【導(dǎo)讀】交流電機(jī)作為運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵部分，在油田注水中起著十分重要的作用。和控制過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到系統(tǒng)響應(yīng)快速、控制精確的目的。論文以羅克韋爾PLC作為控制器，變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，異步電機(jī)作為控制對(duì)象，測(cè)速發(fā)電機(jī)作為檢測(cè)機(jī)構(gòu)，在羅克韋爾以太網(wǎng)和控制網(wǎng)平臺(tái)上搭建控制回路。曲線，并對(duì)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行對(duì)比。應(yīng)和較強(qiáng)的魯榜性。實(shí)驗(yàn)證明通過(guò)控制算法的改進(jìn)，系統(tǒng)性能得到了大大提高。PLC交流調(diào)速系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于油田注水系統(tǒng)中。

　　

【正文】 經(jīng)元的激活函數(shù)，表示輸入和輸出之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般都是非線性的。 輸入向量 1, 2, 3 Tx x x x????? 表示神經(jīng)元的軸突輸出，即神經(jīng)元的輸入向量； 權(quán)值向量 1, 2, 3w w w w????? 表示輸入向量的連接強(qiáng)度； 閥值 ? 表示神經(jīng)元激活的條件； 激活函數(shù) f 表示神經(jīng)元的 輸入輸出關(guān)系； 本設(shè)計(jì)所用的激活函數(shù)為 非對(duì)稱 Sigmoid 型函數(shù)： 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方式 選擇有監(jiān)督的 Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則。 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 31 )()()()1()()()()()1()()()()()1()(333222111kxkukekwkwkxkukekwkwkxkukekwkwdip???????????? 系統(tǒng)設(shè)定值與實(shí)際輸出的差值 e(k)和輸入對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： )2()1(2)()()1()()()()(321?????????kekekekxkekekxkekx 系統(tǒng)輸出的控制量為： )()()1()( 310 kxkwKkuku ii i????? ??? 310|)(|)()(iiiikwkwkw 其中 ， )(kwi 為 k 時(shí)刻的連接權(quán)值， K 為神經(jīng)元的比例系數(shù)。 具體程序見(jiàn)附錄二。 監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì) OPC 服務(wù)器的建立 打開(kāi) “RSlinx Classic Gateway”， 再 點(diǎn)擊菜單欄 “DDE/OPC”，在下拉菜單中點(diǎn)擊“Topic Configuration”，在通信驅(qū)動(dòng)中選擇正確的通信路徑，如圖 所示，左側(cè)點(diǎn)擊 “New”，新建 OPC 服務(wù)器的名字 “bianpinkongzhi”，點(diǎn)擊下側(cè) “Apply”點(diǎn)擊確定。 圖 服務(wù)器的建立 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 在應(yīng)用軟件力控中，選用 OPC。 圖 力控中選用 OPC 這樣， OPC 通訊就建好了，力控可以通過(guò) OPC 讀和寫數(shù)據(jù)了。 監(jiān)控界面的設(shè)計(jì) 在力控中新建一個(gè)工程，如圖 所示設(shè)置好 OPC 通訊。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)如圖 所示。 圖 力控?cái)?shù)據(jù)庫(kù) 力控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)在可以通過(guò) OPC 與控制器相關(guān)聯(lián)，完成對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的收集 和輸出。OPC 數(shù)據(jù)連接如圖 所示。 圖 力控中數(shù)據(jù)與 PLC 數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián) 示意圖 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 33 在力控窗口中新建一個(gè)窗口，組建監(jiān)控畫面，選擇被監(jiān)控參數(shù)反饋轉(zhuǎn)速，添加趨勢(shì)曲線、歷時(shí)曲線、報(bào)表等。如圖 。 圖 監(jiān)控主界面 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 5 系統(tǒng)調(diào)試 及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 PID 控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果 將仿真得到的參數(shù)在實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)調(diào)試。最后選用 Kp=， Ki=， Kd= 給定值為 1000r/min 的實(shí)時(shí)控制曲線如圖 所示。 圖 控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線 加上負(fù)載，轉(zhuǎn)速減低，系統(tǒng)調(diào)節(jié)一段時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；去掉負(fù)載轉(zhuǎn)速陡然升高，系統(tǒng)調(diào)節(jié)一段時(shí)間進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。說(shuō)明系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，反應(yīng)慢，精度高。 