【正文】 動(dòng)機(jī)模型建立 10 系統(tǒng)傳遞函數(shù) 11 PID 參數(shù)整定 12第5章 硬件設(shè)計(jì) 13 電路設(shè)計(jì) 13 變頻器和PLC的相關(guān)接口電路 13 變量泵轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 14 供電電路設(shè)計(jì) 15 抗干擾設(shè)計(jì) 16 觸摸屏設(shè)計(jì) 16 硬件選型 17 PLC選型 17 電動(dòng)機(jī)的選型 19 變頻器的選型 19 AD/ DA模塊選型 20 轉(zhuǎn)速傳感器的選型 21第6章 軟件設(shè)計(jì) 24 軟件設(shè)計(jì)語言和準(zhǔn)備工作 24 程序模塊 25 轉(zhuǎn)速控制 25 發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)怠速 27 行進(jìn)控制 28 AD轉(zhuǎn)換 29 DA轉(zhuǎn)換 29 軟件抗干擾設(shè)計(jì) 30 MCGS程序設(shè)計(jì) 30 MCGS操作界面設(shè)置 31 MCGS軟件與PLC的通信 32 PLC設(shè)置 32 串口父設(shè)備設(shè)置 32 本設(shè)備屬性和內(nèi)部屬性設(shè)置 32 通信故障分析 33第7章 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析 34 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建 34 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 34第8章 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)效益分析 35 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn) 35 經(jīng)濟(jì)效益分析 35 能源分析 35 維護(hù)分析 35 運(yùn)行效率分析 36第9章 結(jié)論與展望 37 37 37參考文獻(xiàn) 38致謝 39附錄 40附錄A： 外文資料翻譯。作為工程機(jī)械行業(yè)里的“明珠”，挖掘機(jī)的發(fā)明和發(fā)展對(duì)節(jié)省人力提高工作效率發(fā)揮了巨大作用。比較有代表性的有：洛陽聚科特種工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的中小型電動(dòng)挖掘機(jī)；四川邦立重機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CED2606型電動(dòng)液壓挖掘機(jī)；山東山特重工機(jī)械有限公司生產(chǎn)的HXB55型礦用電動(dòng)挖掘機(jī)。例如，德國阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝有新型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機(jī)按最適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司C系列LS5800型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)；還安裝了CAPS(計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng))，提高挖掘機(jī)的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能；日本住友公司生產(chǎn)的FJ系列五種新型號(hào)挖掘機(jī)配有與液壓回路連接的計(jì)算機(jī)輔助功率控制系統(tǒng)，利用精控模式選擇系統(tǒng)，減少燃油、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和液壓功率的消耗，并延長(zhǎng)了零部件的使用壽命；德國奧加凱(Oamp。運(yùn)行過程中，設(shè)備構(gòu)件由設(shè)備窗口統(tǒng)一調(diào)度管理，通過通道連接，向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)庫提供從外部設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫查詢控制參數(shù)，發(fā)送給系統(tǒng)其它部分，進(jìn)行控制運(yùn)算和流程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和過程的自動(dòng)控制。比例控制是一種簡(jiǎn)單的控制方式。在微分控制中，控制器的輸出和輸入誤差信號(hào)的微分成比例關(guān)系。(4)抗干擾設(shè)計(jì)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，在距離較遠(yuǎn)的電氣設(shè)備、儀表、PLC控制系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)之間進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，往往存在干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。自動(dòng)模式則是根據(jù)轉(zhuǎn)速輸入值和轉(zhuǎn)速的測(cè)量值自動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使其被控制在合適范圍內(nèi)，這樣的話就給挖掘機(jī)司機(jī)減少了很多負(fù)擔(dān)，可以把更多的精力用在對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)力臂的控制上。