三相异步电动机的闭环恒速控制系统毕业设计论文.docx
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三相异步电动机的闭环恒速控制系统毕业设计论文
毕业设计论文
三相异步电动机的闭环恒速控制系统
专业名称：
电气自动化技术
论文提交日期：
2010年12月09日
论文答辩日期：
2010年11月17日
【摘要】系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。
本文介绍了闭环控制系统的组成、PLC系统控制程序、系统的调试等。
基于反馈原理建立的自动控制系统。
所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。
在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。
因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。
反馈控制是自动控制的主要形式。
自动控制系统多数是反馈控制系统。
在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。
【关键词】闭环控制系统、反馈、PLC
[abstract]thesystemoutputreturnstotheinputandtheinfluenceofthecontrolprocesscontrolsystemcalledclosed-loopcontrolsystem.Thispaperintroducestheclosed-loopcontrolsystemcomposition,PLCsystemcontrolprocedures,thesystemofcommissioningetc.
Basedonfeedbackprincipleestablishedautomaticcontrolsystem.So-calledfeedbackprinciple,isaccordingtothesystemoutputvariationofinformationtocontrol,namelythroughsystemicbehavior（output）andexpectedbehavior,andeliminatethedeviationbetweenthedeviationtoachievetheexpectedsystemperformance.Inthefeedbackcontrolsystem,theexistingbyinputtotheoutputsignalpriortoaccess,alsocontainsfromtheoutputterminalappliedinputsignalfeedbackpath,bothformaclosedloop.Therefore,feedbackcontrolsystemalsocalledclosed-loopcontrolsystem.Feedbackcontrolisautomaticallycontrolledmainforms.Automaticcontrolsystemaremostlyfeedbackcontrolsystem.Inengineeringoftenputinoperationofmakeoutputandexpectationstomaintainconsistentfeedbackcontrolsystemknownasautomaticadjustingsystem,andhadusedtoaccuratelyfolloworreiterationsomeprocessfeedbackcontrolsystemknownasservosystemorservosystem.
[keywords]closed-loopcontrolsystem,feedback,PLC
绪论
当今世界，可编程控制器（简称PLC）技术已经成为我国工业控制的三大支柱产业。
特别是近几年大规模集成电路的迅猛发展，使得PLC技术应用的领域越来越广泛。
由于PLC具有可靠性高、抗干扰能力强等特点，因此在我国工业控制中大量使用。
随着PLC技术的发展，它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。
PLC具有可靠性高、灵活性好、开关量控制能力及通信联网能力强等特点，使其在开关量控制上发挥了巨大的威力。
同时，PLC在模拟量控制上也富有特色，具有配置灵活、通用性好、价格便宜等特点，特别在开关量、模拟量混合控制的系统上更显出独特的优越性。
第一章光电编码器
1.1概述
光电编码器是一种通过光电转换的将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
一般的光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成，光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
在伺服系统中，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速转动，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原因如图1-1所示。
图1-1光电编码器原理及输出
通过计算每秒光电编码器输出脉冲个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可以提供相位相差90°的2个通道的光码输出，如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。
1.2编码器的分类：
根据检测原理，编码器可分为：
光学式,磁式，感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式可分为：
增量式，绝对式以及混合式3种。
第二章可编程序控制器（PLC）
2.1S7-200PLC简介
S7-200PLC是西门子（SIEMENS）公司生产的系类小型PLC。
S7-200CPU模块将微处理器、集成电源和数字量输入/输出（I/O）点集成在一个紧凑的封装中，形成一个功能强大的小型PLC。
S7-200扩张模块主要有数字量I/O、模拟量I/O模块和通信模块等，可利用这些扩展模块完善CPU的功能。
S7-200有两种方法连接S7-200和编程设备：
一种是直接使用PC/PPI电缆；另一种是用通信卡（CP）和MPI电缆。
2.2PLC的基本组成及工作原理
PLC是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。
FX系列PLC是由基本单元、扩展单元及特殊功能单元构成。
基本单元包括CPU、存储器、I/O接口部件和电源，是PLC的主要部分。
扩展单元是扩展I/O点数的装置，内部有电源；扩展模块用于增加I/O点数和改变I/O口点数比例，内部电源，由基本单元和扩展单元供给。
扩展单元和扩展模块内无CPU，必须与基本单元一起使用。
特殊功能单元是一些特殊用途的装置，如进行模拟量控制的A/D、D/A转换模块，高速计数器模块（HC），过程控制模块（PID）等特殊功能单元。
PLC的工作原理与计算机相比有较大的不同，PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到END指令结束。
然后再从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。
PLC对输入、输出信号的处理与微型计算机不同：
微型计算机对输入、输出信号实时处理，而PLC对输入、输出信号是集中批处理。
2.3PLC的特点
PLC是综合继电器接触控制的有点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。
（4）系统设计、建造工作量小，维护方便。
（5）体积小，重量轻，能耗低。
第三章变频器
3.1变频器概述
变频器是以电力电子技术、微电子技术和现代控制理论在交流调速系统中的应用为基础上发展起来的智能型的调速设备。
变频器不仅调速平滑、范围大、效率高、启动电流小、运行平稳，而且节能效果明显。
变频器作为一种新型的调速节能设备，是目前最简单、方便的一种调速节能方式。
3.2变频器调速原理
三相交流异步电动机的转速和频率的关系表达式为：
n=60f（1-s）/p
式中n---异步电动机的转速;
f---异步电动机的频率;
s---电动机转差率;
p---电动机极对数.
