【導讀】針對大中型異步電動機起動時的沖擊電流問題及各類降壓起動的方式進行分析研究，設計出一種以可編程序控制器為控制核心的軟起動和保護系統(tǒng)。器用于軟起動的安全同步切換問題進行探討。3月7日-3月26日查閱資料、撰寫文獻綜述、撰寫開題報告。3月27日-4月9日畢業(yè)實習、撰寫實習報告。4月10日-4月22日主要完成系統(tǒng)硬件構建的初步設計。5月11日-5月20日完成系統(tǒng)的主電路設計與元器件計算。5月21日-5月29日完成系統(tǒng)的軟件設計。6月12日-6月16日修改、裝訂畢業(yè)設計說明書、指導教師評閱。6月17日-6月20日畢業(yè)設計答辯。異步電動機概述·····························································1. 異步電動機全壓直接起動的危害········································4

　　

【正文】 電動機智能軟起動控制系統(tǒng)的研究與設計（ PLC） 18 可編程序控制器的 I/0 滯后現(xiàn)象 由于 PLC 是掃描工作過程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映像寄存器的內(nèi)容也不會變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能改變。暫存在輸出映像寄存器中的 輸出信號，等到一個循環(huán)周期結束， CPU集中將這些輸出信號全部輸送給輸出鎖存器。由此可以看出，全部輸入輸出狀態(tài)的改變需要一個掃描周期。換言之，輸入輸出的狀態(tài)保持一個掃描周期。掃描周期越長，滯后現(xiàn)象越嚴重。一般掃描周期只有十幾毫秒到幾十毫秒，因此對一般工業(yè)控制設備或者對輸入信號變化較慢的系統(tǒng)來說，這種滯后現(xiàn)象是完全允許的。若要輸出對輸入作出快速響應的場合，則可采取相應的措施如選用高速 CPU 提高掃描速度，采用快速響應模塊、高速計數(shù)模塊以及不同的中斷處理等措施來盡量減少滯后時間。影響 I/0 滯后的主要原因有 :輸入濾波 器對信號的延遲 。輸出繼電器的動作延遲 。程序設計不當?shù)母郊佑绊懙?[2]。 可編程序控制器編程語言的國際標準 現(xiàn)代的可編程序控制器一般備有多種編程語言，供擁護選擇，不同廠家的可編程序控制器的編程語言有較大的區(qū)別，用戶不得不學習多種編程語言。 IEC（國際電工委員會）于 1994 年 5 月公布可編程序控制器標準（ IEC1131），該標準由以下 5 部分組成：通用信息，設備與測試要求，可編程序控制器的編程語言，用戶指南與通信。其中的第三部分（ IEC11313）是可編程序控制器的編程語言標準。 IEC11313 標準使用戶在使用新的可編程序控制器時，可以減少重新培訓的時間；對于廠家，使用標準將減少產(chǎn)品開發(fā)的時間，可以投入更多的精力去滿足用戶的特殊要求。 IEC11313 詳細地說明了句法、語義和下述 5 種編程語言的表達方式： 順序功能圖（ Sequential function chart） 。 梯形圖（ Ladder diagram） 功能塊圖（ Function block diagram） 指令表（ Instruction list） 結構文本（ Structured） 標準語言中有兩種圖形語言 梯形圖（ LD）和功能塊圖（ FBD），還有兩種文字語言 指令表（ IL）和結構文本（ ST），可以認為順序功能圖（ SFC）是一種結構塊控制程序流程圖。 1）梯形圖（ LD） 梯形圖是使用得最多的可編程序控制器圖形語言編程語言。梯形圖與繼電器控制系湖南工程學院畢業(yè)設計論文 19 統(tǒng) 惡毒 電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠熟悉繼電器控制的電氣人員掌握，特別使用于開關邏輯控制。有時把梯形圖稱為電路或者程序，把梯形圖的設計叫做編程。 （ a）錯誤的梯形圖 （ b）正確的梯形圖 圖 22梯形圖的特點 梯形圖的特點 可編程序控制器梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如：輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器等等，但是它們不是真實的物理繼電器（即硬件繼電器），而是在軟件中使用的編程元件。每一編程元件與可編程序控制器存儲器中元件映像寄存器的一個存儲單元相對應。該存儲單元如果為“ 1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對應編程元件的線圈“通電”，其常開觸點接通，常閉觸點斷開，以后我們稱這種狀態(tài)是該編程元件為“ 1”狀態(tài)，或者稱該編程元件 ON。如果該存 儲單元為“ 0”狀態(tài)，對應的編程元件的線圈和觸點的狀態(tài)與上述的相反，稱該編程元件為“ 0”狀態(tài)，對應的編程元件的線圈和觸點的狀態(tài)與上述的相反，稱該編程元件為“ 0”狀態(tài)，或稱該編程元件 OFF。 梯形圖兩側的垂直公共線稱為公共母線。在分析梯形圖的邏輯關系時，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以左右兩側母線之間有一個左正右負的直流電源電壓，這一方向與執(zhí)行用戶程序時的邏輯運算的順序是一致的。 某些可編程序控制器的梯形圖去掉了右邊的垂直線。 根據(jù)梯形圖中各觸點的狀態(tài)和邏輯關系，求出與圖中各線圈對應的編程元件的ON/OFF 狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯解算。邏輯解算是按梯形圖中從上到下、從左到右的順序進行的。解算的結果，馬上可以被后面的邏輯解算所利用。邏輯解算是根據(jù)輸入映像寄存器中的值，而不是根據(jù)解算瞬時外部輸入觸點的狀態(tài)來進行的。 梯形圖中各編程元件的常開觸點和常閉觸點均可以無限多次地使用。 電動機智能軟起動控制系統(tǒng)的研究與設計（ PLC） 20 可編程序控制器特殊功能模塊 現(xiàn)代工業(yè)控制給可編程序控制器提出了許多新的課題，僅僅用通用 I/O 模塊來解決，在硬件方面費用太高，在軟件方面編程相當麻煩，某些控制任務甚至無法用通用 I/O 模塊來完成。為了增強可編程序控制器的功能，擴大 其應用范圍，可編程序控制器廠家開發(fā)了品種繁多的特殊用途 I/O 模塊，包括帶微機處理器的智能 I/O 模塊。 模擬量輸入輸出模塊 在工業(yè)控制中，某些輸入量（如壓力、溫度、流量、轉速等）是模擬量，某些執(zhí)行機構要求可編程序控制器輸出模擬信號，而可編程序控制器的 CPU 只能處理數(shù)字量。模擬量首先被傳感器和變送器轉換為標準的電流或電壓，可編程序控制器用 A/D 轉換器將它們轉換成數(shù)字量。這些數(shù)字量可能是二進制的，也可能是十進制的，帶正負號的電流或電壓在 A/D 轉換后用二進制原碼或補碼表示。 D/A 轉換器將可編程序控 制器的數(shù)字輸出量轉換為模擬電壓或電流，再去控制執(zhí)行機構。模擬量 I/O 模塊的主要任務就是完成 A/D 轉換（模擬量輸入）和 D/A 轉換（模擬量輸出）。 A/D、 D/A 轉換器的二進制位數(shù)反映了它們的分辨率，位數(shù)越多，分辨率越高。模擬量輸入 /模擬量輸出模塊的另一個重要指標是轉換時間。 湖南工程學院畢業(yè)設計論文 21 第 3 章 PID 控制及其調節(jié)規(guī)律 PID 控制 PID 控制的概念 PID 控制是一種負反饋控制，它所組成的控制系統(tǒng)由 PID 控制器和被控對象組成，具有一般閉壞反饋控制系統(tǒng)的結構，通過負反饋作用使被控系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 31 所示。 PID 控制器綜合了關于系統(tǒng)過去、現(xiàn)在和未來三方面的信息，對動態(tài)過程無需太多的預先知識，控制效果能夠滿足要求 [12]。 