轉(zhuǎn)速顯示是駕駛員對(duì)挖掘機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行判斷的重要參考，所以設(shè)計(jì)中如何更加快速準(zhǔn)確地顯示出挖掘機(jī)的轉(zhuǎn)速十分重要。包括：手動(dòng)調(diào)速模塊、自動(dòng)調(diào)速模塊、自動(dòng)怠速模塊、PID調(diào)節(jié)模塊、AD和DA模塊、抗干擾模塊。(3)根據(jù)實(shí)際需要對(duì)實(shí)驗(yàn)中用到的幾大部件進(jìn)行嚴(yán)格選型。三菱FX2N系列是小型化，高速度，高性能以及各方面都是FX系列中高檔次的裝置，除輸入/輸出16~128點(diǎn)的獨(dú)立用途外，還可以適用于多個(gè)基本組件間的連接，模擬控制，定位控制等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC，并且具有高速處理及大量滿足單個(gè)需要的可擴(kuò)展特殊功能模塊等特點(diǎn)，為各種自動(dòng)化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖如下圖所示：58 圖31挖掘機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)總體控制方案如下圖所示：圖32系統(tǒng)總體控制框圖第4章 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立和PID參數(shù)整定 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定為目標(biāo)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由PLC輸出轉(zhuǎn)速來決定，而PLC的輸出要根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的反饋進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)的控制框圖下圖所示[5]。實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為先比例，再積分，最后微分。再生制動(dòng)是電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)把一部分動(dòng)能通過電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存起來，回收利用。先將輸出的正弦波信號(hào)通過二極管進(jìn)行整流，在轉(zhuǎn)速比較低的時(shí)候傳感器輸出的電壓信號(hào)幅值比較小，為了提高靈敏度，還要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大。LM331 可采用雙電源或單電源供電，可工作在 ～40V 之間，輸出可高達(dá) 40V，而且可以防止 Vcc 短路。 觸摸屏設(shè)計(jì)綜合價(jià)格和性能的考慮，最終選擇LTN141AT08型號(hào)的觸摸屏來替代原來電腦上的普通液晶屏幕。將USB公頭插入到電腦的USB接口，即可實(shí)現(xiàn)用觸摸屏控制電腦。最后，還需考慮到整機(jī)PLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布置，確保主站和各個(gè)分站能可靠對(duì)接。技術(shù)指標(biāo)：(1)額定電壓：380V。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把三相或單相交流電變換為直流電（DC），然后再把直流電（DC）變換為三相或單相交流電（AC）。(3)12位轉(zhuǎn)換結(jié)果以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存放。FX2N4AD最大分辨率是12位。所以，我們要用一個(gè)數(shù)字來表示它的大小，然后告訴PLC，PLC才能知道輸入的電壓、電流信號(hào)具體有多大。但是在被測(cè)物體的轉(zhuǎn)速超過磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量范圍時(shí)，磁路損耗會(huì)過大，使得輸出電勢(shì)銳減。第6章 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)語言和準(zhǔn)備工作 對(duì)于PLC的程序編寫，我們采用日本三菱公司提供的GX Developer Version8編程軟件[8]，用戶可以利用它編輯、調(diào)試PLC程序，也可以啟動(dòng)監(jiān)控功能在線監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，同時(shí)安裝與其配套的PLC仿真軟件后，可以不需要硬件設(shè)備開發(fā)控制系統(tǒng)。(3)編程前的準(zhǔn)備工作編程前準(zhǔn)備工作包括信號(hào)地址分配、內(nèi)存單元地址分配及完成信號(hào)分配表信號(hào)地址的分配：輸入輸出信號(hào)包括實(shí)際過程中的輸入輸出信號(hào)。PLC根據(jù)不同輸入繼電器的觸發(fā)觸發(fā)不同的輸出繼電器，輸出繼電器與變頻器的高速、中速、低速的接口直接相連，從而直接改變了變頻器的輸出頻率，進(jìn)而改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。要求高怠速1200轉(zhuǎn)/分。詳細(xì)程序如下所示：圖68 行進(jìn)控制程序 AD轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換和DA轉(zhuǎn)換程序主要應(yīng)用了TO和FROM語句，意思分別是從PLC讀出和讀入到PLC，然后通過對(duì)K17行的16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)賦值來實(shí)現(xiàn)通道選擇和啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換或者DA轉(zhuǎn)換的功能。