由上式可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。
变频器是通过对电力半导体器件（如绝缘栅双极型晶体管IGBT等）的通断控制将电压和频率固定不变的交流电（工频）电源变为电压或频率可变的交流电的电能控制装置。
实际应用时，不仅要实现调速，还要求调速系统能满足机械特性和调速指标。
3.3变频器的分类
（1）从结构上看，变频器可分为间接变频器和直接变频器两类。
（2）按照直流电路的滤波方式不同，变频器分成电压型变频器和电流型变频器两大类。
（3）在变频调速过程中，为保证电动机主磁通恒定，需要同时调节逆变器的输出电压和频率。
对输出电压的调节主要有两种方式：
一种是脉冲幅值调制方式，简称PAM方式；另一种为脉冲宽度调制方式，简称PWM方式。
（4）按照控制方式不同变频器可分为V/f控制、转差频率控制和矢量控制三种类型。
第四章触摸屏
4.1触摸屏的工作原理
各种触摸屏技术都是依靠传感器来工作的，甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。
各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。
触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。
触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，由于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接受触摸信息，并将它转换成触电坐标，再送给CPU，它能接收CPU发来的命令并执行。
4.2电机控制系统框图
用触摸屏控制电机的运行，主要针对控制电路进行改造，而主电路部分保留不变。
可以在触摸屏上设置一个开关，代替控制电路中的开关再结合PLC控制接触器KM线圈。
系统框图如图4-1所示。
图4-1电机控制系统框图
第五章控制方案及梯形图
根据任务要求，由光电编码器、触摸屏、PLC、变频器与电机实行的闭环控制系统框图如图5-1所示。
光电编码器检测电机的运行脉冲，由PLC转换成实际转速，与触摸屏上设置的转速一起经PID运算后，由PLC输出0~10V模拟信号控制变频器的运行，从而控制电机的正反转恒速运行。
图5-1PLC与变频器联机控制系统框图
设计三个触摸屏窗口相互切换，图5-2为转速控制窗口。
由触摸屏上的开关控制PLC，由PLC的输出端子控制变频器的运行命令信号；由触摸屏上的手动自动开关、手动输出、设定转速等控制PLC输出0~10V模拟信号，作为变频器的运行速率信号；由变频器的数字输出端输出变频故障信号，经PLC处理，在触摸屏上显示故障。
图5-3为PID参数窗口，图5-4为速度曲线窗口。
图5-2转速控制窗口
图5-3PID参数窗口
图5-4速度曲线窗口
5.1变量与PLC的地址分配
5.1.1PLC的I/O分配
根据任务分析，PLC需要2个输入点，3个输出点，输入输出点分配见表5-5。
表5-5输入输出点分配表
输入
输出
输入继电器
输入元件
名称
输出继电器
输出元件
名称
I0.0
CHA
脉冲输入
Q0.0
INV5
正转
I0.4
INV19
变频运行
Q0.1
INV6
反转
Q0.4
INV7
复位
5.1.2组态软件变量与PLC的地址分配
根据任务分析，触摸屏的组态的软件变量与PLC的地址分配见表5-6
表5-6组态软件变量与PLC的地址分配表
输入
输出
名称
PLC地址
组态软件变量
名称
PLC地址
组态软件变量
启动
M0.0
启动
运行状态
M2.0
运行状态：
0停止
1运行
停止
M0.1
停止
变频故障灯
M2.4
运行故障：
0无