圖 31 PID控制系統(tǒng)原理 PID 控制的特點 在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中， PID 控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。在本世紀 40 年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關控制外，它是唯一的控制方式。 PID 控制具有很多優(yōu)點 ： ①算法簡單，使用方便，容易通過簡單的硬件和軟件方式實現(xiàn) 。 ②適應性強，可以廣泛的應用于各種行業(yè) : ③魯林性強，它的控制品質對被控對象特性的變化不大敏感。 由于具有這些優(yōu)點， PID 控制直到現(xiàn)仍然是應用最廣泛的基本控制方式之一 [13]。 電動機智能軟起動控制系統(tǒng)的研究與設計（ PLC） 22 PID 控制器 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 y(t)構成的控制偏差 e(t)=A(t)一 r(t) （式 31） 將偏差 e(t)的的比例 (Proportion)、積分 (Integral)和微分 (Differential)，通過線性組合構成控制器，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。 數(shù)字 PID 控制 隨著計算機技術的發(fā)展，越來越多的系統(tǒng)采用數(shù)字控制。計算機對來自 A/D 轉換器的信號進行比例、積分和微分變換處理，既能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性，又能加快過渡過程和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性 [23]。數(shù)字控制器的經(jīng)典設計方法有兩種 :連續(xù)設計法和離散設計法。 通常在模擬 PID 算法的基礎上，通過離散化處理就得到數(shù)字 PID 的公式。 （式 32） 式中， T 為采樣周期 (或控制周期 )， n 為采樣序號， n=1,2,,e(n1)和。 (n)分別為第n1 和第 n 次采樣所得的偏差信號， u 問為第 n 時刻的控制量。 在模擬控制器中難以實現(xiàn)的理想微分的 de/dt，在計算機中可以利用其差分方程很好的實現(xiàn)，因此式 32 也稱為理想微分 PID 數(shù)字控制器。 位置式 PID 算式 ； 模擬儀表調節(jié)器的動作是連續(xù)的，任何瞬間的控制量輸出 :都對應于執(zhí)行機構的位置。數(shù)字 PID 控制器的輸出 u(n)也和位置對應，因此稱為位置型算式。 增量式 PID 算式 ； 增量式 PID 算法就是讓計算機輸出相鄰兩次調節(jié)結果的增量。 （式 33） 湖南工程學院畢業(yè)設計論文 23 增量型算式僅僅是在計算方法上作了一點改變，并未改變增量 型算式的本質。由于算式不進行累加計算，增量只與最近幾次采樣值有關，容易獲得較好的控制效果。 數(shù)字 PID 控制器的設計 控制系統(tǒng)設計中最重要的一類就是如何根據(jù)控制目標，設計適當?shù)目刂扑惴ㄊ箞D31 所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)滿足給定的系統(tǒng)性能指標。數(shù)字控制器的設計通常有兩種方法：模擬設計法和離散設計法 。 模擬設計法是將數(shù)字控制器作為模擬控制器，采用連續(xù)系統(tǒng)的設計方法，首先設計模擬控制系統(tǒng)的模擬控制器，使模擬控制系統(tǒng)性能指標滿足。然后采用離散化的方法將設計好的模擬控制器離散化成數(shù)字控制器，最后構成數(shù)字控制系統(tǒng)。該方 法在采樣周期較大時，系統(tǒng)實際達到的性能往往比預計的設計指標差。 離散設計法則首先將圖 31 所示系統(tǒng)中的被控對象加上保持器一起構成的廣義對象離散化，得到相應的以脈沖傳遞函數(shù)，差分方程或離散系統(tǒng)狀態(tài)方程表示的離散系統(tǒng)模型。