【正文】 分，如圖 3所示。給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。 整 流 器 平 波 電 路 逆 變 器M控 制 電 路 圖 3變頻器簡化結(jié)構(gòu)圖 ⑴ 整流器。 ⑵ 平波回路（中間直流環(huán)節(jié)）。無論電動機(jī)處于電動狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，起始功率因數(shù)總不會等于 1。 ⑶ 逆變器。逆變器的結(jié)構(gòu)形式是利用 6個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變器電路。 ⑷ 控制回路。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流器的電壓控制，以及完成各種保護(hù)功能。 變頻調(diào)速的基本控制方式 ⑴ 普通控制型 V/f通用變頻器 ① 普通控制型 V/f通用變頻器是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，控制電路比較簡單；電動機(jī)選擇通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)，因此其通用性比較強(qiáng)，性價(jià)比比較高，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。這樣的控制方法叫做磁鏈跟蹤控制。 ⑵ 矢量控制方式 矢量控制方式的基本思想是：仿照直流電動機(jī)的調(diào)速特點(diǎn)，使異步交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也能通過控制兩個(gè)互相獨(dú)立的直流磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)。 無速度傳感器的矢量控制。主要性能是：在 1： 10的速度范圍內(nèi)。工作模式可 采用軟件功能選擇。轉(zhuǎn)速的實(shí)際值可以利用由微型機(jī)支持的對異步電動機(jī)進(jìn)行模擬的仿真模型來計(jì)算。這種方式的主要特征更是：在速度設(shè)定值的全范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩上升時(shí)間大約為 15ms，速度設(shè)定范圍大于 1： 100；對于閉環(huán)控制而言，轉(zhuǎn)速上升時(shí)間不大于 60ms。 圖 4系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 由圖 4可知，本文通過 PLC控制變頻器達(dá)到變頻調(diào)速的目的，從而 實(shí)現(xiàn)交 流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、起停、加速、減速控制以及速度的調(diào)節(jié)，并且能夠在在觸摸屏上進(jìn)行操作，控制電機(jī)調(diào)速。 S7200CN系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。 S7200CN系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： PLC 控制信號 觸摸屏 變頻器 M ? 極高的可靠性 ? 極豐富的指令集 ? 易于掌握 ? 便捷的操作 ? 豐富的內(nèi)置集成功能 ? 實(shí)時(shí)特性 ? 強(qiáng)勁的通訊能力 ? 豐富的 擴(kuò)展模塊 閉環(huán)控制的選擇 同 開環(huán)控制系統(tǒng) 相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。為提高控制精度，在擾動變量可以測量時(shí)，也常同時(shí)采用按擾 動的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補(bǔ)充而構(gòu)成 復(fù)合控制系統(tǒng) 。其功能較強(qiáng)，使用靈活，但其價(jià)格相對較貴。 本設(shè)計(jì)采用的變頻器是西門子公司面向世界推出的 21世紀(jì)通用型變頻器 MM440。 MM440變頻器的特點(diǎn)如下： ⑴ 包括電流矢量控制在內(nèi)的四種控制方式均實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。 ⑶ 由于采用了最新式的硬件，因此，功能全、體積小。 ⑸ 通過 LCD操作裝置，可提高操作性能。 PROFIBUS 具有開放式系統(tǒng)，令牌結(jié)構(gòu)，以互聯(lián)網(wǎng) （ open system interconnectionsio）作為參考模型。 其中DP是一種高速低成本通訊，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式 I/O的通訊。 RS485 傳輸技術(shù) PROFIBUS經(jīng)常使用的是 RS485傳輸技 術(shù)，其基本特點(diǎn)見表 1。傳輸速率為 ~12Mbps。在一根電纜段上可以連接 32個(gè)站點(diǎn)，如果使用中繼器，總線上最多可以掛 126個(gè)站。為與個(gè)人計(jì)算機(jī)（ PC）相區(qū)別，現(xiàn)在仍然沿用可編程邏輯控制 器這個(gè)老名字。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 ” 可以預(yù)期，隨著我國 現(xiàn)代化進(jìn)程 的深入， PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。 PLC 具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高、使用方便、易于編程控制、適于工業(yè)應(yīng)用環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的控制系統(tǒng)中，如機(jī)械制造、電力、交通、輕工、食品加工等行業(yè)。 