【正文】 際生活中的應(yīng)用越來越廣泛。這樣不但可以提高效率，還可以使人類從繁冗的工作中得以解脫。同時也提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，減少了系統(tǒng)出錯的幾率。系統(tǒng)采用 PLC 控制的方法，最終實現(xiàn)了一定的控制效果。它可操作性強(qiáng)，不但可以使得很多復(fù)雜的控制變得簡易，而且還可以提供快捷的控制。所以 PLC 目前依然需要不斷的技術(shù)革新來滿足當(dāng)下大的市場環(huán)境。其目的在于配合各種表演藝術(shù)來營造烘托出相應(yīng)的氛圍。 從運(yùn)用方面來說，我國在舞臺燈光的美觀設(shè)計上的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，只是在舞臺燈光系統(tǒng)的實際控制方面稍有欠缺。從最初的白熾燈到現(xiàn)在的各式各樣的節(jié)能燈，無一不為我們展現(xiàn)出科技的進(jìn)步。除此之外，照明效果也有了質(zhì)的提升。 在國際潮 流和科技的推動下，舞臺燈光正朝著多元化的方向快速發(fā)展。同時隨著自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，舞臺燈光系統(tǒng)的自動化程度也日益提高。但是如何更大程度的提高系統(tǒng)的安全性依然是一個無法完全解決的難題。例如旋轉(zhuǎn)舞臺的失控，導(dǎo)致在演出結(jié)束時演員無法正面對觀眾。因此，實現(xiàn)舞臺的同步控制就顯得尤為重要了。所謂自動化就是指不需要人過多的干預(yù)就能夠自動的配合舞臺氛圍或者場景的需要來達(dá)到控制一些燈的亮暗以及它們的閃爍頻率的目的。我首先選擇了 PLC 的型號，我選取了西門子 S7200 系列的CPU226 可編程控制器。在進(jìn)行完這些準(zhǔn)備工作后，我開始對舞臺燈進(jìn)行一定的空間布置。剩余的 24 盞是固定彩燈。其中最外側(cè)和最內(nèi)側(cè)的光道上的燈為閃爍燈，中間光道的燈為常亮燈，保證舞臺最基本的照明。繪制原理圖我使用到了 AUTO CAD2021 這一軟件。本系統(tǒng)還帶有舞臺升降的部分以及還帶有風(fēng)扇泡泡機(jī)和煙霧機(jī)。在需要時，按下相應(yīng)的開關(guān)即可。第 1 章為文章的緒論，主要介紹課題研究的背景以及國內(nèi)外的現(xiàn)狀。第 3 章是系統(tǒng)整體的硬件設(shè)計，對 PLC 的型 號選擇、 CPU 的型號的選擇、舞臺燈的選型進(jìn)行了一定的概述。第 4 章是軟件設(shè)計部分，主要包括對 step7軟件的介紹、程序流程圖和對部分模塊的程序的解釋說明還有系統(tǒng)的建模和 PID 控制設(shè)計部分。第一部分介紹了介紹了仿真軟件。第 6 章為本 文 的結(jié)論。主要包括舞臺燈光的空間布局和其工藝要求。最 后介紹了升降舞臺部分的設(shè)計思路以及控制方法。 本 文 中，舞臺燈光的空間布置要科學(xué)實用。各種燈光的亮滅可以根據(jù)需求靈活組合。 需求 本研究方案 一共控制 24 盞閃爍燈， 24 盞燈均勻分布在三個橢圓形光道上。中間光道的 8 盞燈依次為 L1L8，設(shè)定為常亮燈 ，作為舞臺的主要光源。投射方向多變，可根據(jù)需求刻畫人物和突出表演效果。 圖 需求 舞臺正上方的前后左右四個位置分別安裝一個旋轉(zhuǎn)彩燈。由于旋轉(zhuǎn)彩燈的所需功率較小，所以這里選擇 YS7134 型號的電機(jī)。四個電機(jī)由一臺變頻器拖動。 需求 部分燈安裝換色器，根據(jù)表演的需要給燈換以不同的，烘托表演氛圍，增加舞臺表演的多樣性。 整個升降舞臺由兩個單獨(dú)的平行升降臺構(gòu)成，如圖 所示。