【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的。 控制方案的選擇 繼電器控制的特點(diǎn) 升降臺(tái) 2 升降臺(tái) 1 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 如今繼電器已經(jīng)應(yīng)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?yàn)槠淇刂品绞絾我唬愿拥娜菀讓?shí)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(shí)現(xiàn)的。當(dāng)控制系統(tǒng)較大或者系統(tǒng)的輸出較多時(shí)，繼電器控制的接線就會(huì)非常復(fù)雜，占用的資源也較多。當(dāng)系統(tǒng)形成后，很難對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)的可擴(kuò)展性受到很大的限制。同時(shí)，由于系統(tǒng)的觸點(diǎn)和連線較多，所以給后期對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和維修都帶來了極大的不便。 PLC 控制的特點(diǎn) PLC 即為可編程邏輯控制器的簡(jiǎn)稱。 PLC 控制具備以下優(yōu)點(diǎn) 功能強(qiáng)大，實(shí)用性高。 穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。 系統(tǒng)易于調(diào)試操作。 編程方法簡(jiǎn)單 系統(tǒng)易于維護(hù)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(dú)立，當(dāng)用戶選擇了一種 PLC 后，必須選擇相應(yīng)的控制規(guī)則，學(xué)習(xí)相應(yīng)的語言。 本控制系統(tǒng)輸出點(diǎn)較多，如果使用繼電器控制則浪費(fèi)成本并且在多個(gè)輸出同時(shí)工作的情況下，控制過程較為繁冗，還會(huì)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(shí) PLC 控制更加方便。所以我選擇 PLC 控制。 系統(tǒng)建模 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 ： 異步電機(jī)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(jī)極對(duì)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 異步電機(jī)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(shí)際轉(zhuǎn)速 r/min； 電機(jī)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(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)明的各個(gè)額定參數(shù)：功率 NP ，電壓 NU ，轉(zhuǎn)速 Nn ，可計(jì)算出 60n2 NNNNN PPT ???。 將結(jié)果帶入式（ ），可推導(dǎo)出未知數(shù) 2R : NNN N STPUR f2322 ?? () 進(jìn)而可得 1rK 的值。 由電機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程： 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 dtdndtdn375 2n GL JGDTT ?? （ ） 式中： LT ——工作機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩， ； 2GD ——電動(dòng)機(jī)及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， kg. 2m ； JG ——轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)傳遞函數(shù)近似為： ? ?NN PUKJ G SKSGf60susn1r1r??? ）（）（ （ ） 控制升降舞臺(tái)的電機(jī)的調(diào)速方式 變頻調(diào)速的控制方法 在本 文 中，升降舞臺(tái)通過電機(jī)來帶動(dòng)，所 以要想控制舞臺(tái)的同步升降，只要控制了電機(jī)轉(zhuǎn)速的同步性就可以控制升降舞臺(tái)的同步性。控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速就涉及到電機(jī)的調(diào)速。變頻調(diào)速是常用的電機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)平滑調(diào)速方法，改變電機(jī)電源來改變其轉(zhuǎn)速。 在變頻調(diào)速領(lǐng)域，異步電機(jī)在調(diào)速時(shí)保持恒定的轉(zhuǎn)差功率，其效率高、動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)使其占有不可替代的地位，更有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。該方式能夠從根本上入手，對(duì)電機(jī)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(jī)學(xué)理論知識(shí)得知： 首先定義轉(zhuǎn)差率 s 為： 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jī)轉(zhuǎn)速公式： )1(pf60n 1 s?? （ ） 式中： 1n ——同步轉(zhuǎn)速， r/min； n——機(jī)械轉(zhuǎn)速； 1f ——定子電源頻率， Hz； P——電機(jī)的極對(duì)數(shù)； S——轉(zhuǎn)差率。 由公式 ()可知，要使電機(jī)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(shí)現(xiàn)：電源頻率、極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率。通常情況下，極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率會(huì)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(yīng)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。 變頻調(diào)速的方式 由電機(jī)學(xué)可知 ： m1111 ?NKNE ? （ ） 式中： 1E ——定子每相繞組感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)； 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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下： 22m ?? COSICM M? （ ） 式中： MC ——異步電機(jī)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 M 也會(huì)減小，最終使電機(jī)的效率變低，同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩也受到影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)；所以在大多 數(shù)情況下會(huì)選擇恒壓頻比控制。 