【文章內(nèi)容簡介】 的。 控制方案的選擇 繼電器控制的特點 升降臺 2 升降臺 1 太原科技大學畢業(yè)設(shè)計 6 如今繼電器已經(jīng)應用到國內(nèi)生產(chǎn)的方方面面，在一些小型系統(tǒng)的控制上，繼電器控制因為其控制方式單一，所以更加的容易實現(xiàn)。但是這也是隨之帶來的一些問題。繼電器控制是通過硬件接線的方式來實現(xiàn)的。當控制系統(tǒng)較大或者系統(tǒng)的輸出較多時，繼電器控制的接線就會非常復雜，占用的資源也較多。當系統(tǒng)形成后，很難對系統(tǒng)的功能進行調(diào)整。系統(tǒng)的可擴展性受到很大的限制。同時，由于系統(tǒng)的觸點和連線較多，所以給后期對系統(tǒng)的維護和維修都帶來了極大的不便。 PLC 控制的特點 PLC 即為可編程邏輯控制器的簡稱。 PLC 控制具備以下優(yōu)點 功能強大，實用性高。 穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。 系統(tǒng)易于調(diào)試操作。 編程方法簡單 系統(tǒng)易于維護與維修。 占用空間小，能耗低。 PLC 的弊端是 PLC 的體系較為閉塞與獨立，當用戶選擇了一種 PLC 后，必須選擇相應的控制規(guī)則，學習相應的語言。 本控制系統(tǒng)輸出點較多，如果使用繼電器控制則浪費成本并且在多個輸出同時工作的情況下，控制過程較為繁冗，還會產(chǎn)生大量的熱量造成安全隱患。并且在改變燈光的控制規(guī)律時 PLC 控制更加方便。所以我選擇 PLC 控制。 系統(tǒng)建模 異步電機數(shù)學模型的建立 ： 異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩為： 221212221 1121122122211221)()(mp])()[()(m p ULLSRSRRSULLRR SRTN ??????? ????? ）（ () 式中： m——相數(shù)，一般取 m=3； p——電機極對數(shù)； s——轉(zhuǎn)差率； 、 ——定子的相電壓、定子的角頻率； 、 ——定子每相電阻、轉(zhuǎn)子每相電阻； 、 ——定子每相漏感、轉(zhuǎn)子每相漏感； 太原科技大學畢業(yè)設(shè)計 7 異步電機在正常工作的情況下，其臨界滑差率一般較大，即轉(zhuǎn)差率 S 小。所以有12?RSR ，)(? 2112 LLSR ?? 即為 ： SRPUSRSRPUT N2121221221f23)(f23?? ?? （ ） 將1p nn1??S 帶入式（ ）得 ）1p2121n nn1(f23 ?? RPUT ? （ ） 式中： 1n 、 pn ——同步轉(zhuǎn)速、實際轉(zhuǎn)速 r/min； 電機在調(diào)速過程中， 1U 與 1f 的比例關(guān)系基本恒定，得到 constf11 ?U ， 1r211f23 KRPU ??為變頻調(diào)速增益，則 ）1p11rn nn1( ?? UKT （ ） 其中 P11 f60n ?,則 ： ）1p11rn f60 pn1( ?? UKT （ ) 根據(jù)電動機銘牌上標明的各個額定參數(shù)：功率 NP ，電壓 NU ，轉(zhuǎn)速 Nn ，可計算出 60n2 NNNNN PPT ???。 將結(jié)果帶入式（ ），可推導出未知數(shù) 2R : NNN N STPUR f2322 ?? () 進而可得 1rK 的值。 由電機機械運動方程： 太原科技大學畢業(yè)設(shè)計 8 dtdndtdn375 2n GL JGDTT ?? （ ） 式中： LT ——工作機械負載轉(zhuǎn)矩， ； 2GD ——電動機及負載轉(zhuǎn)動慣量， kg. 2m ； JG ——轉(zhuǎn)動慣量， kg. 2m 將式（ ）帶入（ ）得： dtdnf60 pn1( 1p11r GL JTUK ?? ） （ ） 式 經(jīng)拉式變換 得： ）（）（）（ snf60s 1r1r NNG PUKSJUK ?? （ ） 得到電機傳遞函數(shù)近似為： ? ?NN PUKJ G SKSGf60susn1r1r??? ）（）（ （ ） 控制升降舞臺的電機的調(diào)速方式 變頻調(diào)速的控制方法 在本 文 中，升降舞臺通過電機來帶動，所 以要想控制舞臺的同步升降，只要控制了電機轉(zhuǎn)速的同步性就可以控制升降舞臺的同步性。