成了 基于 PLC 控制的交流電 機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 的 各項(xiàng)任務(wù)要求，現(xiàn)將主要工作總結(jié)如下： （ 1）基礎(chǔ)理論知識的補(bǔ)充和復(fù)習(xí)。 （ 5）監(jiān)控界面的設(shè)計。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 40 （ 2） 多節(jié)點(diǎn)控制問題。控制電流和輸出扭矩有較好的線性關(guān)系。還有和我一樣的做畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)，我們經(jīng)常一起交流學(xué)習(xí)和互 相幫助， 共同解決大家遇到的問題。 最后 ，就是實(shí)驗(yàn)室的朋友們了。這種方法沒有將突加負(fù)載量化，只是進(jìn)行了定性分析。本實(shí)驗(yàn)沒有采用設(shè)備網(wǎng)， PowerFlex40 變頻器可以通過適配器直接連在設(shè)備網(wǎng)上，這樣控制就更加 方便和高效。 （ 4）設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)。可以發(fā)現(xiàn)采用 PID 控制系統(tǒng)可以獲得良好的穩(wěn)態(tài)精度，但系統(tǒng)的上升時間和調(diào)節(jié)時間長，超調(diào)量過大 ； 采用 PID 與模糊復(fù)合控制既能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，又能夠快速響應(yīng)，集合了 PID 和模糊各自優(yōu)勢；采用 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制可以得到良好的穩(wěn)態(tài)精度，魯棒性強(qiáng)，適應(yīng)能力好，但調(diào)節(jié)時間比其他兩種控制方案稍長，不過也在能夠接受的范圍內(nèi)。 表 不同控制算法的 仿真 性能比較 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 38 PID 模糊 控制 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 超調(diào)量 40% 10% 3% 上升時間 2s 6s 4s 調(diào)節(jié)時間 4s 6s 5s 穩(wěn)態(tài)誤差 0r/min 40r/min 0r/min 在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中各種算法之間的性能比較如表 。 K 根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試得到。系統(tǒng)上升階段和模糊控制相似，上升時間為 。穩(wěn)態(tài)誤差基本維持在40r/min，個別超出。 所以 PID 控制能滿足設(shè)計要求。最后選用 Kp=， Ki=， Kd= 給定值為 1000r/min 的實(shí)時控制曲線如圖 所示。 圖 力控中選用 OPC 這樣， OPC 通訊就建好了，力控可以通過 OPC 讀和寫數(shù)據(jù)了。 具體程序見附錄二。 PV 為反饋轉(zhuǎn)速，定標(biāo)為最大 1500r/min，最小 0r/min。 注意，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的路徑及通信驅(qū)動的選擇應(yīng)當(dāng)與下載程序的通信驅(qū)動相同，路經(jīng)也應(yīng)相同。選用 0 通道模擬輸入 ，用于檢測反饋電壓；選用 1 通道 模擬 輸出 ，輸出電壓 控制變頻器頻率，量程 均 為 1010V 二進(jìn)制補(bǔ)碼百分比 ，如圖 所示 。選擇正確的控制器類型，如圖 ，輸入控制器名稱，選擇合適的存儲路徑，點(diǎn)擊“ OK”。超調(diào)量較小， 波動小，穩(wěn)態(tài)精度很 高。 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 仿真 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制器不能直接應(yīng)用傳遞函數(shù)加以描述，簡單的 Simulink 無法對其進(jìn)行仿真，需要引用 S 函數(shù)（見附錄一）對其進(jìn)行仿真研究。根據(jù) 資料及調(diào)試，我們選用參數(shù) Ke= ， Kc=1 ， Ku=2。 、 Kc、 Ku 參數(shù)的作用 Ke 越大，對偏差作用增強(qiáng)。 圖 仿真框圖 參數(shù)整定的的局部仿真結(jié)果如下： （ 1） 比例 控制 先比例。 Kp、 Ki、 Kd 參數(shù)的作用 (1)比例作用 Kp 比例控制作用是最基本的控制規(guī)律。 根據(jù)以上得出的關(guān)系式，可得到帶負(fù)載的電機(jī)變頻調(diào)速的數(shù)學(xué)模型如圖 。當(dāng)定子電壓 U，和角頻率以的比為恒定值時，可以把它改寫成如下的形式 ? ? ? ?2 39。2 2139。頻率控制采用模擬量控制（ 圖 ）。 圖 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制 框 圖 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 9 硬件 描述 控制器及 I/O 模塊 控制 器選擇 controllogix 17565561。