【正文】 的指導(dǎo)和幫助，使我能夠?qū)⒗碚撝械慕Y(jié)果與實際相結(jié)合。并且在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，朱樹先老師不斷對我得到的結(jié)論進行總結(jié)，并提出新的問題，使得我的畢業(yè)設(shè)計課題能夠深入地進行下去，也使我接觸到了許多理論和實際上的新問題，使我做了許多有益的思考。另外，他對待問題的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)也給我留下了深刻的印象。在此表示深深的謝意！參 考 文 獻1 胡壽濤主編. 自動控制原理. .2 賈伯年、俞樸、。.3 王兆安、.4 楊威、張金棟主編. .5 .6 .7 唐濤、：.8 張東力、陳麗蘭、.9 朱仁初、.10 機械工程手冊、.11 陳真，王延江，(6)：27—29.12 戴新主編．(2)：1720.13 侯國屏，．1編程與虛擬儀器設(shè)計．北京：．2.14 旭、張春梅、(3)：7779.15 周求湛、錢志鴻、劉萍等主編．虛擬儀器與LabVIEW7 Express程序設(shè)計．北京：.16 劉君華主編．基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計．北京：電子工業(yè)出版社．2003.17 ：.18 胡軍、：.19 ：.20 李國勇、：.21 .22 SIEMENS公司SIMATIC S7——.附錄A 譯文基于PLC直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)在冶金工業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。比如軋鋼分廠的可逆軋鋼機、機修分廠的龍門創(chuàng)床那樣需要經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，盡可能地縮短直流電動機的起動，制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的一個重要因素。直流調(diào)速系統(tǒng)中在電機最大電流 (最大轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，希望利用電機的允許過載能力。理想的情況是：在過渡過程中始終保持電流 (轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值。同時使拖動系統(tǒng)盡可能地用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速之后，又讓電流立即降低，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。實際上，由于主電路電感的作用，電流是不能突變的。為了實現(xiàn)在允許條件下最快地起動，關(guān)鍵是要獲得一段能使電流保持最大值的恒流過程，同時在最好起動結(jié)束后，要保持速度恒定。由于只是轉(zhuǎn)速參與輸入量的調(diào)節(jié)，因此，引入了轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。而直接數(shù)字控制(DDC)系統(tǒng)是用一臺微機對被控參數(shù)進行巡回檢測，并將檢測結(jié)果與給定值比較，然后按事先規(guī)定的控制規(guī)律，如比例、積分規(guī)律進行運算，最后發(fā)出控制信號，通過接口去控制執(zhí)行機構(gòu)對工業(yè)對象進行控制。早期DDC系統(tǒng)的微機主要使用單板機，而現(xiàn)在多數(shù)已使用單片機。90年代推向市場的新型PLC不僅有強大的邏輯控制功能，而且具有較強數(shù)據(jù)處理能力，故可用于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的DDC控制。PLC用于直流調(diào)速系統(tǒng)控制時，它既能處理系統(tǒng)的模擬信號，實現(xiàn)DDC控制，又能處理大量的邏輯接口信號，做到一機多用，充分挖掘PLC的資源。而且PLC系統(tǒng)開發(fā)簡單、編程容易、抗干擾能力強、可靠性高、適合在工業(yè)環(huán)境下工作，只要我們合理設(shè)計，降低成本，它將會受到現(xiàn)場技術(shù)人員的歡迎。一、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成　　轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)見圖1。VUtASRACRGT晶閘管電動機TG晶閘管Un*Ut*UnIUctnn圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上看雙閉環(huán)系統(tǒng)是一個以電流調(diào)節(jié)環(huán)作為內(nèi)環(huán)，以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)作為外環(huán)的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，電流調(diào)節(jié)器ACR,觸發(fā)系統(tǒng)GT、電流傳感器TA、測速發(fā)電機TG等組成。其中，為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種反饋分別起作用，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制觸發(fā)系統(tǒng)GT。系統(tǒng)中ASR的作用：①使轉(zhuǎn)速u跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；②對負(fù)載的變化起抗干擾作用；③其輸出限幅值決定允許的最大電流。