【導讀】交流電機作為運動控制的關鍵部分，在油田注水中起著十分重要的作用。和控制過程的實時監(jiān)控，達到系統(tǒng)響應快速、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)行機構，異步電機作為控制對象，測速發(fā)電機作為檢測機構，在羅克韋爾以太網(wǎng)和控制網(wǎng)平臺上搭建控制回路。曲線，并對動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能進行對比。應和較強的魯榜性。實驗證明通過控制算法的改進，系統(tǒng)性能得到了大大提高。PLC交流調速系統(tǒng)可以廣泛應用于油田注水系統(tǒng)中。

　　

【正文】 經(jīng)元的激活函數(shù)，表示輸入和輸出之間的對應關系，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； 權值向量 1, 2, 3w w w w????? 表示輸入向量的連接強度； 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 輸入輸出關系； 本設計所用的激活函數(shù)為 非對稱 Sigmoid 型函數(shù)： 神經(jīng)網(wǎng)絡的學習方式 選擇有監(jiān)督的 Hebb 學習規(guī)則。 基于 PLC 控制的交流電機變頻調速系統(tǒng) 31 )()()()1()()()()()1()()()()()1()(333222111kxkukekwkwkxkukekwkwkxkukekwkwdip???????????? 系統(tǒng)設定值與實際輸出的差值 e(k)和輸入對應關系如下： )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 時刻的連接權值， K 為神經(jīng)元的比例系數(shù)。 具體程序見附錄二。 監(jiān)控組態(tài)軟件設計 OPC 服務器的建立 打開 “RSlinx Classic Gateway”， 再 點擊菜單欄 “DDE/OPC”，在下拉菜單中點擊“Topic Configuration”，在通信驅動中選擇正確的通信路徑，如圖 所示，左側點擊 “New”，新建 OPC 服務器的名字 “bianpinkongzhi”，點擊下側 “Apply”點擊確定。 圖 服務器的建立 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 32 在應用軟件力控中，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 OPC 讀和寫數(shù)據(jù)了。 監(jiān)控界面的設計 在力控中新建一個工程，如圖 所示設置好 OPC 通訊。點擊數(shù)據(jù)庫組態(tài)，建立數(shù)據(jù)庫如圖 所示。 圖 力控數(shù)據(jù)庫 力控數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在可以通過 OPC 與控制器相關聯(lián)，完成對遠程數(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)相關聯(lián) 示意圖 基于 PLC 控制的交流電機變頻調速系統(tǒng) 33 在力控窗口中新建一個窗口，組建監(jiān)控畫面，選擇被監(jiān)控參數(shù)反饋轉速，添加趨勢曲線、歷時曲線、報表等。如圖 。 圖 監(jiān)控主界面 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 34 5 系統(tǒng)調試 及實驗結果 PID 控制實驗結果 將仿真得到的參數(shù)在實驗中繼續(xù)調試。最后選用 Kp=， Ki=， Kd= 給定值為 1000r/min 的實時控制曲線如圖 所示。 圖 控制系統(tǒng)響應曲線 加上負載，轉速減低，系統(tǒng)調節(jié)一段時進入穩(wěn)態(tài)；去掉負載轉速陡然升高，系統(tǒng)調節(jié)一段時間進入穩(wěn)態(tài)。說明系統(tǒng)的抗干擾能力強，反應慢，精度高。 如圖 所示。 圖 加上負載去掉負載系統(tǒng)響應曲線 基于 PLC 控制的交流電機變頻調速系統(tǒng) 35 系統(tǒng) 12： 17s 時啟動， 12： 24s 達到最大值，上升時間為 7s。最大值為 1100r/min，所以系統(tǒng)超調量為 100 轉。而后系統(tǒng)調 節(jié)了 1s 便進入穩(wěn)態(tài)，所以得到調節(jié)時間為 8s。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差沒有超過 20 轉，系統(tǒng)的抗干擾能力比較強。 所以 PID 控制能滿足設計要求。不過，因為加入了積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的響應速度和抗干擾能力還有待改進。 模糊 PID 控制 實驗結果 經(jīng)過調試，實驗最后選用參數(shù) Ke=， Kc=， Ku= 作為模糊部分的參數(shù)，在給定值為 1000r/min,其實時控制曲線如圖 所示。 圖 模糊控制系統(tǒng)響應曲線 系統(tǒng) 16： 53s 啟動，不到 16： 59s 就已經(jīng)到達最大值。