然后利用離散控制系統(tǒng)理論，直接設計數(shù)字控制器。這種方法是目前采用較為廣泛的控制器設計方法 [13]。 PLC 的 PID 模塊分析研究 三菱 公司從 A 系列 PLC 中的 CPU 開始增加了用于閉環(huán)控制的 PID 模塊。在我們使用的 PLC 中，是通過 PID 調節(jié)器來調節(jié)輸出，保證偏差值 為零，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。在系 統(tǒng)中，偏差 e 是給定值 SP(希望值 )和過程變量 PV(實際值 )的差。 PID 控制的原理基于式 (34)所示的方程，它描述了輸出 M(t)作為比例項、積分項和微分項的運算參數(shù)關系。 （式 34） 其中 :M(t) PID 回路的輸出，是時間的函數(shù) Kc PID 回路的增益 E PID 回路的偏差 (給定值與過程變量之差 ) Mmitral PID 回路輸出的初始值 為了在計算機中實現(xiàn)這一這個控制功能，式 (34)所描述的連續(xù)函數(shù)必須進行離散化 ，即對誤差進行周期性的采樣并計算輸出值。離散式方程如式 (35)所示 ： 電動機智能軟起動控制系統(tǒng)的研究與設計（ PLC） 24 （式 35） 其中 :Mn 采樣時刻 n 計算出的 PID 回路輸出值 Kc PID 回路增益 e。 采樣時刻 n 的偏差值 en1 采樣時刻 n1 的偏差值 (偏差前項 ) Ki 積分項的比例系數(shù) Mintiui PID 回路輸出的初始值 Ko 微分項的比例系數(shù) 積分項包括從第一次采樣到當前采樣時刻的所有誤差項，微分項由本次 采樣和前一次采樣值來決定，比例項僅由本次采樣值決定。所以在計算機的 PID 運算中，沒有必要保存所有的誤差項。 由于計算機從第一次采樣開始，每獲得一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，但是系統(tǒng)中只需要將上一次的偏差值和積分項的存儲下來。利用計算機處理數(shù)據(jù)的迭代運算，可以將上式簡化為 CPU實際使用的遞推形式，如式 (36)所示 : Mn=MPo+MIn+MDn （式 36） 其中 ： Mn 第 n 采樣時刻的計算值 MP。 第 n 采樣時刻的比 例項值 MIn 第 n 采樣時刻的積分項值 MDn 第 n 采樣時刻的微分項值 對于不同的控制系統(tǒng)，需要根據(jù)不同的控制對象，選用不同的控制環(huán)節(jié)。而且，不同控制對象的給定值和過程變量都是現(xiàn)實世界的值，他們的大小、范圍和工程單位都可能不一樣。所以在進行 PID 指令對這些值進行計算之前，必須把他們轉換成標準的浮點型實數(shù)，這樣才能進行 PID 運算。同樣，經(jīng)過了 PID 運算以后的回路輸出值一般為控制變量，而且輸出的也是經(jīng)過標準化了的實數(shù)，所以在回路輸出驅動模擬輸出之前，必須把回路輸出轉換為相 應的 16 位整數(shù)，即通過標準化過程的逆過程，將回路輸出值轉換位相應的能驅動模擬輸出的值。 在控制系統(tǒng)中，模擬式 PID 控制調節(jié)器的應用已經(jīng)非常廣泛，由于它已經(jīng)形成了典型結構，參數(shù)易于調整且結構簡單，結構靈活，可以是其中的一部分，所以在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程 (如冶金，石油，化工，電站，造紙，供水等過程 )的控制中，獲得了良好的效果，對于那些數(shù)學模型不易精確求得，參數(shù)變化較大的被控對象，采用 PID 調節(jié)器往湖南工程學院畢業(yè)設計論文 25 往也能得到滿意的控制效果。 PID 控制在經(jīng)典控制理論中已經(jīng)技術成熟，現(xiàn)在正廣泛應用于實際生產(chǎn)的控制中。今天，隨著 計算機技術的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了取代模擬 PID 控制的數(shù)字式 PID 調節(jié)器，并且功能不斷完善，使經(jīng)典的 PID 控制算法結合先進的計算機技術，促進了 PID 控制理論的發(fā)展，擴展了它的功能。 