這里電機(jī)選擇Y180M2 型三相異步電機(jī)，該型號電機(jī)效率高、節(jié)能好、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動小、運(yùn)行安全可靠。 圖 俯視圖 系統(tǒng)供電配置 需求 燈光和音響是舞臺表演的兩大重要組成部分。所以為了安全和演出效果不受干擾，現(xiàn)對音響擴(kuò)聲系統(tǒng)的配電提出以下要求： ⑴音響擴(kuò)聲系統(tǒng)的配電與舞臺燈光的配電完全分開，并且要有穩(wěn)壓處理。 ⑶擴(kuò)聲系統(tǒng)供 電容量 AC220V/10KVA，有條件的話，最好二路供電，主、備自動切換。 控制方案的選擇 繼電器控制的特點(diǎn) 升降臺 2 升降臺 1 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 如今繼電器已經(jīng)應(yīng)用到國內(nèi)生產(chǎn)的方方面面，在一些小型系統(tǒng)的控制上，繼電器控制因為其控制方式單一，所以更加的容易實現(xiàn)。繼電器控制是通過硬件接線的方式來實現(xiàn)的。當(dāng)系統(tǒng)形成后，很難對系統(tǒng)的功能進(jìn)行調(diào)整。同時，由于系統(tǒng)的觸點(diǎn)和連線較多，所以給后期對系統(tǒng)的維護(hù)和維修都帶來了極大的不便。 PLC 控制具備以下優(yōu)點(diǎn) 功能強(qiáng)大，實用性高。 系統(tǒng)易于調(diào)試操作。 占用空間小，能耗低。 本控制系統(tǒng)輸出點(diǎn)較多，如果使用繼電器控制則浪費(fèi)成本并且在多個輸出同時工作的情況下，控制過程較為繁冗，還會產(chǎn)生大量的熱量造成安全隱患。所以我選擇 PLC 控制。所以有12?RSR ，)(? 2112 LLSR ?? 即為 ： SRPUSRSRPUT N2121221221f23)(f23?? ?? （ ） 將1p nn1??S 帶入式（ ）得 ）1p2121n nn1(f23 ?? RPUT ? （ ） 式中： 1n 、 pn ——同步轉(zhuǎn)速、實際轉(zhuǎn)速 r/min； 電機(jī)在調(diào)速過程中， 1U 與 1f 的比例關(guān)系基本恒定，得到 constf11 ?U ， 1r211f23 KRPU ??為變頻調(diào)速增益，則 ）1p11rn nn1( ?? UKT （ ） 其中 P11 f60n ?,則 ： ）1p11rn f60 pn1( ?? UKT （ ) 根據(jù)電動機(jī)銘牌上標(biāo)明的各個額定參數(shù)：功率 NP ，電壓 NU ，轉(zhuǎn)速 Nn ，可計算出 60n2 NNNNN PPT ???。 由電機(jī)機(jī)械運(yùn)動方程： 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 dtdndtdn375 2n GL JGDTT ?? （ ） 式中： LT ——工作機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩， ； 2GD ——電動機(jī)及負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量， kg. 2m ； JG ——轉(zhuǎn)動慣量， kg. 2m 將式（ ）帶入（ ）得： dtdnf60 pn1( 1p11r GL JTUK ?? ） （ ） 式 經(jīng)拉式變換 得： ）（）（）（ snf60s 1r1r NNG PUKSJUK ?? （ ） 得到電機(jī)傳遞函數(shù)近似為： ? ?NN PUKJ G SKSGf60susn1r1r??? ）（）（ （ ） 控制升降舞臺的電機(jī)的調(diào)速方式 變頻調(diào)速的控制方法 在本 文 中，升降舞臺通過電機(jī)來帶動，所 以要想控制舞臺的同步升降，只要控制了電機(jī)轉(zhuǎn)速的同步性就可以控制升降舞臺的同步性。