控制電機的轉(zhuǎn)速就涉及到電機的調(diào)速。變頻調(diào)速是常用的電機調(diào)速的方式。概括來說，變頻調(diào)速是通過改變電源頻率來調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速的連續(xù)平滑調(diào)速方法，改變電機電源來改變其轉(zhuǎn)速。 在變頻調(diào)速領(lǐng)域，異步電機在調(diào)速時保持恒定的轉(zhuǎn)差功率，其效率高、動態(tài)性能好的優(yōu)點使其占有不可替代的地位，更有著不可比擬的優(yōu)勢。該方式能夠從根本上入手，對電機施行控制，其控制思想是根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)方程的變換研究得來的，由電機學理論知識得知： 首先定義轉(zhuǎn)差率 s 為： 太原科技大學畢業(yè)設(shè)計 9 11ns n n?? （ ） 由式 ()經(jīng)代數(shù)變換得： ）（ s1nn 1? （ ） 由于 pf6011?n （ ） 將式 ()帶入式 ()，則有異步電機轉(zhuǎn)速公式： )1(pf60n 1 s?? （ ） 式中： 1n ——同步轉(zhuǎn)速， r/min； n——機械轉(zhuǎn)速； 1f ——定子電源頻率， Hz； P——電機的極對數(shù)； S——轉(zhuǎn)差率。 由公式 ()可知，要使電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，可通過以下三種參數(shù)的調(diào)整來實現(xiàn)：電源頻率、極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率。通常情況下，極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率會保持不變，因此只能靠改變供電電源的頻率 1f ，來使 1n 發(fā)生相應變化，進而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)整。 變頻調(diào)速的方式 由電機學可知 ： m1111 ?NKNE ? （ ） 式中： 1E ——定子每相繞組感應 電動勢； 1N ——定子繞組的每相串聯(lián)匝數(shù)； 1NK ——基波繞組的系數(shù)； m? ——每極氣隙的磁通量； 太原科技大學畢業(yè)設(shè)計 10 忽略定子阻抗壓降，得到： m11111 ?NKNEU ?? （ ） 由 ()看出，如果電壓 1U 保持不變，那 么隨著 1f 與氣隙的磁通量 m? 成反比關(guān)系，即 1f 增大則 m? 變小，若 1f 變小則 m? 增大。 異步電動機的轉(zhuǎn)矩表達式如下： 22m ?? COSICM M? （ ） 式中： MC ——異步電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 2I ——轉(zhuǎn)子繞組電流； 2? ——轉(zhuǎn)子繞組功率角； 可見，如果 m? 減小，則電機的輸出轉(zhuǎn)矩 M 也會減小，最終使電機的效率變低，同時，電動機的最大轉(zhuǎn)矩也受到影響，嚴重時會導致電機堵轉(zhuǎn)；所以在大多 數(shù)情況下會選擇恒壓頻比控制。 在電機調(diào)速的時候，一般情況下應盡量將每極磁通量 m? 控制在系統(tǒng)規(guī)定的數(shù)值上下。假如磁通量 m? 很低，則意味著電機鐵心存在很大的浪費，沒有資源的合理有效應用；但假若一味提高磁通量，那么鐵心會飽和，甚至電機會因為繞組過熱而被燒壞。直流電動機有獨立的勵磁系統(tǒng)，所以要保持磁通恒定主要以補償電樞反應的方式來實現(xiàn)。不同的是，異步電機中的 磁通是由定子和轉(zhuǎn)子磁動勢共同合成，所以要想保持磁通恒定就沒那么容易了。 由公式 ()可知，想要保證氣隙磁通量 m? 