系統(tǒng)中ACR的作用：①對電網(wǎng)電壓的波動起抗干擾作用。②啟動時獲得最大起動電流；③在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化。實際上，在系統(tǒng)中ACR的重要作用是保持直流電動機電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，超調(diào)量越小越好。由于典型I型系統(tǒng)的抗十?dāng)_恢復(fù)時間比較短，所以電流校正成典型I型系統(tǒng)。同樣基于穩(wěn)態(tài)無靜態(tài)的要求，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，并使調(diào)速系統(tǒng)有較好的抗十?dāng)_能力，故速度環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)。二、直流電機伺服系統(tǒng)簡介 該系統(tǒng)采用雙閉環(huán)調(diào)速方式，即用電流環(huán)和速度環(huán)共同完成對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈沖調(diào)制器驅(qū)動回路VMOS開關(guān)放大器直流電機速度負(fù)反饋保護電源電源電源負(fù)反饋圖2 直流電機伺服系統(tǒng)組成框圖圖中：Ugn為速度給定信號，Ufn為速度反饋信號，Ugi為電流給定信號，Ufi為電流反饋信號，Uk為電流環(huán)送給脈寬調(diào)制器的信號。系統(tǒng)中電流反饋利用霍爾電流傳感器，速度負(fù)反饋元件是測速發(fā)電機。兩者提供了雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的反饋信號。電流內(nèi)環(huán)的作用是使電機電樞電流Id 服從它的給定值Ugi ，當(dāng)Ugi不變時，它表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié),當(dāng)Ugi變化時，它表現(xiàn)為隨動調(diào)節(jié)。若Ugi不變,則電流環(huán)中的PI 調(diào)節(jié)器必將使Ugi = Ufi，即ΔUi = Ugi Ufi = 0 ，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。速度外環(huán)和一般的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)并無根本的區(qū)別，所不同的是速度調(diào)節(jié)器的輸出為Ugi ，在這里并不直接推動后面的放大器，而是作為電流環(huán)的給定值。二者共同構(gòu)成串級控制系統(tǒng),通過PWM 脈寬調(diào)節(jié)器,產(chǎn)生方波脈沖控制信號，經(jīng)放大驅(qū)動電路，去控制H型開關(guān)放大器，從而實現(xiàn)對電機的控制。這樣系統(tǒng)不僅能控制轉(zhuǎn)速，而且能控制電流，充分利用電機的過載能力，獲得較快的動態(tài)響應(yīng)。三、雙閉環(huán)直流調(diào)速單元的工作原理 雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜、動態(tài)品質(zhì)從靜態(tài)特性上看，電流負(fù)反饋有使靜特性變軟的趨勢，但有轉(zhuǎn)速反饋環(huán)包在外面，電流負(fù)反饋對于速度環(huán)來說相當(dāng)于一個擾動作用，只要速度環(huán)的放大倍數(shù)足夠大，而且沒有飽和,則電流負(fù)反饋的擾動作用就能受到抑制。何況速度環(huán)用的是PI 調(diào)節(jié)器，整個系統(tǒng)是無靜差的調(diào)速系統(tǒng)。也就是說，當(dāng)速度環(huán)不飽和時，電流負(fù)反饋使靜特性可能產(chǎn)生的速降完全被轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用消除。一旦轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，速度環(huán)即失去作用，只剩下電流環(huán)起作用，這時，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，靜特性呈現(xiàn)很陡的下降趨勢。從動態(tài)響應(yīng)過程來看，突加給定信號Ugn的瞬時,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋很小，近似為零，速度調(diào)節(jié)器很快處于飽和狀態(tài)，輸出恒值限幅電壓Ugim ，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器，使電動機很快地起動，起動后，雖然轉(zhuǎn)速反饋電壓Ufn增長了，但是由于速度環(huán)的積分作用，只要還是Ufn Ugn，速度環(huán)輸出仍維持在限幅值上不變，直到轉(zhuǎn)速超調(diào)，即Ufn Ugn，輸入偏差電壓ΔU 變成負(fù)值,速度環(huán)退出飽和。因此，在整個升速過程中，速度環(huán)一直處于飽和，這相當(dāng)于使速度環(huán)處于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)只在電流環(huán)的恒值作用下以最大電流起動。直至超調(diào)后，速度環(huán)才真正發(fā)揮作用，使轉(zhuǎn)速漸趨穩(wěn)定。