【導(dǎo)讀】實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　

【正文】 …… 直到按下 SB2 停止按鈕后，所有燈都熄滅 。該設(shè)計(jì)的舞臺(tái)燈分為常亮燈和閃爍燈，給人們帶來(lái)了一場(chǎng)視覺(jué)盛宴也滿足了人們的審美心理的需要， 使舞臺(tái)背景空間最大限度地利用了 PLC 的價(jià)值，并達(dá)到使用功能和審美功能的統(tǒng)一。 舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖 。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 開(kāi) 始主 光 源 L 1 L 8 亮 起L 2 5 ， L 2 6 ， L 2 7 ， L 2 8 開(kāi) 始 亮 起 旋轉(zhuǎn)0 . 5 秒 后 L 9 ， L 1 0 開(kāi) 始 亮 起0 . 5 秒 后 L 1 3 L 1 6 開(kāi) 始 亮 起0 . 5 秒 后 L 1 1 ， L 1 2 亮 起0 . 5 秒 后 L 1 5 L 1 8 亮 起0 . 5 秒 后 L 1 3 ， L 1 4 亮 起0 . 5 秒 后 L 1 7 L 2 0 亮 起0 . 5 秒 后 L 1 9 L 2 2 亮 起0 . 5 秒 后 L 1 7 ， L 1 8 亮 起0 . 5 秒 后 L 2 1 ， L 2 2 亮 起0 . 5 秒 后 L 1 9 ， L 2 0 亮 起0 . 5 秒 后 L 2 3 ， L 2 4 ， L 9 ， L 1 0 亮起0 . 5 秒 后 ， L 9 L 1 2 亮 起0 . 5 秒 后 ， L 2 3 ， L 2 4 亮 起是 否 結(jié) 束結(jié) 束是否 圖 閃爍燈工藝流程圖 程序設(shè)計(jì) （ 1）主程序設(shè)計(jì) 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 圖 主程序 圖 所示為主程序部分，分別初始化調(diào)用升降舞臺(tái)和的光控制部分的子程序。 （ 2）旋轉(zhuǎn)彩燈啟動(dòng) 圖 旋轉(zhuǎn)彩燈部分程序 按下開(kāi)始按鈕，同時(shí)輸出點(diǎn) 為控制旋轉(zhuǎn)彩燈 L25 的電機(jī) M1 開(kāi)始變頻啟動(dòng)，輸出點(diǎn) 為控制旋轉(zhuǎn)彩燈 L26 的電機(jī) M2 開(kāi)始變頻啟動(dòng)，輸出點(diǎn) 為控制旋轉(zhuǎn)彩燈 L27的電機(jī) M3 開(kāi)始變頻啟動(dòng)，輸出點(diǎn) 為控制旋轉(zhuǎn)彩燈 L28 的電機(jī) M4 開(kāi)始變頻啟動(dòng)這里啟動(dòng)加速時(shí)間為 3 秒鐘。 （ 3）旋轉(zhuǎn)彩燈的電機(jī)切換到工頻運(yùn)行 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 圖 燈光部分程序 1 如圖 所示，當(dāng)啟動(dòng)結(jié)束后， M1M4 開(kāi)始以工作頻率開(kāi)始運(yùn)行。輸出點(diǎn)為 ,， 。 （ 4）按下啟動(dòng)按鈕后， 秒后 L9L10 亮 圖 燈光部分程序 2 如圖 所示，按下啟動(dòng)按鈕，輸出點(diǎn) 和 控制的 L9 和 L10 開(kāi) 始點(diǎn)亮 秒。（ 5） 秒后 L13L16 燈亮 圖 燈光部分程序 3 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 如圖 所示， 和 控制的 L9 和 L10 熄滅， 控制的燈 L13L16 開(kāi)始點(diǎn)亮 秒。 （ 7）舞臺(tái)升降部分 圖 舞臺(tái)升降部分程序 如圖 是舞臺(tái)升降部分。 為舞臺(tái)上升的控制輸入，按下 后，帶動(dòng)舞臺(tái)上升的電機(jī) M5 開(kāi)始變頻啟動(dòng)。在變頻啟動(dòng)結(jié)束后，輸出 ，即 M5 工頻運(yùn)行。運(yùn)行到減速點(diǎn)時(shí)，輸入 ， M5 開(kāi)始減速，直到到達(dá)停止點(diǎn)，舞臺(tái)停止，輸出 。 （ 8）循環(huán)部分 圖 循環(huán)部分程序 如圖 為循環(huán)部分程序，首先在此對(duì)彩燈部分程序初始化，然后開(kāi)始循環(huán)。 PID 控制的設(shè)計(jì) 由上文可知： 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為 NNG PUKJKGf60ssusns1r1r??? ）（）（）（ 該升降舞臺(tái)同步控制系統(tǒng)的電機(jī)采用 Y180M2 型三相異步電機(jī)，該型號(hào)電機(jī)效率高、節(jié)能好、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動(dòng)小、運(yùn)行安全可靠其參數(shù)為：額定功率 KWPN 22? ；極對(duì)數(shù) p =1；額定轉(zhuǎn)速 Nn =2940r/min；額定電壓 NU =380 V；額定電流 NI = A；工頻Nf =50Hz；額定轉(zhuǎn)矩 NT = N /m；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 GJ =。 將 NP 和 P 帶入公式（ ）可得： m i n/r30001 5060pf60n 0 ???? N （ ） 將額定轉(zhuǎn)速和求出的同步轉(zhuǎn)速代入公式 ()可得： 3000 29403000n 00 ????? n nS NN （ ）將額定電壓 NU 、電機(jī)極對(duì)數(shù) p、額定轉(zhuǎn)矩 NT 、工頻 Nf 、轉(zhuǎn)差率 s 代入公式 ()可得： 38038013f23 22 ????? ????? ?? NNN N STPUR () 將以上求出的額定電壓 NU 、電機(jī)極對(duì)數(shù) p、轉(zhuǎn)子每相電阻 2R 、工頻 Nf 代入變頻調(diào)速增益公式可得： 38013f23 11 11r ??? ???? ?? RPUK （ ） 將計(jì)算出的變頻調(diào)速增益 1rK 以及電機(jī)銘牌的參數(shù)代入公式 ()，可得到電機(jī)的傳遞函數(shù)為： 5060f60un)(1r1rss??????????SSPUKSJKSGNNG （ ） 變頻器的輸入是控制電壓 CU ，得到相應(yīng)的電源頻率 1f 和電機(jī)定子的相電壓 1U ,與 1f 與太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 CU 的關(guān) 系為 1ffKUC? ； 因此： 50380f11f ??? UK （ ） 變頻器加速時(shí)間 τ 設(shè)置成 ， STS ?? ? ，得到其傳遞函數(shù)為： 101)( ???? SST KSG S S （ ） 參數(shù)整定 在 MATLAB SIMULINK 仿真平臺(tái)下，如圖 采用主從同步控制方式，建立二電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)，首先采用常規(guī) PID 控制算法。通過(guò)運(yùn)用 PID 試湊法整定參數(shù)，該方法原則為：對(duì)參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。先整定 PK 的值， iK 和 dK 為 0，首先 PK 由小逐漸增大，直到出現(xiàn)震蕩，然后減小 PK ，直到震蕩消失。確定好 PK 后，將比例系數(shù) PK 減小為原來(lái)的 50%～ 80%，再設(shè)置一個(gè)較大的 iT ，然后逐漸減小直到出現(xiàn)震蕩，再增大 iT ，直到震蕩消失，記錄下此時(shí)的 iT 值，此時(shí)ii TKK P? 。 dK 的整定方法與 pK 相同，整定 dT 值記錄下此時(shí)的 值，再計(jì)算dd TKK P? 。在圖 的基礎(chǔ)上，反復(fù)仿真實(shí)驗(yàn)，我們尋找到了能輸出較好響應(yīng)曲線的 PID 參數(shù)配置： 1p?K ， 10i?K ， ?K 。 圖 常規(guī) PID 主從控制結(jié)構(gòu)圖 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 第 5 章 系統(tǒng)測(cè)試 測(cè)試的目的 在前期做了大量的研究工作之后，最終則需要通過(guò)系統(tǒng)仿真或者實(shí)物搭建來(lái)檢驗(yàn)前期的工作是否正確以及 本文 的課題是否可行。