本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)“看門狗”程序，如下圖所示。在使用前首先要安裝編程電纜的驅(qū)動(dòng)程序，在安裝驅(qū)動(dòng)結(jié)束后，要進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)定。 串口父設(shè)備設(shè)置FX232設(shè)備必須掛接在串口父設(shè)備下，串口父設(shè)備在通用設(shè)備構(gòu)件中。三菱FX232 PLC設(shè)備構(gòu)件把PLC的通道分為只讀，只寫，讀寫三種情況，只讀用于把PLC中的數(shù)據(jù)讀入到MCGS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，只寫通道用于把MCGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)寫入到PLC中，讀寫則可以從PLC中讀數(shù)據(jù)，也可以往PLC中寫數(shù)據(jù)。(3)通信參數(shù)設(shè)置是否正確。傳統(tǒng)挖掘機(jī)電控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面一般都會(huì)用觸摸屏，觸摸屏當(dāng)然有觸摸屏的好處，操作簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求低，低功耗，編程簡(jiǎn)單等等，也正因?yàn)槿绱擞|摸屏的擴(kuò)展性就大大受到了限制，界面雖然簡(jiǎn)潔但是難以美化，一些復(fù)雜的功能難以實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)挖掘機(jī)（20噸機(jī)型）采用110kW變頻電動(dòng)機(jī)，恒功率模式驅(qū)動(dòng)，由于電動(dòng)機(jī)在對(duì)負(fù)載的自適應(yīng)性，能源的使用效率較高，在工作時(shí)的平均功率實(shí)測(cè)為80kW左右?？梢姴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)費(fèi)用比電動(dòng)機(jī)多出十多倍。電動(dòng)挖掘機(jī)作為機(jī)電一體化的產(chǎn)品，集合了機(jī)械、電氣、電力電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)；所以從挖掘機(jī)技術(shù)的高低同時(shí)也可以看出我國科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展情況；而現(xiàn)在我國電動(dòng)挖掘機(jī)正在迅猛發(fā)展，每年的產(chǎn)量也在大幅增加，同時(shí)技術(shù)水平也在不斷進(jìn)步；但我們也清醒看到在一些關(guān)鍵部件與國外先進(jìn)水平的差距，這里面既有屬于機(jī)械加工方面的，也有屬于電子控制方面的。設(shè)計(jì)中肯定還有其它不足和紕漏之處，請(qǐng)各位老師指正。1. 導(dǎo)論近年來,隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論,逐漸涉及到交流電機(jī)系統(tǒng),這些技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于變頻器調(diào)速的交流馬達(dá)。該系統(tǒng)由普通的逆變器和異步電機(jī)組成，是一種復(fù)雜的非線性系統(tǒng),傳統(tǒng)的PID控制策略,并不能滿足要求和進(jìn)一步控制。這個(gè)組合可以促進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反饋付諸實(shí)踐，來實(shí)現(xiàn)其全部的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。由于非線性系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),所以很難要求嚴(yán)格解析反饋信號(hào),這甚至是不可能的。3. 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和它的反饋性能異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)提供的跟蹤電流正弦脈寬調(diào)制逆變器可以表示為非線性模型在兩相循環(huán)的協(xié)調(diào)。它不僅需要獲得原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),還需要獲得了靜態(tài)的數(shù)據(jù)。輸出層是由線性臨界激勵(lì)函數(shù)的神經(jīng)元組成。WinCC用MPI協(xié)議被CP5611貫穿到S7300。它允許控制信號(hào)直接發(fā)送到變頻地址, SFC14/15的系統(tǒng)功能模塊。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被WinCC讀取并寫到Excel上,然后Excel上的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換到矩陣實(shí)驗(yàn)室為在離線運(yùn)行時(shí)獲得原系統(tǒng)的反饋系統(tǒng)。（PI控制下的速度響應(yīng)） （網(wǎng)絡(luò)反饋控制下的速度響應(yīng)）6. 結(jié)論為了改善PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，因而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反饋系統(tǒng)被使用。反饋系統(tǒng)和原系統(tǒng)被組合并構(gòu)建成偽線性系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了線性控制的方法進(jìn)行控制。