【正文】 D232 K1 847 D220 D226 852 END 4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試和數(shù)據(jù)分析 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù) 實(shí)際上本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中把變頻器的上升、 下降時(shí)間調(diào)到一秒 , 而電機(jī)處于空載狀態(tài) , 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小 ,因此可把電機(jī)系統(tǒng)在控制過(guò)程中看成是快變系統(tǒng) ,把采樣時(shí)間或控制一次的時(shí)間定在四秒 ,因此把控制器在控制過(guò)程中看成是慢變系統(tǒng) ,這樣可把系統(tǒng)等效成下面的方框圖形式 (圖 41)所示 。 PID 參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例 系數(shù) P、積分時(shí)間 Ti 和和微分時(shí)間Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程達(dá)到最為滿(mǎn)意的質(zhì)量指標(biāo)要求 。 ??；時(shí)刻所得的偏差信號(hào)和第分別第（和為采樣序號(hào)， kkkekekk )1)()1(, .. .. .。 除了學(xué)會(huì)了三菱 FX2N 型 PLC 的基本知識(shí)，并掌握了 Fx2n 型小型可編程控制 的工作原理和一些指令的功能以外，還掌握了傳感器和變頻器的使用方法，并且深化了我對(duì) PID控制技術(shù)的理解。 經(jīng)過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)， 讓我深深的感受到理論聯(lián)系實(shí)踐的重要性， 平時(shí)在學(xué)習(xí)中不能夠透徹理解的知識(shí)，通過(guò)動(dòng)手，會(huì)有更好的認(rèn)知。不過(guò)經(jīng)過(guò)自己的 努力 和老師的教導(dǎo) ，最后還是做了出來(lái) 。所以還需要使用經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿(mǎn)意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。適用于各種工廠的高精度控制的需要。M3為 電機(jī)的啟動(dòng) /停止選擇開(kāi)關(guān)，為 1是啟動(dòng)，為 0是停止 。 [S3]~[S3]+6 分別用來(lái)存放采樣周期 Ts，動(dòng)作方向，輸入濾波常數(shù) L（ 0~99%），比例增益 Kp，積分時(shí)間 Ti,微分增益α D(0~100%)和微分時(shí)間 Td。 主程序： 主要是用來(lái)啟動(dòng)中斷程序以及控制量的輸入和輸出。 SWOPCFXGP/WINC軟件介紹 本次設(shè)計(jì)對(duì) 上位機(jī) 采用的編程軟件為三菱公司針對(duì) FX系列 PLC 推出的名稱(chēng)為SWOPCFXGP/WINC 的上位機(jī)軟件，它的運(yùn)行環(huán)境為 window95 以上的版本，可對(duì)FX0/FX0S， FX0N,FX1， FX2/FX2C， FX1S,FX1N 和 FX2N/FX2NC 系列 PLC 進(jìn)行程序輸入及其監(jiān)控 PLC 中各軟元件的實(shí)時(shí)狀態(tài)。 速度的測(cè)量可以通過(guò)光電編碼器和PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 psfn /)1(60 ?? （ 21） 對(duì)于成品電機(jī)，其磁極對(duì)數(shù) p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率 s變化不 大，故電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n與電源的頻率 f 成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到異步電機(jī)的調(diào)試目的。 所以 在這里我選擇了 課程中學(xué)習(xí)過(guò)的三菱公司 FX2N32MR 型 PLC FX2n32MR 的各部分構(gòu)成和說(shuō)明 如圖 25 所示 [注 ]圖片引用自三菱 FX2N 使用手冊(cè) 圖 25 FX2n32MR 的各部分構(gòu)成和說(shuō)明 及變頻器 的選型 正確選擇通用型變頻器對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行時(shí)至關(guān)重要的，首先要明確使用通用變頻器的目的，按照生產(chǎn)機(jī)械的類(lèi)型、調(diào)速范圍、速度響應(yīng)和控制精度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等要求，充分了解變頻器所驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性，決定采用什么功能的通用變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，然后決定選用哪種控制方式最合適。 本文以空載形式介紹。FX2n— 4DA 消耗 FX2n 主單元或有源擴(kuò)展單元 5V 電源槽的 30mA 電源。 性能指標(biāo)： 1）電源：模擬電路： 24V177。 可編程控制器 PLC 接收 4~20mA 的轉(zhuǎn)速給定信號(hào)和轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換變 成 12 位數(shù)字信號(hào)，然后在 PLC主機(jī)內(nèi)完成 PI 運(yùn)算，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器輸出0~20mA 電流信號(hào)，在逆變器內(nèi)部，把該信號(hào)對(duì)映變成不同頻率，不同電壓的交流信號(hào)控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后用測(cè)速發(fā)電機(jī)完成速度反饋，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 本文內(nèi)容安排如下 ： 第一章 緒論 介紹了本課題的研究目的和意義，還有變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加減速以 及快速制動(dòng)等。 PID 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)樸、穩(wěn)定性好、 工作 可 靠、使用中不必弄清系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標(biāo)，如安川 VS－ 676H5 高性能無(wú)速度傳感器矢量控制系列，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制還有差別，但它也已做到了 100ms 的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和正負(fù)%（無(wú) PG） ,正負(fù) ％（帶 PG）的速度控制精度，轉(zhuǎn)矩控制精度在正負(fù) 3％左右。 