恒定，就要使電源頻率 1f 從額定值 1fN 慢慢降低的過程中，調(diào)節(jié)感應電動勢 1E 的大小： constf11 ?E （ ） 但是，由于感應電動勢的調(diào)節(jié)比較困難，所以當電動勢處于較大的值時，定子壓降可以忽略，此時，故： 11 EU? 太原科技大學畢業(yè)設(shè)計 11 constf11 ?U （ ） 以上即為 恒壓頻比控制。 升降舞臺的控制方法 升降舞臺通過電機來帶動。一般的升降舞臺的升降速度大約為 1m/間進行設(shè)置，來控制電機的加速時間，進而控制舞臺的上升時的加速時間。在舞臺停止時，還應當設(shè)置減速點，當舞臺上升到減速點位置時，舞臺開始減速，到達停止點時（即限位開關(guān)），舞臺停止上升。這里加速時間設(shè)置為電機啟動后，速度在 內(nèi)達到 1000r/min然后保持勻速轉(zhuǎn)動，到達減速點，速度時在 內(nèi)轉(zhuǎn)速變?yōu)?0。按下下降按鈕時，舞臺開始下降，電機的轉(zhuǎn)速在 內(nèi)達到 1000r/min，到達減 速點時，舞臺開始減速，達到停止點時，舞臺停止下降。這里的電機以及旋轉(zhuǎn)彩燈所用到的電機啟動方式均為變頻啟動，這樣可以節(jié)約能源，減少大電流對繞組的沖擊，延長電機的壽命。為了安全起見，升降舞臺的兩塊升降臺應當達到同步控制的效果。這里我選擇同步控制誤差小于 30mm 的標準，這樣在安全和視覺兩方面均可以有很好地保證。 兩種同步控制方式的比較 升降舞臺的同步控制的思路分為兩種。第一種稱為并行控制。這是一種最簡單的控制方式。顧名思義，并行控制就是將多臺電機采取并聯(lián)的方式，各個升降臺的調(diào)速系統(tǒng)都接受相同的信號來控制 電機的轉(zhuǎn)速。這種方式容易實現(xiàn)，但是抗干擾能力較弱。如圖 就是并行控制的示意圖。 圖 并行控制示意圖 太原科技大學畢業(yè)設(shè)計 12 另一種是主從控制，它是將兩臺電機分為主電機和從電機。主電機的輸出值就是從電機的輸入值。也就是說從電機的輸出可以跟隨主電機的輸出來進行調(diào)整。而從電機的輸出不會影響主電機，這樣安全性和整體性都大大提高。如圖 就是主從控制的示意圖。所以選擇主從控制的方式更加能夠保證系統(tǒng)的整體性和同步性，從而提高安全性。 圖 主從控制示意圖 現(xiàn)代升降舞臺系統(tǒng)中，由于舞臺運動過程中存在負載不均勻 ，摩擦阻力大小 不一等因素，因此舞臺同步控制是一個復雜、時變動態(tài)過程，存在非線性、大慣性的特征。傳統(tǒng) PID 控制算法簡單，可靠性較高，應用設(shè)計簡便，應用廣泛，對于確定數(shù)學模型的系統(tǒng)可以獲得最好的控制效果。所以 PID 控制在舞臺同步控制方面仍然占有一席之地。在本次設(shè)計中采用 PID 控制來實現(xiàn)兩塊升降臺的同步升降。 系統(tǒng)的輸入輸出分析 針對上述中的對控制方案的描述，現(xiàn)總結(jié)得出系統(tǒng)的輸入輸出。系統(tǒng)共有 8 個輸入，29 個輸出。輸入分別為啟動按鈕，停止按鈕，舞臺上升按鈕，舞臺上減速按鈕，舞臺上停止按鈕，舞臺下降按鈕，舞臺下停止按鈕 ，舞臺下減速按鈕。輸出為各個舞臺燈的亮暗和帶動升降舞臺，旋轉(zhuǎn)彩燈和風扇泡泡機的各個電機的變頻啟動和工頻運行。 綜上所述本章總體介紹了舞臺燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計思路。分別對燈光控制系統(tǒng)部分以及升降舞臺部分的設(shè)計思路以及設(shè)計需求做了介紹。在舞臺燈的空間布局完成后，我初步選擇了一套閃爍燈的閃爍方案。在升降舞臺部分，我選擇了主從控制的控制思路，運用 PID來達到兩塊升降臺同步控制的效果。在升降舞臺的調(diào)速上，為了提高電機的輸出效率，我太原科技大學畢業(yè)設(shè)計 13 選擇了恒壓頻比的調(diào)速方式。最后對系統(tǒng)整體的輸入輸出做了分析， 太原科技大學畢業(yè)設(shè)計 14 第 3 章 硬件設(shè)計 本章節(jié)討論了硬件的選型。主要包括 PLC 的選型， CPU 的選型，舞臺燈光的選擇以及變頻器的選擇。本章節(jié)還給出了舞臺燈光的 I/O 表和電氣原理圖，并分別對其做出了一定的解釋。 系統(tǒng)整體概述 系統(tǒng)總體分為輸入單元、輸出單元、和 CPU。輸入單元由輸入按鈕，輸出按鈕