為了阻止程序A運(yùn)行時(shí)間超過100毫秒，減小程序的運(yùn)行周期和系統(tǒng)錯(cuò)誤，控制步驟和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法被編程為主程序B。不同類型的服務(wù)器和客戶機(jī)可以存取彼此的數(shù)據(jù)來源。西門子的PLC能兼容美國的協(xié)議。50次運(yùn)行之后。信號(hào)的欲處理的第一階段是從每0HZ到50HZ中得到10HZ，并得到開環(huán)響應(yīng)。如果忽略逆變器的延遲,該模型表述如下: (1)（表示同步角頻率；表示轉(zhuǎn)速； 表示定子的電流； 表示轉(zhuǎn)子在軸線上的不穩(wěn)定部分； 表示點(diǎn)的數(shù)量；表示互感系數(shù)；表示慣性轉(zhuǎn)矩；表示轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù)； 表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩。作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性逼近能力,尤其是對(duì)于非線性的復(fù)雜系統(tǒng),它會(huì)是來解決問題的強(qiáng)大工具。然后是對(duì)反饋系統(tǒng)進(jìn)行分析的的介紹,并給出了關(guān)于PLC控制系統(tǒng)中構(gòu)造反饋系統(tǒng)的方法和步驟。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng), 在未來幾年里將是一種新型的控制方法。由于在工業(yè)領(lǐng)域中的糟糕的環(huán)境和嚴(yán)重的干擾,選擇控制器是一個(gè)十分重要的問題。PLC變頻調(diào)速的網(wǎng)絡(luò)反饋系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng),包括一個(gè)異步電動(dòng)機(jī)和通用逆變器、且PLC控制被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。由于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)漫長(zhǎng)的很復(fù)雜的過程，同時(shí)要考慮到這個(gè)系統(tǒng)所涉及的各種影響因素，只有把它們之間的關(guān)系協(xié)調(diào)好了這個(gè)控制系統(tǒng)最終才可能有使用價(jià)值，因此需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷的驗(yàn)證和改進(jìn)。一旦發(fā)生故障，由于備件的通用性差，使挖掘機(jī)短時(shí)間內(nèi)不能恢復(fù)生產(chǎn)。由此可見挖掘機(jī)以電力為動(dòng)力會(huì)比傳統(tǒng)柴油動(dòng)力節(jié)省2/3的投入，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。設(shè)計(jì)中用觸摸屏替換傳統(tǒng)電腦的液晶屏，這樣就成功地束縛了鼠標(biāo)對(duì)駕駛員的綁架，大大提高了駕駛的方便性。第7章 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建在機(jī)械樓對(duì)基于PLC電動(dòng)挖掘機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了搭建，對(duì)部分硬軟件進(jìn)行了調(diào)試，對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)操作。單擊設(shè)備基本屬性中的“設(shè)置設(shè)備內(nèi)部屬性”在打開的屬性頁中，按“增加通道”按鈕，彈出增加通道窗口，在該窗口中設(shè)置：(1)選擇要對(duì)PLC中的那個(gè)繼電器區(qū)或寄存器區(qū)進(jìn)行操作即選擇通道類型(2)選擇是只讀，只寫，還是讀寫，默認(rèn)是只讀。通信參數(shù)必須設(shè)置成與PLC的設(shè)置一樣。右鍵單擊（我的電腦）點(diǎn)擊屬性。本設(shè)備構(gòu)件提供了2個(gè)特定的設(shè)備命令，用于讀寫PLC中指定的繼電器區(qū)或寄存器區(qū)中的任何一個(gè)通道。圖69 AD轉(zhuǎn)換程序 DA轉(zhuǎn)換預(yù)存數(shù)字量到指定位置，啟動(dòng)DA轉(zhuǎn)換，選擇通道一，程序如下。如果有壓力則不進(jìn)行任何操作。程序如下所示：圖61 轉(zhuǎn)速手動(dòng)控制程序自動(dòng)調(diào)節(jié)，通過AD模塊接收瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，然和讓瞬時(shí)轉(zhuǎn)速值和給定值進(jìn)行區(qū)間比較，正常情況下會(huì)出現(xiàn)三種結(jié)果：轉(zhuǎn)速值小于下限、轉(zhuǎn)速值介于下限和上限之間、轉(zhuǎn)速值大于上限，這三種情況每種情況分別對(duì)應(yīng)觸發(fā)相應(yīng)的輔助繼電器，不同的輔助繼電器決定了后續(xù)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的PID參數(shù)不同，總之最終的結(jié)果是讓轉(zhuǎn)速值趨近于給定值，以達(dá)到調(diào)速的目的。內(nèi)存單元地址的分配：內(nèi)存單元通常用于中間運(yùn)算結(jié)果的存儲(chǔ)，包括計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、高速計(jì)時(shí)器、可逆計(jì)數(shù)器、需要掉電保持的繼電器和專用繼電器、內(nèi)部繼電器等。適用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可編程控制器。磁電