最大值為 1040r/min,系統(tǒng)超調量為 40 轉 。系統(tǒng)的上升時間要小于 PID 控制，為 。系統(tǒng)達到最大值后就已經(jīng)進入穩(wěn)態(tài)，不需要再進行調節(jié)。所以系統(tǒng)調節(jié)時間為 。穩(wěn)態(tài)誤差基本維持在40r/min，個別超出。但從圖 中可以看出其穩(wěn)態(tài)誤差太大，無法滿足設計要求。因此選擇模糊和 PID 聯(lián)合使用。 大偏差時采用模糊控制，小偏差時采用 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 擔心積分作用對系統(tǒng)動態(tài)響應的影響，所以我們選用更小的Ki，增強積分作用，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)響應曲線如圖 。 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 36 圖 模糊與 PID 復合控制系統(tǒng)響應曲線 系統(tǒng)在 21:09s 啟動，在 21:15s 達到最大值，最大值為 1030r/min,超調量為 30 轉。系統(tǒng)上升階段和模糊控制相似，上升時間為 。 系統(tǒng)上升到最大值后，沒有調節(jié)，直接進入穩(wěn)態(tài)，調節(jié)時間為 7s。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為不超過 15r/min。 23： 34s 加上負載，轉速降低，很快回到穩(wěn)態(tài)， 23:42s 去掉負載，轉速陡然升高，很快進入穩(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。 圖 加上負載去掉負載系統(tǒng)響應曲線 實驗結果 表明 模糊和 PID 復合控制滿足設計要求。 既有快速響應的特性，穩(wěn)態(tài)誤差小等特點而且抗干擾能力非常強，有很好的控制效果。 基于 PLC 控制的交流電機變頻調速系統(tǒng) 37 單神經(jīng)元自適應 PID 控制 實驗結果 實驗時，權值初始值設定為 [ ],學習速率 dip ??? , 分別設置為 [ ]。 K 根據(jù)實驗調試得到。當給定值為 1000r/min 時，系統(tǒng)的響應曲線如圖 所示。 圖 單神經(jīng)元自適應 PID 響應圖 系統(tǒng)在 22:03s 啟動，在 22:11s 達到最大值，最大值為 1060r/min,超調量為 60 轉。系統(tǒng) 上升時間為 8s。系統(tǒng)上升到最大值后， 幾乎 沒有調節(jié)，直接進入穩(wěn)態(tài)，調節(jié)時間為 ， 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為不超過 15r/min。 但由于神經(jīng)元學習過程需要時間所以調節(jié)時間比模糊和 PID 稍微長點，但是由于有了學習功能，在負載變化大的系統(tǒng)中能夠獲得更好的調速效果。 系統(tǒng)在 22:21s 時加上一個負載，轉速波動了 3s 就恢復了穩(wěn)定狀態(tài)，因此系統(tǒng)的抗干擾能力很強。 控制方案的比較 在第 3 章的仿真里面，用 MATLAB 仿真了各個算 法，各種算法之間的動態(tài)性能如下表 。 表 不同控制算法的 仿真 性能比較 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 38 PID 模糊 控制 單神經(jīng)元自適應 PID 超調量 40% 10% 3% 上升時間 2s 6s 4s 調節(jié)時間 4s 6s 5s 穩(wěn)態(tài)誤差 0r/min 40r/min 0r/min 在實驗調試過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 PID 超調量 10% 3% 6% 上升時間 7s 8s 調節(jié)時間 8s 7s 穩(wěn)態(tài) 誤差 20r/min 15r/min 15r/min 抗干擾能力 強 非常強 非常強 比較表 和 ，可以看出，上升時間和調節(jié)時間仿真和實際都有一定的差距，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 PID 控制算法的數(shù)據(jù)復雜，計算量很大。并且 PLC 的計算速度沒有 PC 機仿真快，因此 PLC 響應時間要長一些。（ 2）變頻器控制精度不夠高，有一定的時間延時。（ 3）電網(wǎng)電壓有微小的波動，對電機的運行有一定干擾等。 通過在系統(tǒng)中加入 PID 控制，模糊 PID 控制和 單神經(jīng)元自適應 PID 這三種控制方法，通過 對其動態(tài)性能指標和穩(wěn)態(tài)性能指標的計算對這三種控制方法進行總結。得到表 的結果?？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)的上升時間和調節(jié)時間長，超調量過大 ； 采用 PID 與模糊復合控制既能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，又能夠快速響應，集合了 PID 和模糊各自優(yōu)勢；采用 單神經(jīng)元自適應 PID 控制可以得到良好的穩(wěn)態(tài)精度，魯棒性強，適應能力好，但調節(jié)時間比其他兩種控制方案稍長，不過也在能夠接受的范圍內。 