變頻調(diào)速是常用的電機(jī)調(diào)速的方式。 在變頻調(diào)速領(lǐng)域，異步電機(jī)在調(diào)速時保持恒定的轉(zhuǎn)差功率，其效率高、動態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)使其占有不可替代的地位，更有著不可比擬的優(yōu)勢。 由公式 ()可知，要使電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，可通過以下三種參數(shù)的調(diào)整來實現(xiàn)：電源頻率、極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率。 變頻調(diào)速的方式 由電機(jī)學(xué)可知 ： m1111 ?NKNE ? （ ） 式中： 1E ——定子每相繞組感應(yīng) 電動勢； 1N ——定子繞組的每相串聯(lián)匝數(shù)； 1NK ——基波繞組的系數(shù)； m? ——每極氣隙的磁通量； 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 忽略定子阻抗壓降，得到： m11111 ?NKNEU ?? （ ） 由 ()看出，如果電壓 1U 保持不變，那 么隨著 1f 與氣隙的磁通量 m? 成反比關(guān)系，即 1f 增大則 m? 變小，若 1f 變小則 m? 增大。 在電機(jī)調(diào)速的時候，一般情況下應(yīng)盡量將每極磁通量 m? 控制在系統(tǒng)規(guī)定的數(shù)值上下。直流電動機(jī)有獨(dú)立的勵磁系統(tǒng)，所以要保持磁通恒定主要以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的方式來實現(xiàn)。 由公式 ()可知，想要保證氣隙磁通量 m? 恒定，就要使電源頻率 1f 從額定值 1fN 慢慢降低的過程中，調(diào)節(jié)感應(yīng)電動勢 1E 的大?。? constf11 ?E （ ） 但是，由于感應(yīng)電動勢的調(diào)節(jié)比較困難，所以當(dāng)電動勢處于較大的值時，定子壓降可以忽略，此時，故： 11 EU? 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 constf11 ?U （ ） 以上即為 恒壓頻比控制。一般的升降舞臺的升降速度大約為 1m/間進(jìn)行設(shè)置，來控制電機(jī)的加速時間，進(jìn)而控制舞臺的上升時的加速時間。這里加速時間設(shè)置為電機(jī)啟動后，速度在 內(nèi)達(dá)到 1000r/min然后保持勻速轉(zhuǎn)動，到達(dá)減速點(diǎn)，速度時在 內(nèi)轉(zhuǎn)速變?yōu)?0。這里的電機(jī)以及旋轉(zhuǎn)彩燈所用到的電機(jī)啟動方式均為變頻啟動，這樣可以節(jié)約能源，減少大電流對繞組的沖擊，延長電機(jī)的壽命。這里我選擇同步控制誤差小于 30mm 的標(biāo)準(zhǔn)，這樣在安全和視覺兩方面均可以有很好地保證。第一種稱為并行控制。顧名思義，并行控制就是將多臺電機(jī)采取并聯(lián)的方式，各個升降臺的調(diào)速系統(tǒng)都接受相同的信號來控制 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖 就是并行控制的示意圖。主電機(jī)的輸出值就是從電機(jī)的輸入值。而從電機(jī)的輸出不會影響主電機(jī)，這樣安全性和整體性都大大提高。所以選擇主從控制的方式更加能夠保證系統(tǒng)的整體性和同步性，從而提高安全性。