而 將模糊控制技術(shù)和傳統(tǒng)的 PID 控制相結(jié)合， 將模糊控制和 PID 控制的優(yōu)點(diǎn)很 好的結(jié)合起來 。 總體設(shè)計 以控制器 Controllogix 為核心，應(yīng)用以太網(wǎng)和控制網(wǎng)絡(luò)，選擇變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，異步電機(jī)作為控制對象，測速發(fā)電機(jī)作為檢測機(jī)構(gòu)，構(gòu)成閉環(huán)控制回路。 通過以上說明可知，實(shí)際油田注水采用的設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有很大差異。對不同控制方案進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，得到滿意的曲線，然后對三種方案進(jìn)行對比。主要介紹了變頻調(diào)速原理，系統(tǒng)的總體及方案設(shè)計，硬件選型 等 。一個簡單的 ControlLogix 系統(tǒng)是由一個獨(dú)立的控制器和處于同一框架上的 I/O 模塊組成?；诳刂破骰蛑悄茉O(shè)備內(nèi)所儲存的組態(tài)信息，通過網(wǎng)絡(luò)通信中的狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制，可提供操作或過程中的實(shí)時工廠級數(shù)據(jù)交換。微處理器的發(fā)展，使數(shù)字控制器簡單而又靈活，同時為聯(lián)網(wǎng)提供了可能。 好的調(diào)速系統(tǒng)不僅能提高工作效率，還能達(dá)到節(jié)能的效果。 油田注水由于壓力高、水量大，注水電機(jī)大多是大功率電動機(jī)。所以，PLC 交流調(diào)速系統(tǒng)可以 廣泛應(yīng)用于 油田注水系統(tǒng)中 。 本 設(shè)計是 基于羅克韋爾 PLC 的交流 電機(jī) 變頻 調(diào)速系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)實(shí)時采集、控制量實(shí)時輸出和控制過程的實(shí)時監(jiān)控，達(dá)到系統(tǒng)響應(yīng)快速、控制精確的目的。 Variable frequency control 。因此，采用變頻調(diào)速控制器對油田注水泵用電動機(jī)實(shí)行變轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)注水泵變水量控制是一項(xiàng)非常有效的節(jié)能措施。 并在控制中 加 入各種控制算法 ，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能和提高穩(wěn)態(tài)精度。借助于數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能控制己經(jīng)深入到運(yùn)動控制系統(tǒng)的各個方面。網(wǎng)絡(luò)組態(tài)可以在網(wǎng)絡(luò)啟動時進(jìn)行，而設(shè)備參數(shù)修改或控制器邏輯修改也可在線通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。因背板上有多個通訊接口模塊，可以通過鏈路將一條報文發(fā)送到某模塊的端口，并通過背板從另一個模塊的端口傳遞出來，然后沿著另一個鏈路發(fā)送到最終的目的地 [5]。 第四章軟件設(shè)計。具體參數(shù)如下表 ： 表 3DWH200 油田注水高壓泵性能參數(shù) 油田注水系統(tǒng)中變頻器也是大功率的，例如艾默生 TD20204T2200G 變頻 器。 異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率 s ： 00n nns ?? （ 22） 異步電機(jī)轉(zhuǎn)速 n ： p fsnsn 60)1()1( 0 ???? （ 23） 由公式（ 23），如果電機(jī)的 p 不變，轉(zhuǎn)差率 s 不變，那么轉(zhuǎn)速 n 與頻率輸入頻率f 成正比關(guān)系。 （ 2） 適用性強(qiáng)。 系統(tǒng)框圖見圖 。 Flex I/O 輸入輸出轉(zhuǎn)換： 表 A/D 轉(zhuǎn)換關(guān)系 I O A D 比值 D A 比值 1629 1018 5000 5 1000 3427 1007 4000 4 1000 5230 1006 3000 3 1000 6190 998 2020 2 1000 7126 1016 1000 1 1000 由上表可以看出，模擬輸入與輸出電壓值與 A/D 轉(zhuǎn)換倍數(shù)關(guān)系為 b=1000。 表 變頻器參數(shù)設(shè)置 編程參數(shù) 參數(shù)值 變頻器顯示 d001(輸出頻率 ) P031（電機(jī)銘牌電壓） 220V P032（電機(jī)銘牌頻率） 50Hz P033（電機(jī)過載電流） P034（最小頻率） 0Hz P036（起動源） 1（三線制） P038（ 模擬量輸入 ） 2（單極性電壓型輸入） 變頻器控制電壓 u 與 輸出頻率 f 成線性關(guān)系，即 0— 10V 對應(yīng) 0— 50Hz，寫成關(guān)系式為： uf *010 050??? u 與 AD 轉(zhuǎn)換數(shù)比值為 b。2R — — 定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻 。1 1 2 1 1 23eU s RTpsR R s L L?????? ???? ? ? ? 