基于 PLC 控制的交流電機變頻調速系統(tǒng) 39 6 總結與展望 總結 經(jīng)過兩個多月努力， 通過理論的學習和實踐的進行。順利完成了 基于 PLC 控制的交流電 機變頻調速系統(tǒng) 的 各項任務要求，現(xiàn)將主要工作總結如下： （ 1）基礎理論知識的補充和復習。在兩個月的時間內，先后補充了變頻調速、計算機控制、計算機仿真、現(xiàn)場總線、 PLC 編程等方面的知識，并學習了羅克韋爾軟件的使用和硬件方面的相關資料。 （ 2） 控制算法的實現(xiàn)。為實現(xiàn)對電機 變頻調速 的精準控制，系統(tǒng)中加入了 PID，模糊 PID，單神經(jīng)元自適應 PID 等 控制算法，通過 MATLAB 的 simulink 工具，選擇合適的數(shù)學模型和參數(shù) 進行仿真 ，達到了很好的控制效果。 （ 3）基于羅克韋爾 PLC 的 變頻調速 的設計和構建。根據(jù)任務書要求， 選擇羅克韋爾網(wǎng)絡構架、變頻器、電機和測速發(fā)電機等，構建了以 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)行機構，以測速發(fā)電機為檢測機構，通過 EtherNet 上的 PC 機進行遠程監(jiān)控的系統(tǒng)。 （ 4）設備間網(wǎng)絡通信的實現(xiàn)。為通過網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的傳輸和交換，通過 RSLinx軟件建立通信驅動，構建了通信通道，通過 RSLogix5000 對 ControlLogix5561 進行邏輯編程，通過用 RSNetworx 對 ControlNet 進行配置和組態(tài)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡上控制器與PC 機、變頻器和測速發(fā)電機之間的通訊。 （ 5）監(jiān)控界面的設計。通過 力控 軟件設計了上位機人機監(jiān)控界面，實現(xiàn)了對電機轉速監(jiān)控系統(tǒng)中各主要參數(shù)的監(jiān)控、調節(jié)。 （ 6）系統(tǒng)的調試。將仿真參數(shù)應用于實際控制中，在通過不斷的調試，得到最佳的響應曲線。最后比較 3 種控制算法各自的優(yōu)缺點。 展望 （ 1） 羅克韋爾網(wǎng)絡平臺十分強大， 可以 構建一個復雜的控制系統(tǒng)，控制多臺電機協(xié)同運動。本實驗沒有采用設備網(wǎng)， PowerFlex40 變頻器可以通過適配器直接連在設備網(wǎng)上，這樣控制就更加 方便和高效。 但設備網(wǎng)也有自己的特點，但本文沒有用到設備網(wǎng)，因此 設備網(wǎng)控制系統(tǒng)的性能特點，有待于進一步研究。 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） 40 （ 2） 多節(jié)點控制問題。羅克韋爾三層網(wǎng)絡是基于 Netlinx 的開放式網(wǎng)絡架構，ControlLogix 可以作為網(wǎng)關實現(xiàn)不同網(wǎng)絡和多個節(jié)點的連接，可以同時實現(xiàn)多臺設備和多個節(jié) 點的復雜監(jiān)控，以實現(xiàn)復雜的流程控制或多設備的協(xié)同工作。而本文只是 利用網(wǎng)絡構架實現(xiàn)了對一臺電動機的控制。 （ 3） 加入更先進的控制算法 。如參數(shù)自整定 PID，模糊神經(jīng)元控制等， 以期達到更好的控制效果 。 （ 4） 本實驗進行系統(tǒng)抗干擾能力實驗時， 通過任意給電機轉軸添加一個阻力來實現(xiàn)。這種方法沒有將突加負載量化，只是進行了定性分析。選用磁滯制動器來實現(xiàn)，它利用磁滯原理，通過控制輸入的勵磁電流，產(chǎn)生一定的扭矩。控制電流和輸出扭矩有較好的線性關系。它能提供光滑、無級可調、與轉速無關的轉矩控制。 基于 PLC 控制的交流電機變頻調速系統(tǒng) 41 致謝 時光如梭，轉眼間，我的四年大學生活就要結束了，在這豐富而充實的四年里，我不僅學到了專業(yè)上的知識，掌握了必要的專業(yè)技能，培養(yǎng)了自學能力、動手能力，更認識了很多受人愛戴的老師和誠懇熱情的同學，我的進步離不開他們的幫助，在此我 深表謝意。 首先 羅克韋爾實驗室軟硬件 系統(tǒng) 十分強大，為我們提供了很好的實驗平臺，這一點不能不說。 再次 我要感謝我的 指 導 老 師 仇芝 老師，他在畢業(yè)設計的完成過程中給了我極大的關注， 為我提供了 很多 思路， 讓我在 實驗中少走了 很多 彎路 。從她 身上，我學到的更重要的是精神層面的東西， 她 認真負責的工作態(tài)度，嚴謹勤奮治學精神，實事求是的學術作風，使我獲益匪淺，終身難忘。 最后 ，就是實驗室的朋友們了。研究生師兄師姐教會了我實驗設備的使用，經(jīng)常找他們借閱實驗室參考資料，不勝感激。還有和我一樣的做畢業(yè)設計的同學，我們經(jīng)常一起交流學習和互 相幫助， 共同解決大家遇到的問題。在大學的最后時光里，能多讓我多認識幾個朋友， 讓我感覺很快樂。