如圖 所示。 圖 加上負(fù)載去掉負(fù)載系統(tǒng)響應(yīng)曲線 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 35 系統(tǒng) 12： 17s 時(shí)啟動(dòng)， 12： 24s 達(dá)到最大值，上升時(shí)間為 7s。最大值為 1100r/min，所以系統(tǒng)超調(diào)量為 100 轉(zhuǎn)。而后系統(tǒng)調(diào) 節(jié)了 1s 便進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，所以得到調(diào)節(jié)時(shí)間為 8s。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差沒(méi)有超過(guò) 20 轉(zhuǎn)，系統(tǒng)的抗干擾能力比較強(qiáng)。 所以 PID 控制能滿足設(shè)計(jì)要求。不過(guò)，因?yàn)榧尤肓朔e分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力還有待改進(jìn)。 模糊 PID 控制 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 經(jīng)過(guò)調(diào)試，實(shí)驗(yàn)最后選用參數(shù) Ke=， Kc=， Ku= 作為模糊部分的參數(shù)，在給定值為 1000r/min,其實(shí)時(shí)控制曲線如圖 所示。 圖 模糊控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線 系統(tǒng) 16： 53s 啟動(dòng)，不到 16： 59s 就已經(jīng)到達(dá)最大值。最大值為 1040r/min,系統(tǒng)超調(diào)量為 40 轉(zhuǎn) 。系統(tǒng)的上升時(shí)間要小于 PID 控制，為 。系統(tǒng)達(dá)到最大值后就已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，不需要再進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間為 。穩(wěn)態(tài)誤差基本維持在40r/min，個(gè)別超出。但從圖 中可以看出其穩(wěn)態(tài)誤差太大，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。因此選擇模糊和 PID 聯(lián)合使用。 大偏差時(shí)采用模糊控制，小偏差時(shí)采用 PID 控制，用以減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 上面分析得出， 不必 擔(dān)心積分作用對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，所以我們選用更小的Ki，增強(qiáng)積分作用，減小穩(wěn)態(tài)誤差。模糊參數(shù)選擇 Ke=， Kc=， Ku=； PID 參數(shù)選擇 Kp=， Ki=,Kd=0。給定值為 1000r/min,得到系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖 。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 圖 模糊與 PID 復(fù)合控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線 系統(tǒng)在 21:09s 啟動(dòng)，在 21:15s 達(dá)到最大值，最大值為 1030r/min,超調(diào)量為 30 轉(zhuǎn)。系統(tǒng)上升階段和模糊控制相似，上升時(shí)間為 。 系統(tǒng)上升到最大值后，沒(méi)有調(diào)節(jié)，直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，調(diào)節(jié)時(shí)間為 7s。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為不超過(guò) 15r/min。 23： 34s 加上負(fù)載，轉(zhuǎn)速降低，很快回到穩(wěn)態(tài)， 23:42s 去掉負(fù)載，轉(zhuǎn)速陡然升高，很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，而且穩(wěn)態(tài)誤差很小。如圖 ，由圖可知道，模 糊 PID 控制，系統(tǒng)抗干擾能力非常強(qiáng)。 圖 加上負(fù)載去掉負(fù)載系統(tǒng)響應(yīng)曲線 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表明 模糊和 PID 復(fù)合控制滿足設(shè)計(jì)要求。 既有快速響應(yīng)的特性，穩(wěn)態(tài)誤差小等特點(diǎn)而且抗干擾能力非常強(qiáng)，有很好的控制效果。 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 37 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)時(shí)，權(quán)值初始值設(shè)定為 [ ],學(xué)習(xí)速率 dip ??? , 分別設(shè)置為 [ ]。 K 根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試得到。當(dāng)給定值為 1000r/min 時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖 所示。 圖 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 響應(yīng)圖 系統(tǒng)在 22:03s 啟動(dòng)，在 22:11s 達(dá)到最大值，最大值為 1060r/min,超調(diào)量為 60 轉(zhuǎn)。系統(tǒng) 上升時(shí)間為 8s。系統(tǒng)上升到最大值后， 幾乎 沒(méi)有調(diào)節(jié)，直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，調(diào)節(jié)時(shí)間為 ， 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為不超過(guò) 15r/min。 但由于神經(jīng)元學(xué)習(xí)過(guò)程需要時(shí)間所以調(diào)節(jié)時(shí)間比模糊和 PID 稍微長(zhǎng)點(diǎn)，但是由于有了學(xué)習(xí)功能，在負(fù)載變化大的系統(tǒng)中能夠獲得更好的調(diào)速效果。 