這樣，就巧妙地利用了速度調(diào)節(jié)器的飽和非線性，在一段時間內(nèi)使它的作用隔斷，使系統(tǒng)在起動過程中基本上表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)?？傊p閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定信號的過渡過程中表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)定和接近穩(wěn)定運行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)，發(fā)揮了轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用，獲得了良好的靜、動態(tài)品質(zhì)。 雙閉環(huán)調(diào)速單元的工作原理在突加給定電壓Ugn的起動過程中，速度調(diào)節(jié)器輸出電壓為Ugi，電流調(diào)節(jié)器輸出為Uk ，整個起動過渡過程可以分為三個階段。第一階段是電流上升階段。在突加給定電壓Ugn時，由于電動機的機電慣性較大，電動機還來不及轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Uf n = 0 ，此時，ΔUn = Ugn Uf n很大，使速度調(diào)節(jié)器的輸出突增為Ugim，電流調(diào)節(jié)器的輸出為Ukm，使電樞電流Id迅速增加，當(dāng)增加到Id ≥If z (負(fù)載電流)時，電機開始轉(zhuǎn)動，此后，電樞電流迅速增加到最大值Idm。第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值Idm開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是起動過程的主要階段。在這個階段中，速度環(huán)一直是飽和的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不起調(diào)節(jié)作用，相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài),系統(tǒng)在電流環(huán)的作用下表現(xiàn)為恒電流調(diào)節(jié)，即電流Id保持恒值Idm ，電動機產(chǎn)生最大起動轉(zhuǎn)矩,快速升速。第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。速度環(huán)在這個階段中起作用。開始時轉(zhuǎn)速已經(jīng)上升到給定值，速調(diào)環(huán)的給定電壓Ugn與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓Uf n相平衡，輸入偏差ΔUn 為零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Ugim，所以電動機仍在以最大電流I dm下加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào),超調(diào)后，Uf n Ugn，ΔUn 0 ，使速調(diào)環(huán)退出飽和，其輸出電壓Ugi才從限幅值降下來， Uk 和Ud 也隨之降下來，使I d 也降下來。但是I d 仍大于負(fù)載電流If z，在開始一段時間內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升，到Id ≤If z時，電動機才開始在負(fù)載的阻力下減速，直到穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。ⅢⅡⅠngf0穩(wěn)定tttt000Id UgnUfnUgnUfnIdm雙閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定信號時的工作過程波形見圖3，圖中Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ代表上述三個階段：圖3 雙閉環(huán)系統(tǒng)突加給定信號下啟動過程波形圖四、PLC簡介 PLC的基本概念可編程控制器(Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡PLC,PLC自1966年出現(xiàn)，美國，日本，德國的可編程控制器質(zhì)量優(yōu)良，功能強大。 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相同，基本構(gòu)成為：a、 電源　PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。b、 中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。c、 存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。d、 輸入輸出接口電路現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道?，F(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。e、功能模塊如計數(shù)、定位等功能模塊。f、通信模塊如以太網(wǎng)、RS48ProfibusDP通訊模塊等。 PLC的工作原理a、掃描技術(shù)　當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。 輸入采樣階段在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。 PLC內(nèi)部運作方式雖然PLC所使用之階梯圖程式中往往使用到許多