PID 控制器設計及實現(xiàn) 三菱 公司從 A 系列 PLC 中開始增加了用于閉環(huán)控制的 PID 指令。 A 系列的 PLC 都有配套的編程軟件，該軟件可以在 PC 機上運行，為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應用程序提供了良好的編程環(huán)境。 并且 提供了 PID 指令向導，指導使用者定義一個閉環(huán)控制過程的 PID 算法，該算法程序由編程軟件自動插入到主程序中。 PID 的組態(tài)設 計包括以下內(nèi)容 : ①確定所要控制的 PID 指令編號 (回路編號 ) ②選擇參數(shù)控制表存放的位置以及閉環(huán)控制的參數(shù) : ③確定 PID 回路的輸入和輸出控制參數(shù) : ④確定 PID 回路的報警選項以及報警參數(shù) 。 ⑤指定用于計算的數(shù)據(jù)存儲 現(xiàn)場實驗校驗 數(shù)字控制系統(tǒng)本質上是一種采樣控制系統(tǒng)。由于連續(xù)生產(chǎn)過程的控制回路一般都具有較大的時間常數(shù)，通常采樣周期比系統(tǒng)的時間常數(shù)要小的多，因此其參數(shù)選擇可以采用模擬調節(jié)器的整定方法。常用的簡易工程整定法有兩種擴充臨界比例度法和擴充響應曲線法。本系統(tǒng)中采用擴充臨界比例度法進行參數(shù)整定。 選擇一個足夠的采樣周期，采樣周期為被控對象純滯后時間的 1/10 以下。采樣周期如果太小，將會使微分和積分作用不明顯。由于管網(wǎng)中的水壓變化緩慢，所以采樣周期可以取得稍微大一些。此外，執(zhí)行機構的慣性比較大，采樣周期的選擇要與之相適應，否則執(zhí)行機構來不及反映控制器的輸出值變化。 用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作。去掉控制器的積分和微分作用，只保留比例作用。然后逐漸減小比例，直到系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩。記下使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度 、及系統(tǒng)的臨界振蕩周期 TK。 選擇控制度 根據(jù)實際需要選擇 PID 控 制器的控制精度?？刂贫仁且阅M調節(jié)器為基準，將數(shù)字控制器的控制效果于模擬調節(jié)器相比較所得?？刂菩Ч脑u價函數(shù)通常用誤差平方面積表示 。 控制度表示的是數(shù)字 PID 和模擬 PID 相比的控制效果，無需計電動機智能軟起動控制系統(tǒng)的研究與設計（ PLC） 26 算。 根據(jù)選定的控制度，查表 31 求得參數(shù) KP , KI，和 KD的值。 表 31 控制度、參數(shù) KP , KI，和 KD的值。 控制度 T KP KI KD TK TK TK TK TK TK TK TK TK TK TK 湖南工程學院畢業(yè)設計論文 27 第 4 章 系統(tǒng)原理 及方案設計 基于 PLC的大中型電動機軟起動控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的基本工作原理及結構特點 開關變壓器式高壓電機軟起動控制系統(tǒng)的基本工作原理如圖 41所示，是用開關變壓器來隔離高壓和 低壓，開關變壓器的低壓繞組與晶閘管和控制系統(tǒng)相 連 ，通過改變其低壓繞組上的電壓來改變高壓繞組上的電壓，從而達到改變電動機端電壓的目的，實現(xiàn)電動機的軟起動。其特點如下（圖 41）： 圖 41 基本工作原理圖 電壓和電流能從零起連續(xù)可調，對電動機無操作過電壓傷害，無轉矩沖擊，對電網(wǎng)無沖擊；轉速慢慢上升，有利于潤滑，能延長電動機及機械設備的使用壽命；高壓開關合閘時電流 (或電壓 )為零，能顯著提高開關壽命。 控制靈活，重復精度高。 在起動過