針對(duì) 本文所研究的內(nèi)容 ，為了節(jié)省資源，降低成本，我選擇系統(tǒng)仿真的方式來(lái)驗(yàn)證本次課題的正確性與可行性。 本文 的仿真的目的是兩個(gè)方面。 驗(yàn)證 驗(yàn)證舞臺(tái)燈光部分。這一部分主要為了驗(yàn)證 28 盞閃爍燈的梯形圖程序是否正確，能否按照之前設(shè)定的流程圖來(lái)控制亮滅。 驗(yàn)證兩塊升降臺(tái)能否同步升降， 也就是驗(yàn)證 控制升降臺(tái)的兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速能否達(dá)到同步的效果。針對(duì)以上兩個(gè)方面。我選擇兩個(gè)不同的軟件來(lái)進(jìn)行仿真。 彩燈部分的仿真 仿真軟件的選擇 我們知道 PLC 的仿真軟件很多，但是由于 使用方便、安裝簡(jiǎn)單、仿真效果明顯，所以本設(shè)計(jì)選用的是 仿真軟件， 仿真軟件是在 STEP7環(huán)境下，不用連接任何 S7 系列的 PLC（ CPU 或 I／ 0 模板），而是通過(guò)仿真的方法運(yùn)行和測(cè)試用戶的應(yīng)用程序。 提供了簡(jiǎn)單的界面，可以用編程的方法（如改變輸入的通 /斷狀態(tài)，輸入值的變化）來(lái)監(jiān)控和修改不同的參數(shù)，也可以使用變量表（ VAT）進(jìn)行監(jiān)控和修改變量。 仿真過(guò)程 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 33 在 Step7 MicroWin 中新建一個(gè)項(xiàng)目。 圖 新建項(xiàng)目 輸入程序，編譯正確后在文件菜單中導(dǎo)出為 AWL文件。 圖 編譯正確后導(dǎo)出 AWL 文件 打開(kāi)仿真軟件，點(diǎn) “Configuration”“CPU型號(hào) ”(或在已有的 CPU 圖案上雙擊 )。 圖 開(kāi)啟仿真軟件選擇 CPU 型號(hào) 在彈出的對(duì)話框中選擇 CPU型號(hào)，要與你項(xiàng)目中的型號(hào)相同。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 34 圖 選擇 CPU226 一臺(tái) 點(diǎn)擊 “程序 ”“載入程序 ”(或工具條中的第 2 個(gè)按鈕 )。 會(huì)有個(gè)對(duì)話框，選擇 Step 7 MicroWin 的版本，點(diǎn)擊 “Accept”。 圖 Step7 MicroWin 的版本 6 將先前導(dǎo)出的 AWL文件打開(kāi)。 圖 打開(kāi)導(dǎo)出的 AWL 文件 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 35 點(diǎn)擊 “查看（ E） ”－ “內(nèi)存監(jiān)視（ M） ”(或工具條中的第 12 個(gè)按鈕 )輸入想要監(jiān)視的地址。 點(diǎn) “PLC”“RUN”(或工具欄上的綠色三角按鈕 )，程序已經(jīng)開(kāi)始模擬運(yùn)行。 仿真結(jié)果 圖 仿真結(jié)果示意圖 仿真結(jié)果如圖所示：其中從左到右，從上到下顯示的燈依次為 L1L28。從仿真系統(tǒng)的運(yùn)行來(lái)看，測(cè)試結(jié)果如下：按下啟動(dòng)按鈕后由，燈 L1L8 亮， 且 一直保持亮的狀態(tài)。 秒后， L L10 、 L17 亮 秒；然后 L13L16 亮 秒；然后，燈 L1 L12 亮 秒；燈 L15L18 亮 秒；然后，燈 L1 L14 亮 秒；然后燈 L17L20 亮 秒；然后，燈 L1 L16 亮 秒；燈 L19L22 亮 秒；然后，燈 L1 L18 亮燈 秒；燈 L21L24 亮燈 秒；然后，燈 L1 L20 亮燈 秒；然后燈 L2 L2 L L10 亮燈 秒；燈 L2 L22 亮燈 秒；然后燈 L9L12 亮燈 秒；燈 L2 L24 亮燈 秒；然后由 、 、 和 控制的燈 L11L14 亮燈。