第三階段： 1985 年德國(guó)魯爾大學(xué) Depenbrock 教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（ Direct Torque Control 簡(jiǎn)稱(chēng) DTC）。它是七十年代初由西德 等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原理，由此開(kāi)創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。典型機(jī)種如 1989 年前后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的 FUJI（富士） FRN5OOOG5/P SANKEN（三墾）MF系列等。 在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的諸多領(lǐng)域中 調(diào)速系統(tǒng) 占有著極為重要的地位 特別是在 國(guó)防、汽車(chē)、 冶金、機(jī)械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。我國(guó)電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá) 4 億千瓦，年耗電量達(dá) 6000 億 千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的 80%。 能源 工業(yè) 作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。 Actuators for converter and motor。 通過(guò)設(shè)定交流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速傳輸?shù)?PLC， PLC 根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速通 過(guò)模擬量輸出模塊，輸出模擬信號(hào)控制變頻器的輸出頻率， 控制交流電機(jī)調(diào)速控制。在高速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，中國(guó)能源工業(yè)面臨經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。將現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的 PLC和變頻器綜合起來(lái) ,主要功能實(shí)現(xiàn)了 :變壓變頻調(diào)速 ,電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，加減速以及快速制動(dòng)等。 關(guān)鍵詞 ： PLC 變頻器 PID 控制 Abstract Energy industry as the foundation of the national economy, for the development of society and economy and the improvement of people39。 能源集中的地方也往往成為全世界所關(guān)注的熱點(diǎn)地區(qū)。 1995 年，中國(guó)火電廠煤耗為 412 克標(biāo)準(zhǔn)煤 /kWh，是國(guó)際先進(jìn)水平的 倍。因此，為了加快國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對(duì)國(guó)際變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求有一個(gè)全面的了 解，深入研 究變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。對(duì)變頻器 U／ F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個(gè)階段； 第一階段： 1. 八十年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱(chēng)磁通軌跡法）。三菱日立，東芝也都有類(lèi)似的產(chǎn)品。僅管如此，矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中， 1992 年開(kāi)始，德國(guó)西門(mén)子開(kāi)發(fā)了 6SE70 通用型系列，通過(guò) FC、 VC、 SC 板可以分別實(shí)現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制。然而，這種控制依賴(lài)于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別（ Identification 向你 ID),通過(guò) ID 運(yùn)行自動(dòng)確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗互感、飽和因素、電動(dòng)機(jī)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動(dòng)機(jī)模型估算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的 Band－ Band 控制產(chǎn)生 PWM 信號(hào)對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。采用 PLC 控制，硬件簡(jiǎn)潔、軟件靈活性強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)量小， PLC 技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電機(jī)控制。 優(yōu)勢(shì)： 成本較低，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用廣泛 缺點(diǎn)： 設(shè)計(jì)要求考慮的問(wèn)題和對(duì)待問(wèn)題所要采用的措施相當(dāng)復(fù)雜 ，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求非常高，與 PLC 相比穩(wěn)定性略差。交流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速由測(cè)速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的轉(zhuǎn)速模擬信號(hào)輸入模擬量的輸入模塊，模擬量輸入模塊產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)送入 PLC。 