【正文】 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)來實(shí)現(xiàn)較多燈光的閃爍亮暗。 這樣可以極大的利用好資源。 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) 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。 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)。 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。得出結(jié)論，本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。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。 LL L17 也為點(diǎn)亮狀態(tài)，其余均為熄滅狀態(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。 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。 圖 打開導(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。 會(huì)有個(gè)對(duì)話框，選擇 Step 7 MicroWin 的版本，點(diǎn)擊 “Accept”。 圖 開啟仿真軟件選擇 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。 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。 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。我選擇兩個(gè)不同的軟件來進(jìn)行仿真。 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。 驗(yàn)證 驗(yàn)證舞臺(tái)燈光部分。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)仿真的方式來驗(yàn)證本次課題的正確性與可行性。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 。確定好 PK 后，將比例系數(shù) PK 減小為原來的 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? 。通過運(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。 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 =。運(yùn)行到減速點(diǎn)時(shí)，輸入 ， M5 開始減速，直到到達(dá)停止點(diǎn)，舞臺(tái)停止，輸出 。 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 開始變頻啟動(dòng)。（ 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 開始點(diǎn)亮 秒。輸出點(diǎn)為 ,， 。 （ 2）旋轉(zhuǎn)彩燈啟動(dòng) 圖 旋轉(zhuǎn)彩燈部分程序 按下開始按鈕，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 開始變頻啟動(dòng)這里啟動(dòng)加速時(shí)間為 3 秒鐘。 舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖 。然后從頭開始循環(huán) …… 直到按下 SB2 停止按鈕后，所有燈都熄滅 。 由 控制的燈 L1L8 亮，作為舞臺(tái)的主光源，一直保持亮的狀態(tài)。本系統(tǒng)由 28 組燈組成，分別由 PLC 的輸出端口 、 、 以及 控制。 網(wǎng)絡(luò)配置工具主要控制著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。而功能圖同梯形圖一樣也是系統(tǒng)的圖形表示方法。其中，梯形圖最大的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單易懂，在開關(guān)控制部分尤其加大對(duì)它的使用度。 硬件診斷工具顧名思義管理著控制系統(tǒng)的整體運(yùn)行的狀態(tài)，如果有些模塊出現(xiàn)了故障等情況，就可以打開硬件診斷工具來清楚的 看到到底是哪里出了問題，這樣才能解決掉故障使系統(tǒng)能繼續(xù)正常工作。 SIMATIC 作用是管理控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)以及程序。 STEP7 軟件工具包括 SIMATIC 管理器、符號(hào)編輯器、硬件診斷、編程語言、硬件配置、網(wǎng)絡(luò)配置。 step7 介紹 STEP7 作為西門子的主要軟件部分，運(yùn)用于可編程控制中。太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 本章節(jié)是舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分。 