傳統(tǒng) PID 控制算法簡單，可靠性較高，應(yīng)用設(shè)計簡便，應(yīng)用廣泛，對于確定數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)可以獲得最好的控制效果。在本次設(shè)計中采用 PID 控制來實現(xiàn)兩塊升降臺的同步升降。系統(tǒng)共有 8 個輸入，29 個輸出。輸出為各個舞臺燈的亮暗和帶動升降舞臺，旋轉(zhuǎn)彩燈和風(fēng)扇泡泡機(jī)的各個電機(jī)的變頻啟動和工頻運(yùn)行。分別對燈光控制系統(tǒng)部分以及升降舞臺部分的設(shè)計思路以及設(shè)計需求做了介紹。在升降舞臺部分，我選擇了主從控制的控制思路，運(yùn)用 PID來達(dá)到兩塊升降臺同步控制的效果。最后對系統(tǒng)整體的輸入輸出做了分析， 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 14 第 3 章 硬件設(shè)計 本章節(jié)討論了硬件的選型。本章節(jié)還給出了舞臺燈光的 I/O 表和電氣原理圖，并分別對其做出了一定的解釋。輸入單元由輸入按鈕，輸出按鈕組成。編寫的程序存放在存儲器中。此時控制旋轉(zhuǎn)彩燈的繼電器觸電閉合 ，控制燈 L1L7 的繼電器觸電也閉合，所以常亮燈的 8 盞燈變亮。同時，如果演出需要，則可以開啟煙霧機(jī)制造煙霧，也可以開啟風(fēng)扇泡泡機(jī)，共同配合燈光營造出特定的演出氛圍。萬一出現(xiàn)意外情況，則可以按下急停按鈕，所有的繼電器觸電全部斷開，避免造成不必要的損失。三菱的優(yōu)勢在于離散控制和運(yùn)動控制，三菱的指令豐富，有專用的定位指令 ，控制伺服和步進(jìn)容易實現(xiàn)，要實現(xiàn)某些復(fù)雜的動作控制也是三菱的強(qiáng)項，但是三菱 PLC 模擬量模塊價格較為昂貴，程序也較為復(fù)雜。適合小型系統(tǒng)的控制，但是其穩(wěn)定性欠佳。最重要的是西門子的模擬量模塊價格便宜，程序簡單。所以綜合考慮后，我選擇了西門子品牌的 PLC。 S7300 S7300 針對 適用于低性能且結(jié)構(gòu)模塊化的中小型控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)高度模塊化，很容易就可以實現(xiàn)配置分布化，不論從電磁兼容性還是抗震沖擊性能上其性價比都非常高，這也是它被廣泛應(yīng)用于眾多的工業(yè)控制領(lǐng)域的原因。這使得它變的很強(qiáng)大。還有一個特出的優(yōu)點(diǎn)是其只需要增加少許的模塊即可在控制系統(tǒng)的范圍變大的時候使系統(tǒng)滿足其需求。 對三種不同的 PLC 進(jìn)行比較， S7300PLC 和 S7400PLC 的 CPU 模塊、通信模塊等等都適用于本系統(tǒng)。因此其設(shè)備太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 16 控制的需求不高，性價比反而較低。最終選取 S7200PLC 作為核心控制處理器。在本次設(shè)計中，一個輸出點(diǎn)控制一盞燈， CPU226 只有 16 個輸出 ，所以需要增加擴(kuò)展模塊。而且還可連接可編程控制終端。其中為舞臺提供基本照明功能的是作為舞臺主燈光的中間光道的 8 盞燈 L1L8。所以 L1L8 我選取 4 臺 2KW 的聚光燈和 4 臺 2KW 的回光燈。 在三條光道最里側(cè)的光道上的 8 盞燈，主要負(fù)責(zé)對 演員上方的區(qū)域和其他的一些舞臺場景進(jìn)行照亮，所以我選擇 4 臺 2KW 的聚光燈和 4 臺 2KW 的柔光燈，并且交錯放置。 在環(huán)形光道最外側(cè)的 8 盞燈因為位置靠近外圍，所以為側(cè)光燈。這里我選用 2KW 散光燈 4 臺和 2KW 回光燈 4 臺。旋轉(zhuǎn)彩