在電機(jī)調(diào)速的時(shí)候，一般情況下應(yīng)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(jī)鐵心存在很大的浪費(fèi)，沒有資源的合理有效應(yīng)用；但假若一味提高磁通量，那么鐵心會(huì)飽和，甚至電機(jī)會(huì)因?yàn)槔@組過熱而被燒壞。直流電動(dòng)機(jī)有獨(dú)立的勵(lì)磁系統(tǒng)，所以要保持磁通恒定主要以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的方式來實(shí)現(xiàn)。不同的是，異步電機(jī)中的 磁通是由定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)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(yīng)電動(dòng)勢(shì) 1E 的大?。? constf11 ?E （ ） 但是，由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的調(diào)節(jié)比較困難，所以當(dāng)電動(dòng)勢(shì)處于較大的值時(shí)，定子壓降可以忽略，此時(shí)，故： 11 EU? 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 constf11 ?U （ ） 以上即為 恒壓頻比控制。 升降舞臺(tái)的控制方法 升降舞臺(tái)通過電機(jī)來帶動(dòng)。一般的升降舞臺(tái)的升降速度大約為 1m/間進(jìn)行設(shè)置，來控制電機(jī)的加速時(shí)間，進(jìn)而控制舞臺(tái)的上升時(shí)的加速時(shí)間。在舞臺(tái)停止時(shí)，還應(yīng)當(dāng)設(shè)置減速點(diǎn)，當(dāng)舞臺(tái)上升到減速點(diǎn)位置時(shí)，舞臺(tái)開始減速，到達(dá)停止點(diǎn)時(shí)（即限位開關(guān)），舞臺(tái)停止上升。這里加速時(shí)間設(shè)置為電機(jī)啟動(dòng)后，速度在 內(nèi)達(dá)到 1000r/min然后保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)減速點(diǎn)，速度時(shí)在 內(nèi)轉(zhuǎn)速變?yōu)?0。按下下降按鈕時(shí)，舞臺(tái)開始下降，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在 內(nèi)達(dá)到 1000r/min，到達(dá)減 速點(diǎn)時(shí)，舞臺(tái)開始減速，達(dá)到停止點(diǎn)時(shí)，舞臺(tái)停止下降。這里的電機(jī)以及旋轉(zhuǎn)彩燈所用到的電機(jī)啟動(dòng)方式均為變頻啟動(dòng)，這樣可以節(jié)約能源，減少大電流對(duì)繞組的沖擊，延長(zhǎng)電機(jī)的壽命。為了安全起見，升降舞臺(tái)的兩塊升降臺(tái)應(yīng)當(dāng)達(dá)到同步控制的效果。這里我選擇同步控制誤差小于 30mm 的標(biāo)準(zhǔn)，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(tái)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(jiǎn)單的控制方式。顧名思義，并行控制就是將多臺(tái)電機(jī)采取并聯(lián)的方式，各個(gè)升降臺(tái)的調(diào)速系統(tǒng)都接受相同的信號(hào)來控制 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方式容易實(shí)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 另一種是主從控制，它是將兩臺(tái)電機(jī)分為主電機(jī)和從電機(jī)。主電機(jī)的輸出值就是從電機(jī)的輸入值。也就是說從電機(jī)的輸出可以跟隨主電機(jī)的輸出來進(jìn)行調(diào)整。而從電機(jī)的輸出不會(huì)影響主電機(jī)，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(tái)系統(tǒng)中，由于舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中存在負(fù)載不均勻 ，摩擦阻力大小 不一等因素，因此舞臺(tái)同步控制是一個(gè)復(fù)雜、時(shí)變動(dòng)態(tài)過程，存在非線性、大慣性的特征。傳統(tǒng) PID 控制算法簡(jiǎn)單，可靠性較高，應(yīng)用設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛，對(duì)于確定數(shù)學(xué)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(tái)同步控制方面仍然占有一席之地。在本次設(shè)計(jì)中采用 PID 控制來實(shí)現(xiàn)兩塊升降臺(tái)的同步升降。 系統(tǒng)的輸入輸出分析 針對(duì)上述中的對(duì)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(gè)輸入，29 個(gè)輸出。輸入分別為啟動(dòng)按鈕，停止按鈕，舞臺(tái)上升按鈕，舞臺(tái)上減速按鈕，舞臺(tái)上停止按鈕，舞臺(tái)下降按鈕，舞臺(tái)下停止按鈕 ，舞臺(tái)下減速按鈕。輸出為各個(gè)舞臺(tái)燈的亮暗和帶動(dòng)升降舞臺(tái)，旋轉(zhuǎn)彩燈和風(fēng)扇泡泡機(jī)的各個(gè)電機(jī)的變頻啟動(dòng)和工頻運(yùn)行。 綜上所述本章總體介紹了舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。分別對(duì)燈光控制系統(tǒng)部分以及升降舞臺(tái)部分的設(shè)計(jì)思路以及設(shè)計(jì)需求做了介紹。在舞臺(tái)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(tái)部分，我選擇了主從控制的控制思路，運(yùn)用 PID來達(dá)到兩塊升降臺(tái)同步控制的效果。在升降舞臺(tái)的調(diào)速上，為了提高電機(jī)的輸出效率，我太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 選擇了恒壓頻比的調(diào)速方式。最后對(duì)系統(tǒng)整體的輸入輸出做了分析， 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 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(tái)燈光的選擇以及變頻器的選擇。本章節(jié)還給出了舞臺(tái)燈光的 I/O 表和電氣原理圖，并分別對(duì)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