然后從頭開(kāi)始循環(huán) ……如圖 所示的時(shí)刻為：此時(shí) L1L7 均為點(diǎn)亮狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)彩燈 L25L28 也同時(shí)點(diǎn)亮。 LL L17 也為點(diǎn)亮狀態(tài)，其余均為熄滅狀態(tài)。 由以上結(jié)果知，程序可以正常運(yùn)行，結(jié)果也和第 4 章的程序流程圖一致。所以本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可靠的，能達(dá)到舞臺(tái)燈光的效果。并且在泡泡機(jī)和煙霧機(jī)的作用下，更加豐富了觀眾的視覺(jué)感應(yīng)以及更好地渲染了舞臺(tái)的氛太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 36 圍。得出結(jié)論，本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。 升降舞臺(tái)的仿真 仿真軟件的選擇 針對(duì)舞臺(tái)同步升降的仿真我選擇在 MATLAB SIMULINK 仿真平臺(tái)下進(jìn)行。 Simulink 是MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。 Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn) Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。 仿真結(jié)果 仿真結(jié)果如圖 、 、 圖 兩臺(tái)電機(jī) 勻速運(yùn)行 速 度 響應(yīng)曲線圖 圖 為電機(jī) 1（主電機(jī)）在勻速 運(yùn)行的情形下，電機(jī) 2（從電機(jī)）轉(zhuǎn)速的跟隨情況。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 37 圖 兩臺(tái)電機(jī) 啟動(dòng) 速度響應(yīng)曲線 圖 是在啟動(dòng)的時(shí)候從電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)主電機(jī)的跟隨情況 圖 在擾動(dòng)作用下兩臺(tái)電機(jī)速度響應(yīng)曲線 圖 是在 3s 時(shí)加入擾動(dòng)后，從電機(jī)對(duì)主電機(jī)轉(zhuǎn)速的跟隨情況 由以上 3 幅電機(jī)速度響應(yīng)曲線圖可知，在主從同步控制的方式作用下，控制升降舞臺(tái)的兩臺(tái)電機(jī)在勻速時(shí)，啟動(dòng)時(shí)以及在加入擾動(dòng)后，二者的速度均能快速的達(dá)到同步。 在啟動(dòng)太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 38 時(shí)，從電機(jī)對(duì)主電機(jī)的跟隨情況會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，但是也可以在很短的時(shí)間內(nèi)跟隨主電機(jī)運(yùn)行。 由此可知，本 次控制的結(jié)果是可靠有效的 。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 39 第 6 章 結(jié)論 文章 主要是為 禮堂或者酒吧設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化燈光 控制系統(tǒng)，同時(shí) 搭配著舞臺(tái)的升降功能以及煙霧機(jī)等設(shè)備，共同作用來(lái)烘托出一定的舞臺(tái)氛圍。 這樣可以極大的利用好資源。期間 還進(jìn)行了 電氣原理圖 的 CAD 的繪制，用來(lái)更好的 了解 PLC 的接線方式以及對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行 原理 有更加直觀的 了 解。 根據(jù) 課題 要求，結(jié)合 PLC 輸出穩(wěn)定和輸出點(diǎn)多等特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)較多燈光的閃爍亮暗。通