2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系 統(tǒng)的組成及工作 原理 系統(tǒng)主要由 四 個(gè) 部分構(gòu)成，即 速度給定， 可編程邏輯控制器件 PLC、變頻器 ，電機(jī) 和測(cè)速發(fā)電機(jī) ，其中速度給定由 GOT 完成，控制器由 PLC 負(fù)責(zé)，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和變頻器，電機(jī)組成了系統(tǒng)的被控對(duì)象，而測(cè)速發(fā)電機(jī)（光電編碼器）和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成了系統(tǒng)的反饋。 特點(diǎn)： 1）提供 12 位高精度分辨率（包括符號(hào)位） 2） 4 通道電壓輸入（ 10~+10V）或電流輸入（ 20~+20mA）。 FX2n4DA 和FX2n 主單元之間通過(guò)緩沖器交換數(shù)據(jù)， FX2n— 4DA共有 32個(gè)緩沖器，每個(gè)緩沖器16位。 控制對(duì)象 本次設(shè)計(jì)的 被控對(duì)象是一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室用鼠籠式三相交流異步電動(dòng)機(jī)。 擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊都無(wú)CPU，必須與基本單元一起使用。當(dāng)電機(jī)在基頻以上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ,為恒功率區(qū) ,其輸出為電壓不變頻率變化的交流信號(hào) , 控制三相交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,并且 U、 V、 W 的相序任意調(diào)換兩相 , 則電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變一次。 (7) 預(yù)置工作尚未結(jié)束，則按【 ESC】鍵，返回至本功能組的起始位置，重復(fù)第（ 2）步以后的流程。 閉環(huán)控制就是將速度信號(hào)反饋給 PLC，再通過(guò)與給定量比較，輸出給 PID 控制部分，從而調(diào)節(jié)速度使其能達(dá)到設(shè)定要求。 設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān) 按鈕 窗口， 使 電源總開(kāi)關(guān)軟元件為 M0， 開(kāi)關(guān)控制整個(gè)系統(tǒng)的電源的接入和 切斷，編輯 開(kāi)閉環(huán)軟元件為 M1， 控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán) /閉環(huán)狀態(tài)，設(shè)計(jì) 變頻器啟動(dòng)開(kāi)關(guān)軟元件為 M3， 控制變頻器是否接通，設(shè)計(jì) 電機(jī)正反轉(zhuǎn) 的軟元件 選擇為 M2，控制電機(jī)的正 /反轉(zhuǎn)狀態(tài)， 放置數(shù)值輸入窗口，轉(zhuǎn)速設(shè)定軟元件為 D200，用于轉(zhuǎn)速的輸入，同時(shí)放置 數(shù)值顯示窗口，設(shè)定為軟元件 D10，用于實(shí)時(shí)將測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋回的數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換將其顯示 。 如圖 33所示。 ① Ts＞掃描周期 ② [S3]的首地址元件是放置采樣時(shí)間 Ts取值范圍 1~3276ms 20ms ③ [S3]+1 為動(dòng)作方向 ACT Bit 0 為正動(dòng)作 1 為逆動(dòng)作 D102：輸入濾波參數(shù)α，取值為 0~ K70 D103: 比例增益 Kp，取值范圍： ~ （自動(dòng)移位） K5 D104: 積分時(shí)間 Ti，取值范圍： 0~ K2 越短則調(diào)整越快，系統(tǒng)越不穩(wěn)定 D107~D109 不可使用 [S3]+22 D122 輸出變化量報(bào)警設(shè)定值（增側(cè)） D123 輸出變化量報(bào)警設(shè)定值（減側(cè)） [S3]+24 報(bào)警輸出 X 0P I D D 0 D 1 D 1 0 0 D 1 5 0給 定 反 饋2 5 個(gè) 單 位結(jié) 果S 3 圖 33 FX2n 的 PID 指令 程序 設(shè)計(jì) 程序的梯形圖編程 以下程序中， M0 為 系統(tǒng)的 電源開(kāi)關(guān)，為 1時(shí)輸出 Y0 接通，為變頻器接通電源，為 0 時(shí)輸出 Y0 斷開(kāi)。 R / ( S )K p ( 1 + 1 / T i S ) K sK fN ( s ) 圖 41 控制系統(tǒng)等效方框圖 其中 : K P 是控制器比例系數(shù) , T I 是控制器積分時(shí)間常數(shù) , R ( S ) 是速度給定 , n( S) 是轉(zhuǎn)速輸出 , K S 是變頻器、 電機(jī)等在快變系統(tǒng)中等效的放大系數(shù) , K F 是測(cè)速機(jī)和隔離變換器等構(gòu)成的等效反饋系數(shù)。 PID 控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖 42 所示 。2,1 ??? 導(dǎo)出增量式 PID 算法，即 )]2()1(2)([)()]1()([) ????????? kekekekdkkiekekekpku （△ （ 44） 由此可見(jiàn)增量式只需要保持當(dāng)前及前 2次共 3個(gè)時(shí)刻的誤差值 )2()1(),( ?? kekeke 和 即可，相對(duì)位置式的 PID 算法，由于 不是每次輸入都與整個(gè)過(guò)去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算式中用到過(guò)去誤差的累加值 參數(shù)調(diào)整 根據(jù)模擬量輸入模塊 AD 轉(zhuǎn)換關(guān)系 （圖 43） 計(jì)算反饋參數(shù)α + 2 0 4 7+ 2 0 0 0數(shù) 字 量 輸 出電 壓 輸 入10.235v1 0 V 2 0 0 0 2 0 4 8 1 0 V10.240V 圖 43 FX2n4AD 模擬量輸入模塊 AD 轉(zhuǎn)換關(guān)系 計(jì)算閉環(huán)反饋參數(shù) α vX 00 1010 00 ??? （ 45） 0 4 72 3 ?? （ 46） 0 0 01 1 2 01 1 2 0????y 如是閉環(huán)系統(tǒng)則反饋為 ?1 經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，在計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行幾次測(cè)試 ，實(shí)際測(cè)得的結(jié)果如表 41 所示 。 在這次課程 設(shè)計(jì)中我覺(jué)得最重要的就是要有自學(xué)能力，因?yàn)檫@次實(shí)訓(xùn)中有部分知識(shí)我們之前還沒(méi)有接觸過(guò)， 比如模擬量的控制和調(diào)節(jié)， PID 參數(shù)指令的運(yùn)用，因?yàn)樵谡n堂上學(xué)習(xí)的大部分輸出開(kāi)關(guān)量的控制，對(duì)模擬量的了解比較