系統(tǒng)在 22:21s 時(shí)加上一個(gè)負(fù)載，轉(zhuǎn)速波動(dòng)了 3s 就恢復(fù)了穩(wěn)定狀態(tài)，因此系統(tǒng)的抗干擾能力很強(qiáng)。 控制方案的比較 在第 3 章的仿真里面，用 MATLAB 仿真了各個(gè)算 法，各種算法之間的動(dòng)態(tài)性能如下表 。 表 不同控制算法的 仿真 性能比較 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 PID 模糊 控制 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 超調(diào)量 40% 10% 3% 上升時(shí)間 2s 6s 4s 調(diào)節(jié)時(shí)間 4s 6s 5s 穩(wěn)態(tài)誤差 0r/min 40r/min 0r/min 在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中各種算法之間的性能比較如表 。 表 不同控制算法的系統(tǒng)性能比較 PID 模糊 PID 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 超調(diào)量 10% 3% 6% 上升時(shí)間 7s 8s 調(diào)節(jié)時(shí)間 8s 7s 穩(wěn)態(tài) 誤差 20r/min 15r/min 15r/min 抗干擾能力 強(qiáng) 非常強(qiáng) 非常強(qiáng) 比較表 和 ，可以看出，上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間仿真和實(shí)際都有一定的差距，穩(wěn)態(tài)誤差也有差距。分析原因如下：（ 1）由于單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制算法的數(shù)據(jù)復(fù)雜，計(jì)算量很大。并且 PLC 的計(jì)算速度沒(méi)有 PC 機(jī)仿真快，因此 PLC 響應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)一些。（ 2）變頻器控制精度不夠高，有一定的時(shí)間延時(shí)。（ 3）電網(wǎng)電壓有微小的波動(dòng)，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行有一定干擾等。 通過(guò)在系統(tǒng)中加入 PID 控制，模糊 PID 控制和 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 這三種控制方法，通過(guò) 對(duì)其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算對(duì)這三種控制方法進(jìn)行總結(jié)。得到表 的結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)采用 PID 控制系統(tǒng)可以獲得良好的穩(wěn)態(tài)精度，但系統(tǒng)的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，超調(diào)量過(guò)大 ； 采用 PID 與模糊復(fù)合控制既能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，又能夠快速響應(yīng)，集合了 PID 和模糊各自優(yōu)勢(shì)；采用 單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 控制可以得到良好的穩(wěn)態(tài)精度，魯棒性強(qiáng)，適應(yīng)能力好，但調(diào)節(jié)時(shí)間比其他兩種控制方案稍長(zhǎng)，不過(guò)也在能夠接受的范圍內(nèi)。 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 39 6 總結(jié)與展望 總結(jié) 經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月努力， 通過(guò)理論的學(xué)習(xí)和實(shí)踐的進(jìn)行。順利完成了 基于 PLC 控制的交流電 機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 的 各項(xiàng)任務(wù)要求，現(xiàn)將主要工作總結(jié)如下： （ 1）基礎(chǔ)理論知識(shí)的補(bǔ)充和復(fù)習(xí)。在兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，先后補(bǔ)充了變頻調(diào)速、計(jì)算機(jī)控制、計(jì)算機(jī)仿真、現(xiàn)場(chǎng)總線、 PLC 編程等方面的知識(shí)，并學(xué)習(xí)了羅克韋爾軟件的使用和硬件方面的相關(guān)資料。 （ 2） 控制算法的實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī) 變頻調(diào)速 的精準(zhǔn)控制，系統(tǒng)中加入了 PID，模糊 PID，單神經(jīng)元自適應(yīng) PID 等 控制算法，通過(guò) MATLAB 的 simulink 工具，選擇合適的數(shù)學(xué)模型和參數(shù) 進(jìn)行仿真 ，達(dá)到了很好的控制效果。 （ 3）基于羅克韋爾 PLC 的 變頻調(diào)速 的設(shè)計(jì)和構(gòu)建。根據(jù)任務(wù)書要求， 選擇羅克韋爾網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、變頻器、電機(jī)和測(cè)速發(fā)電機(jī)等，構(gòu)建了以 ControlLogix 系統(tǒng)為中心、以 EtherNet 和 ControlNet 為紐帶以 ControlLogix5561 為控制器，以 PowerFlex40 為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以測(cè)速發(fā)電機(jī)為檢測(cè)機(jī)構(gòu)，通過(guò) EtherNet 上的 PC 機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)。 （ 4）設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)。