可編程控制器（ PLC）廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制。 PLC 是把計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，為工業(yè)自動化提供近乎完美的現(xiàn)代化自動控制的裝置。由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障。 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。例如三菱公司生產(chǎn)的 F系列PLC平均無故障時(shí)間高達(dá) 30萬小時(shí)。從PLC 的機(jī)外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。 ，功能完善，適用性強(qiáng) PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，并且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。 PLC 有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器，可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中。 ，深受工程技術(shù)人員歡迎 PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。 、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計(jì)時(shí)間比設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)電路圖的時(shí)間要少得多。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。 ，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，僅相 當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的 1/2~1/10。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備 。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。 1）輸入采樣階段 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。 2)用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序 (梯形圖 )。即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點(diǎn)在 I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O映象區(qū)或系統(tǒng) RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對排在其上面的程序起作用 。在此期間， CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執(zhí)行的結(jié)果也不同。當(dāng)然，如果掃描周期所占用的時(shí)間對整個(gè)運(yùn)行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區(qū)別了。 目前， PLC產(chǎn)品大致可分為美國、歐洲國家、日本三大主流。該型號的 PLC指令豐富、功能強(qiáng)大，其占有率在國內(nèi)市場正處于上升趨勢。 本機(jī)集成 14輸入 /10輸出共 24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。 16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空 間。 1 個(gè) RS485通訊 /編程口，具有 PPI通訊協(xié)議、 MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。 (2)該旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有相對切割運(yùn)動 ,根據(jù)電磁感應(yīng)原理 ,轉(zhuǎn)子導(dǎo) 體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生感應(yīng)電流。載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子產(chǎn)生的磁場磁場中受到電磁力作用，電磁力對電機(jī)轉(zhuǎn)子軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí)，便向外輸出機(jī)械能。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4個(gè)部分組成。 （ 2） 我們知道，交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位： n＝ 60f(1－ s)/p (1) 式中 n——— 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速； f——— 異步電動機(jī)的頻率； s——— 電動機(jī)轉(zhuǎn)差率； p——— 電動機(jī)極對數(shù)。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。 變頻器主要是由主電路、控制電路組成： (1)主電路是給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變 器”。 MM 440系列變頻器 MICROMASTER440是用于控制三相交流電動機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的變頻器。 