【正文】 ...................................................................................................52 附錄 C 程序清單 ...........................................................................................................70 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1章 緒論 直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。應(yīng)用 PLC 的 PID 功能指令來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的閉環(huán)控制。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 了 對(duì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行全數(shù)字化的改造 ， 使電流環(huán)和速度環(huán)控制器都由 PLC 系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 基于 PLC 的 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 摘 要 隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程控制器（ PLC）的功能更加完善，應(yīng)用更為廣泛，基于 PLC 的控制系統(tǒng)漸漸成為工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。 本文介紹了基于 PLC 的直流電機(jī)雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)直流調(diào)速理論及自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論，介紹了 PLC 控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成、工作原理和動(dòng)態(tài)性能。 重點(diǎn)討論了用西門子 S7200 系列 PLC 中的 CPU222 及其 兩個(gè)擴(kuò)展模塊來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)易于擴(kuò)展，便于擴(kuò)展各種 I/O 模塊和功能模塊。比如軋鋼分廠的可逆軋鋼機(jī)、機(jī)修分廠的龍門創(chuàng)床那樣需要經(jīng)常正 、 反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡可能地縮短直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的一個(gè)重要因素。這種方法簡(jiǎn)單易行，設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。 50 年代末出現(xiàn)的晶閘管，它具有體積小 、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。 直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)相比，其制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高 、 維修困難，需備有直 流電源才能使用。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要高性能速度控制的電力拖動(dòng)場(chǎng)合，直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用，高精度金屬切削機(jī)床，大型起重設(shè)備、軋鋼機(jī)、 礦井卷?yè)P(yáng)、城市電車等領(lǐng)域都廣泛采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。 直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速性能優(yōu)良、可靠性高 等 優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)弱電部分檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速、電樞電流、電機(jī)溫度、晶閘管溫度等信號(hào)，根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)出控制信號(hào)。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 動(dòng)控制系統(tǒng)中。 由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速 ,， 故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的 環(huán)作為外環(huán) , 以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓 , 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán) , 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 雙閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定信號(hào)的過渡過程中表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng) ， 在穩(wěn)定和接近穩(wěn)定運(yùn)行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速系統(tǒng) ， 發(fā)揮了轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 ， 獲得了良好的靜、動(dòng)態(tài)品質(zhì)。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，采用模塊式組合設(shè)計(jì)，具有控制功能強(qiáng)，可靠性高、使用靈活方便，易于擴(kuò)展 而且 PLC系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)單、編程容易、抗干擾能力強(qiáng)、適合在工業(yè)環(huán)境下工作，故而只要合理設(shè)計(jì)，降低成本，它將會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的歡迎 。 在本課題所進(jìn)行的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用 PLC作為系統(tǒng)的主控器件。除上述優(yōu)點(diǎn)外， PLC具有超強(qiáng)的穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的能力，因而， PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制化專業(yè)設(shè)計(jì)的控制裝置，具有比通用計(jì)算機(jī)控制更簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言和更可靠的硬件。 本文首先詳細(xì)的介紹了大功率直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，分析了調(diào)速系統(tǒng)的基本蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 組成以及基本調(diào)速方法 ；然后系統(tǒng)地論述了現(xiàn)代 PLC控制技術(shù)，介紹了 PLC控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法；接著本文以經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高的大功率晶閘管為調(diào)速系統(tǒng)可控整流電源，根據(jù)現(xiàn)代控制理論，采用轉(zhuǎn)速 —電流雙閉環(huán)調(diào)速方法對(duì)大功率直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路、轉(zhuǎn)速控制電路以及信號(hào)檢測(cè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)代 PLC控制技術(shù)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制。 對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的 調(diào)速系統(tǒng)，利用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。 圖 21 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖 為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速 和電流兩種負(fù)反饋分別作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外＋ 電流自 適應(yīng)環(huán)節(jié) 數(shù)字給定 ＋ Uk* － U1* Un 數(shù)字 PI 數(shù)字 PI 數(shù)字 觸發(fā)器 電流反饋 Un* 數(shù)字 I 速度反饋 － U1 電動(dòng)機(jī) A/D D/A PLC 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 環(huán)。 