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 圖 拓展模塊原理圖 1 圖 拓展模塊原理圖 2 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 拓展模塊原理圖 3 綜上所述，本章節(jié)重點(diǎn)介紹了舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)硬件部分的的設(shè)計(jì)，主要介紹了各部分的主要工作原理和實(shí)現(xiàn)的功能以及電氣原理圖。開關(guān) K9 是 M5 電機(jī)變頻啟動(dòng)，K10 是控制 M5 電機(jī)工頻運(yùn)行。 圖 也為拓展模塊，開關(guān) K5 是 M3 電機(jī)變頻啟動(dòng)， K6 是控制 M3 電機(jī)工頻運(yùn)行。開關(guān) K1 是 M1 電機(jī)變頻啟動(dòng)， K2 是控制 M1 電機(jī)工頻運(yùn)行。 圖 是拓展模塊，同樣接直流 24v 的電源。輸入點(diǎn) SB1 是啟動(dòng)按鈕， SB2是停止按鈕， SB8 控制舞臺(tái)上升， SB9 控制舞臺(tái)下降， SB10 控制舞臺(tái)停止。 PLC 電源使用直流 24V 電源。 圖 所示的是一個(gè)變頻器帶動(dòng)舞臺(tái)升降的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及帶動(dòng)風(fēng)扇泡泡機(jī)和煙霧機(jī)工作的電機(jī)。 舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)電氣原理圖 圖 所示是變頻一個(gè)變頻器帶動(dòng)四個(gè)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，這四個(gè)電機(jī)均為變頻啟動(dòng)。于是我就想到了添加擴(kuò)展模塊。并且自身保護(hù)功能完善，可進(jìn)行電壓及欠電壓保護(hù)、變頻器過熱保護(hù)、接地故障保護(hù)、短路保護(hù)和 PTC/KTY 電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)等。穩(wěn)定性能好的特點(diǎn)。我選擇 PLC 同屬西門子公司的 MICROMASTER 440 變頻器。 變頻器的選擇 在 本文 中，升降 舞臺(tái)以及旋轉(zhuǎn)彩燈部分均需要電機(jī)來帶動(dòng)。 旋轉(zhuǎn)彩燈則在舞臺(tái)正上方的前后左右四個(gè)方位各安裝一個(gè)。用于制造一些影音區(qū)太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 域來烘托一定的氛圍。柔光燈光照強(qiáng)度較弱，可以凸顯出演員衣著和其他場(chǎng)景的顏色。聚光燈投射距離遠(yuǎn)，可以突出演員的輪廓，回光燈投射角度大，可以形成大的舞臺(tái)光斑，提高舞臺(tái)亮度并且增加美感。主燈光的作用除了提供基本的照明外還要能夠正面勾勒演員輪廓和突出演員的表情。 表 CPU22X(CPU226)主要技術(shù)指標(biāo)表 型號(hào) CPU226 程序 /字 4096 用戶數(shù)據(jù) /字 2560 用戶儲(chǔ)存器類型 EEFPROM 本機(jī) I/O 24 入 /16 出 數(shù)字量 I/O 映像區(qū)大小 /bit 256 最大模擬量輸入輸出 32 入 /32 出 I/O 映像寄存器 /bit 1281/和 1280 順序控制繼電器 /bit 256 舞臺(tái)燈的選型 舞臺(tái)的燈光排布分為 3 個(gè)橢圓形的光道。西門子 (SIEMENS)S7200 系列 CPU226 在編程環(huán)境等方面，它不僅具備了以往的小型 PLC 所具有的功能，盡可能使安裝空間最小化，并實(shí)現(xiàn)了具有 10 點(diǎn) 100 點(diǎn)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的彈性構(gòu)成。 文章中所 使用的是來自西門子 (SIEMENS)S7200 系列 CPU226 可編程控制器。而 S7200 不僅完全符合應(yīng)用要求，性價(jià)比還很高。但結(jié)合實(shí)驗(yàn)室以及設(shè)備的型號(hào)特點(diǎn)，需要昂貴的經(jīng)費(fèi)支持。 S7200 S7200 PLC 是小型化的 PLC 種類，它適用性強(qiáng)，與自動(dòng)化檢測(cè)和控制有關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域都將 S7200 PLC 廣泛的應(yīng)用其中，性價(jià)比高，在各種行業(yè)、場(chǎng)合中都能自動(dòng)檢驗(yàn)、監(jiān)測(cè)并控制，它的功能很強(qiáng)大，不管是單機(jī)運(yùn)行還是以網(wǎng)絡(luò)形式運(yùn)行都能夠?qū)?fù)雜的控制完成，安全性、可靠性都很高，另外它的內(nèi)容簡(jiǎn)單，很容易掌握并操作，豐富的指令集、內(nèi) 置集成功能、擴(kuò)展模塊以及超強(qiáng)的通訊能力更是讓這個(gè)產(chǎn)品實(shí)用無比。 