本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)作為功率輸出器件。采用脈沖頻率可選的專用脈寬調(diào)制技術(shù)，可使電動機(jī)噪聲運(yùn)行。 MICROMASTER 440 具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的可變速控制系統(tǒng)供電的理想變頻傳動裝置。 MICROMASTER 440既可用于單獨(dú)傳動系統(tǒng)，也可集成到‘自動化系統(tǒng)’中。變頻器數(shù)字輸入“ 16”端子設(shè)為電動機(jī)運(yùn)行 ， P0010設(shè)為 30， P0970設(shè)為 1。 ，電動參數(shù)設(shè)置完 成后，設(shè) P0010為 0，變頻器當(dāng)前處于準(zhǔn)備狀態(tài)，可正常運(yùn)行。 這些參數(shù)根據(jù)電動機(jī)的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。使得 PLC編程更加方便、快捷。代碼被編譯并下載 到 PLC。數(shù)據(jù)被編譯并下載到 PLC。 ④ 符號表 符號表允許程序員用符號來代替存儲器的地址，符號地址便于記憶，使程序更容易理解。 ⑤ 狀態(tài)表 狀態(tài)表用來觀察程序執(zhí)行時(shí)指定的內(nèi)部變量的狀態(tài)，狀態(tài)表并不下載到 PLC，僅僅是監(jiān)控用戶程序運(yùn)行情況的一種工具。還可以查看哪些內(nèi)存區(qū)域已經(jīng)被使用，是作為單位使用還是作為字節(jié)使用。交叉引用表并不下載到PLC，程序編譯成功后才能看到交叉引用表的內(nèi)容。 PLC 程序在很大程度上影響總線的通訊控制速率和程序的通用性。同時(shí)必須考慮到程序的可重復(fù)性使用。 程序設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮到現(xiàn)場的調(diào)試和系統(tǒng)的擴(kuò)展，在程序設(shè)計(jì)上應(yīng)該考慮程序的通用性和程序的智能化。 2程序高效率設(shè)計(jì) 在程序設(shè)計(jì)時(shí) 注意程序的效率，應(yīng)能夠充分發(fā)揮系統(tǒng)的功能。 數(shù)字 PID控制算法 PID控制的基本原理 PID 控制由反饋系統(tǒng)偏差的比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）的線性組合而成，這 3 種基本控制規(guī)律各具特點(diǎn)。該控制為主要控制部分。但是，微分對干擾也有很大的放大作用，過大的微分會使系統(tǒng)震蕩加劇。積分控制往系統(tǒng)中加入了零極點(diǎn)，可以提高系統(tǒng)的型別（控制系統(tǒng)型別即為開環(huán)傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)的重?cái)?shù)，它表爭了系統(tǒng)跟隨輸入信號的能力），消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，但會使系統(tǒng)的震蕩加劇，超調(diào)增大 ，動態(tài)性能降低，故一般不單獨(dú)使用，而是與PD控制相結(jié)合。 PID控制規(guī)律的基本輸入 /輸出關(guān)系可用微分方程表示： ))()(1)(()( 0 dt tdeTdtteTteKtv dtip ??? ? （ 1） 式中， e(t)為控制器的輸入偏差信號 。 相應(yīng)的傳遞函數(shù)為： ssTTTTKsTsTKsG idiipdip1s)11()( ??????? （ 2） 若 4 1iT? ?則式 (2）還可以寫成 ? ?? ?1211() PiT s T sKGs Ts??? （ 3） 式中 1 141 2 1 di iTTT T?????????，2 141 2 1 di iTTT T?????????。 PID 控制器可由模擬執(zhí)行元件或具有運(yùn)算功能的數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)。 也可取其遞推算法 。 1)動態(tài)指標(biāo) 超調(diào)δ % ，單位階躍響應(yīng)的最大值 ()pht ，超過穩(wěn)態(tài)值 h(∞ )的百分比，即 ? ? ? ?? ?% 10 0%ph t hh? ????? （ 6） 若 ( ) ( )ph t h??則響應(yīng)無超調(diào)。 調(diào)節(jié)時(shí)間、單位階躍響應(yīng) h(t)與穩(wěn)態(tài)值 h(∞ )之間的偏差達(dá)到規(guī)定的允許范圍（177。5％），且以后不再超出此范圍的最短時(shí)間。 一個(gè)好的控制系統(tǒng)應(yīng)該有盡可能小的超調(diào)和盡可能短的調(diào)節(jié)時(shí)間，且超調(diào)量與調(diào)節(jié)時(shí)間在很多情況下是矛盾的：小的超調(diào)量要求系統(tǒng)有大的阻尼系數(shù)，而阻尼系數(shù)過大又會使響應(yīng)速度下降。通過選擇適當(dāng)?shù)目刂品椒梢允惯@兩個(gè)指標(biāo)達(dá)到平衡，使系統(tǒng)的整體性能達(dá)到最優(yōu)。 2)穩(wěn)態(tài)誤差 穩(wěn)態(tài)誤差由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、輸入作用類型決定。 為了提高系統(tǒng)的無差度，可以提高系統(tǒng)的型別（加入積分項(xiàng)）和增大系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)的措施。 圖 6和圖 圖 圖 圖 10 為理想情況和實(shí)際情況下常遇到的 PID控制的階躍響應(yīng)曲線 圖 6 理想響應(yīng)曲線 圖 7 無超調(diào)量 圖 8超調(diào)量偏大