PLC 要從外部輸入電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)，其余工作均在 PLC 內(nèi)部完成，數(shù)字給定也是用軟件方法在 PLC 內(nèi)部設(shè)定。在此，限幅器并沒有限制 c(k)的值，而只是限制了 u(k)的值。速度調(diào)節(jié)及抗負(fù)載和電網(wǎng)擾動(dòng)，可獲得良好的動(dòng)靜態(tài)效果。為使系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)時(shí)無穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環(huán)設(shè)計(jì)成典型 Ⅱ 型系統(tǒng)。模塊內(nèi)有積分環(huán)節(jié)，可 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)軟起動(dòng)。積分環(huán)節(jié)適用于起動(dòng)過渡過程平穩(wěn)的場(chǎng)合。 調(diào)速方式的選擇 直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的電壓平衡方程為 RIU a??E () 電樞反電勢(shì)為 nCE ?? e () 由此得到轉(zhuǎn)速特性方程如下 nCRIUn ??? ea /)( () 由轉(zhuǎn)速特征方程可以看出，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有如下 3 種： （ 1） 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。 Ia 變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。 If 變化時(shí)間遇 到的時(shí)間常數(shù)同 Ia 變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，所需電源容量較小。但只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟，空載時(shí)幾乎沒什么調(diào)速作用還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。所以本次設(shè)計(jì)采用調(diào)壓調(diào)速。 算法分析的任務(wù)是對(duì)設(shè)計(jì)出的每一個(gè)具體的算法，利用數(shù)學(xué)工具，討論各種復(fù) n T 1 2 3 蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 雜度，以探討某種具體算法適用于哪類問題，或某類問題宜采用哪種算法。算法設(shè)計(jì)的正確選擇為從事實(shí)際問題的算法設(shè)計(jì)與分析工作提供了清晰的、 整體的思路和方法。 PID 控制的結(jié)構(gòu) 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱 PID控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng) 驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 PID 控制包含比例、積分、微分三部分，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制器。式 ()又可表示為： )()()( sEsKsKKsU idp ??? () 公式中， U(s)和 E(s)分別為 u(t)和 e(t)的拉氏變換， Kp、 dpd TKK ? 、ipi TKK ? 分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 ―積分項(xiàng) ‖。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）和（或）有滯后的組件，使力圖克服誤差的作用其變化總是落后于誤差的變化。這就是說，在控制器中僅引入 ―比例 ‖項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加蘇州科技學(xué)院 天平學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 的是 ―微分項(xiàng) ‖，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量嚴(yán)重地沖過頭。 PID 參數(shù)的調(diào)整 在 PID參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)如果能夠有理論的方法確定 PID參數(shù)當(dāng)然是最理想的方法，但是在實(shí)際的應(yīng) 用中，更多的是通過湊試法來確定 PID 的參數(shù)。 增大積分時(shí)間 I 有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)。 在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制過程的影響趨勢(shì)，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。將比例參數(shù)由小變大，并 觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。 如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。在此過程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，以期得到滿意的控制過程和整定參數(shù)。首先把微分時(shí)間 D 設(shè)置為 0，在上述基礎(chǔ)上逐漸增加微分時(shí)間，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，逐步湊試，直至得到滿意的調(diào)節(jié)效果。當(dāng)控制過程中某個(gè)變量出現(xiàn)偏差時(shí)， PID 控制算法會(huì)計(jì)算出正確的輸出，并把變量保持在設(shè)定值上。對(duì)于連續(xù)的 PID 算法： ])()(1)([)(0???? t dip dttdeTdtteTteKtu () 然而系統(tǒng)編程計(jì)算的時(shí)候一般是采用離散型的增量式 PID 算法，因?yàn)橹噶顖?zhí)行需要時(shí)間，所以不管 PLC 和高速數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 都是采用離散的算法。以下是離散算法： })]1()([)()({)(u0?? ?????njdip neneTTjeTTneKn () ipi TTKK ? ， TTKK dpd ? ， )1()()( ???? nenene 代換之后變?yōu)椋? ?? ????nj dip neKjeKneKnu 0 )()()()( () PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)直接影響到系統(tǒng)的性能。基于此，衍生出多種改進(jìn)的PID 算法，提高系統(tǒng)的性能。在這種意義上說， PID運(yùn)算存在一種 ―自動(dòng) ‖運(yùn)行方式。 同計(jì)數(shù)器指令相似， PID指令有一個(gè)使能位。為了達(dá)到無擾動(dòng)切換，在轉(zhuǎn)變到自動(dòng)控制前，必須用手動(dòng)方式把當(dāng)前輸出值填入回路表中。 CPU進(jìn)入 RUN方式后首次使 PID塊有效，沒有檢測(cè)到使能位的正跳變，那么就沒有無擾動(dòng)切換的動(dòng)作。 設(shè)計(jì)要求： （ 1） 靜態(tài)指標(biāo)：無靜差； （ 2） 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 %5?i? ；（ 3）空載 起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10?n? 。三相橋式電路的平均失控時(shí)間 sTs ? ； （ 2）電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT 。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 sTTT oisi ???? 。 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇 電流調(diào)節(jié)器選用 PI 型，其傳遞函數(shù)為： ? ?ssKsW iiiA C R ?? 1?? () 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ACR 超前時(shí)間常數(shù)： sTli ??? ； 電流環(huán)開環(huán)增益：因?yàn)橐?%5?i? ，故應(yīng)取 ??iITK ，因此 ?? ??? sTK iI () 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ?????? siIi KRKK ??。 () 校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率： ??? sK Ii? （ 1）校驗(yàn)晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足sci T31?? 。 （ 2）校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的近似條件是否滿足lmci TT13?? 。 （ 3）校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件oisci TT13