SIMATIC S7400(產(chǎn)于德國西門子公司） S7400 PLC 的性能偏中、高檔，廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)，它較 S7200 和 S7300 而言處理速度快，通訊能力更強(qiáng)，采用免風(fēng)扇的模塊化形式，保證了其安全可靠性，多種 CPU、通用功能模塊使得 S7400 PLC 可以根據(jù)不同的需求組合成不同的系統(tǒng)。另外它也可在很多不同的 CPU 模塊中選擇使用，擴(kuò)展模塊更是多達(dá) 32 個(gè)模塊。而 S7 系列的 PLC 又是西門子 PLC 中最為經(jīng)典的，所以我選擇西門子 S7 系列的 PLC。而本 文 中對(duì)大量彩燈的控制均為模擬量。西門子 PLC 價(jià)格適中抗干擾能力比較強(qiáng)，也比較耐用，維護(hù)率，損壞率比較低。歐姆龍 PLC 使用較為方便，價(jià)格較低。 圖 舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 控制器 的選擇 目前市面上市場(chǎng)占有率較高的 PLC 品牌有三種，分別是西門子 PLC，三菱 PLC 和歐姆龍 PLC。最后還設(shè)置了急停按鈕。且會(huì)持續(xù)到停止按鈕按下。 如圖 ，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)， PLC 開始工作， CPU 開始執(zhí)行相應(yīng)的程序來控制某些繼電器的觸點(diǎn)的閉合或者斷開。輸出單元由 28 盞燈和升降舞臺(tái)、煙霧機(jī)和風(fēng)扇泡泡機(jī)組成。 系統(tǒng)整體概述 系統(tǒng)總體分為輸入單元、輸出單元、和 CPU。主要包括 PLC 的選型， CPU 的選型，舞臺(tái)燈光的選擇以及變頻器的選擇。在升降舞臺(tái)的調(diào)速上，為了提高電機(jī)的輸出效率，我太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 選擇了恒壓頻比的調(diào)速方式。在舞臺(tái)燈的空間布局完成后，我初步選擇了一套閃爍燈的閃爍方案。 綜上所述本章總體介紹了舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。輸入分別為啟動(dòng)按鈕，停止按鈕，舞臺(tái)上升按鈕，舞臺(tái)上減速按鈕，舞臺(tái)上停止按鈕，舞臺(tái)下降按鈕，舞臺(tái)下停止按鈕 ，舞臺(tái)下減速按鈕。 系統(tǒng)的輸入輸出分析 針對(duì)上述中的對(duì)控制方案的描述，現(xiàn)總結(jié)得出系統(tǒng)的輸入輸出。所以 PID 控制在舞臺(tái)同步控制方面仍然占有一席之地。 圖 主從控制示意圖 現(xiàn)代升降舞臺(tái)系統(tǒng)中，由于舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中存在負(fù)載不均勻 ，摩擦阻力大小 不一等因素，因此舞臺(tái)同步控制是一個(gè)復(fù)雜、時(shí)變動(dòng)態(tài)過程，存在非線性、大慣性的特征。如圖 就是主從控制的示意圖。也就是說從電機(jī)的輸出可以跟隨主電機(jī)的輸出來進(jìn)行調(diào)整。 圖 并行控制示意圖 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 另一種是主從控制，它是將兩臺(tái)電機(jī)分為主電機(jī)和從電機(jī)。這種方式容易實(shí)現(xiàn)，但是抗干擾能力較弱。這是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。 兩種同步控制方式的比較 升降舞臺(tái)的同步控制的思路分為兩種。為了安全起見，升降舞臺(tái)的兩塊升降臺(tái)應(yīng)當(dāng)達(dá)到同步控制的效果。按下下降按鈕時(shí)，舞臺(tái)開始下降，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在 內(nèi)達(dá)到 1000r/min，到達(dá)減 速點(diǎn)時(shí)，舞臺(tái)開始減速，達(dá)到停止點(diǎn)時(shí)，舞臺(tái)停止下降。在舞臺(tái)停止時(shí)，還應(yīng)當(dāng)設(shè)置減速點(diǎn)，當(dāng)舞臺(tái)上升到減速點(diǎn)位置時(shí)，舞臺(tái)開始減速，到達(dá)停止點(diǎn)時(shí)（即限位開關(guān)），舞臺(tái)停止上升。 升降舞臺(tái)的控制方法 升降舞臺(tái)通過電機(jī)來帶動(dòng)。不同的是，異步電機(jī)中的 磁通是由定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)共同合成，所以要想保持磁通恒定就沒那么容易了。假如磁通量 m? 很低，則意味著電機(jī)鐵心存在很大的浪費(fèi)，沒有資源的合理有效應(yīng)用；但假若一味提高磁通量，那么鐵心會(huì)飽和，甚至電機(jī)會(huì)因?yàn)槔@組過熱而被燒壞。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下： 22m ?? COSICM M? （