為通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和交換，通過(guò) RSLinx軟件建立通信驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建了通信通道，通過(guò) RSLogix5000 對(duì) ControlLogix5561 進(jìn)行邏輯編程，通過(guò)用 RSNetworx 對(duì) ControlNet 進(jìn)行配置和組態(tài)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)上控制器與PC 機(jī)、變頻器和測(cè)速發(fā)電機(jī)之間的通訊。 （ 5）監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。通過(guò) 力控 軟件設(shè)計(jì)了上位機(jī)人機(jī)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控系統(tǒng)中各主要參數(shù)的監(jiān)控、調(diào)節(jié)。 （ 6）系統(tǒng)的調(diào)試。將仿真參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際控制中，在通過(guò)不斷的調(diào)試，得到最佳的響應(yīng)曲線。最后比較 3 種控制算法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 展望 （ 1） 羅克韋爾網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)十分強(qiáng)大， 可以 構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，控制多臺(tái)電機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有采用設(shè)備網(wǎng)， PowerFlex40 變頻器可以通過(guò)適配器直接連在設(shè)備網(wǎng)上，這樣控制就更加 方便和高效。 但設(shè)備網(wǎng)也有自己的特點(diǎn)，但本文沒(méi)有用到設(shè)備網(wǎng)，因此 設(shè)備網(wǎng)控制系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，有待于進(jìn)一步研究。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 40 （ 2） 多節(jié)點(diǎn)控制問(wèn)題。羅克韋爾三層網(wǎng)絡(luò)是基于 Netlinx 的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，ControlLogix 可以作為網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)和多個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備和多個(gè)節(jié) 點(diǎn)的復(fù)雜監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的流程控制或多設(shè)備的協(xié)同工作。而本文只是 利用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架實(shí)現(xiàn)了對(duì)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的控制。 （ 3） 加入更先進(jìn)的控制算法 。如參數(shù)自整定 PID，模糊神經(jīng)元控制等， 以期達(dá)到更好的控制效果 。 （ 4） 本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)抗干擾能力實(shí)驗(yàn)時(shí)， 通過(guò)任意給電機(jī)轉(zhuǎn)軸添加一個(gè)阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法沒(méi)有將突加負(fù)載量化，只是進(jìn)行了定性分析。選用磁滯制動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，它利用磁滯原理，通過(guò)控制輸入的勵(lì)磁電流，產(chǎn)生一定的扭矩?？刂齐娏骱洼敵雠ぞ赜休^好的線性關(guān)系。它能提供光滑、無(wú)級(jí)可調(diào)、與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的轉(zhuǎn)矩控制。 基于 PLC 控制的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 41 致謝 時(shí)光如梭，轉(zhuǎn)眼間，我的四年大學(xué)生活就要結(jié)束了，在這豐富而充實(shí)的四年里，我不僅學(xué)到了專業(yè)上的知識(shí)，掌握了必要的專業(yè)技能，培養(yǎng)了自學(xué)能力、動(dòng)手能力，更認(rèn)識(shí)了很多受人愛(ài)戴的老師和誠(chéng)懇熱情的同學(xué)，我的進(jìn)步離不開(kāi)他們的幫助，在此我 深表謝意。 首先 羅克韋爾實(shí)驗(yàn)室軟硬件 系統(tǒng) 十分強(qiáng)大，為我們提供了很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這一點(diǎn)不能不說(shuō)。 再次 我要感謝我的 指 導(dǎo) 老 師 仇芝 老師，他在畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成過(guò)程中給了我極大的關(guān)注， 為我提供了 很多 思路， 讓我在 實(shí)驗(yàn)中少走了 很多 彎路 。從她 身上，我學(xué)到的更重要的是精神層面的東西， 她 認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)勤奮治學(xué)精神，實(shí)事求是的學(xué)術(shù)作風(fēng)，使我獲益匪淺，終身難忘。 最后 ，就是實(shí)驗(yàn)室的朋友們了。研究生師兄師姐教會(huì)了我實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用，經(jīng)常找他們借閱實(shí)驗(yàn)室參考資料，不勝感激。還有和我一樣的做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)，我們經(jīng)常一起交流學(xué)習(xí)和互 相幫助， 共同解決大家遇到的問(wèn)題。在大學(xué)的最后時(shí)光里，能多讓我多認(rèn)識(shí)幾個(gè)朋友， 讓我感覺(jué)很快樂(lè)。