當(dāng) s 很小時，忽略分母中含 s 各項(xiàng)得 221 1 139。 圖 電機(jī)模型仿真框圖 實(shí)際系統(tǒng)中，電機(jī)開環(huán)運(yùn)動時，變頻器輸出 50Hz 交流電，電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1450r/min。 (2)積分作用 Ki 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 15 積分控制通常與比例控制或微分控制聯(lián)合使用，構(gòu)成 PI 控制或 PID 控制。 但不能 太大， 太大 會使微分作用太強(qiáng)而使控制器的輸出發(fā)生很大的變化 。減小超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差和誤差變化率。 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 仿真 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 的基本原理 單神經(jīng)元作為構(gòu)成神經(jīng) 網(wǎng)路偶的基本單位，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，而 且結(jié)構(gòu)簡單易于計算。 圖 函數(shù)流程圖 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 21 權(quán)值的選擇：權(quán)值初值可以任選，本設(shè)計選為 [ ] K 值的選擇： K 值對系統(tǒng)仿真效果的影響較大，一 般 K 值偏大，將引起系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)多大，而 K 值偏小，則使過度過程加長。 表 不同控制算法的 仿真 性能比較 PID 模糊 控制 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 超調(diào)量 40% 10% 3% 上升時間 2s 6s 4s 調(diào)節(jié)時間 4s 6s 5s 穩(wěn)態(tài)誤差 0r/min 40r/min 0r/min 由仿真結(jié)果可以看出， PID 和單神 經(jīng)元自適應(yīng) PID 都有很好的穩(wěn)態(tài)性能，但單純的 PID 在超調(diào)量 控制方面要差一些。 圖 節(jié)點(diǎn)號和槽號設(shè)置示意圖 在控制網(wǎng)上建立 I/O 模塊。 圖 梯形圖編寫主界面 程序編寫完成后，選擇主例程上方“ Verify Controler”圖標(biāo)，對所編程序進(jìn)行編西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 譯。說明遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被激活，可以使用了 。這樣系統(tǒng)對大偏差反應(yīng)迅速，將其減小，然后 PID 控制發(fā)揮作用，最終消除誤差，所以系統(tǒng)擁有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，而且擁有非常強(qiáng)的抗干擾能力。 輸入向量 1, 2, 3 Tx x x x????? 表示神經(jīng)元的軸突輸出，即神經(jīng)元的輸入向量； 權(quán)值向量 1, 2, 3w w w w????? 表示輸入向量的連接強(qiáng)度； 閥值 ? 表示神經(jīng)元激活的條件； 激活函數(shù) f 表示神經(jīng)元的 輸入輸出關(guān)系； 本設(shè)計所用的激活函數(shù)為 非對稱 Sigmoid 型函數(shù)： 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式 選擇有監(jiān)督的 Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則。 圖 力控數(shù)據(jù)庫 力控數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在可以通過 OPC 與控制器相關(guān)聯(lián)，完成對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的收集 和輸出。 如圖 所示。 圖 模糊控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線 系統(tǒng) 16： 53s 啟動，不到 16： 59s 就已經(jīng)到達(dá)最大值。 大偏差時采用模糊控制，小偏差時采用 PID 控制，用以減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 23： 34s 加上負(fù)載，轉(zhuǎn)速降低，很快回到穩(wěn)態(tài)， 23:42s 去掉負(fù)載，轉(zhuǎn)速陡然升高，很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，而且穩(wěn)態(tài)誤差很小。系統(tǒng) 上升時間為 8s。并且 PLC 的計算速度沒有 PC 機(jī)仿真快，因此 PLC 響應(yīng)時間要長一些。在兩個月的時間內(nèi)，先后補(bǔ)充了變頻調(diào)速、計算機(jī)控制、計算機(jī)仿真、現(xiàn)場總線、 PLC 編程等方面的知識，并學(xué)習(xí)了羅克韋爾軟件的使用和硬件方面的相