1有
正反转
M0.2
正反转：
0正转
1反转
电机状态
VW0
电机状态：
0停止
1正转2反转
手自动
M0.3
手动自动：
0手动
1自动
手动输出
VD750
手动输出%
复位按钮
M0.4
复位
实际输出
VD850
实际输出%
参数修改
M1.0
PID参数：
0显示
1修改
模拟输出
AQW0
0~32000
设定值
VD600
设定转速
曲线实际
VW950
曲线实际值：
字
实际值
VD500
运行转速
曲线设定
VW952
曲线设定值：
字
增益
VD912
P参数
采样时间
VD916
Ts参数
积分时间
VD920
Ti参数
微分时间
VD924
Td参数
5.2绘制变频器接线图并接线
（1）绘制电机恒速控制电路图，如图5-7所示。
图中，V\M两个端子是S7-224XP的模拟量输出端，输出0~10V模拟信号，座变频器3、4两端的模拟量输入信号，控制变频器运行速率。
（2）按图5-7所示的电路图进行接线，注意PLC的输入输出端口、变频器数字输入端口电源线的链接。
（3）检查线路真确性，确保无误。
图5-7电机恒速控制电路图
5.3PLC编程
5.3.1程序流程图，PLC程序图
按照控制要求及时对M440变频器数字输入输出端口、S7-200PLC数字输入输出端口、组态软件所作的变量约定，PLC程序设定应实现下列控制
（1）按下启动M0.0，电动机按“正反转”开关选择方向运行，按下停止M0.1就停止。
（2）在手动状态，变频器的运行频率由“手动输出”控制。
在自动状态，变频器的运行频率由“设定转速”及光电编码器反馈脉冲的PID运算控制。
为了在手动自动切换时不产生波动，要编制手自动无扰程序，从手动切换到自动时，将实际转速传输给设定转速；从自动切换到手动时，将实际输出传输给手动输出。
（3）变频器故障时，报警灯亮、电动机停止运行。
图5-8为电机恒速控制程序流程图。
5.3.2创建PLC工程项目
双击STEP7-Micro/WIN图标，创建一个新工程项目并命名电机恒速控制。
5.3.3编制符号表
单击符号表图标，打开符号表编辑器，编辑符号表如表5-9所示。
表5-9电机控制符号表
符号
地址
注释
I0.0
脉冲输入
变频故障
I0.4
变频故障：
变频器21
正转
Q0.0
正转：
变频器5
反转
Q0.1
反转：
变频器6
变频复位
Q0.4
复位：
变频器16
启动
M0.0
启动：
触摸屏
停止
M0.1
停止：
触摸屏
正反转
M0.2
正反转：
0正转1反转
手自动
M0.3
手动自动：
0手动1自动
复位按钮
M0.4
复位
运行状态
M2.0
运行状态：
0停止1运行
变频故障灯
M2.4
运行故障：
0无1有
参数修改
M1.0
PID参数：
0显示1修改
电机状态
VW0
电机状态：
0停止1正转2反转
脉冲数
VD100
200ms脉冲数
实际值
VD500
实际转速值：
实数
实际值字
VW500
实际转速值：
字
设定值
VD600
设定转速值
手动输出
VD700
手动输出0~1
手动出百
VD750
手动输出0~100
PID输出
VW800
PID输出0~32000
实际出百
VD850
实际输出0~100
模拟输出
AQW0
0~32000
PID参数
VD912
4个PID参数
实际曲线
VW950
曲线实数值：
字
曲线设定
VW952
曲线设定值
5.3.4设计梯形图程序
图5-10电机恒速控制梯形图主程序
图5-11电机恒速控制梯形图子程序1（初始化HSC0）
图5-11电机恒速控制梯形图子程序2（PID参数修改）
图5-12电机恒速控制梯形图子程序3（输出显示）
图5-13电机恒速控制梯形图中断程序（中断200ms）
第六章PLC、触摸屏和变频器联机调试
6.1运行PLC程序
6.2组态工程下载
单击“标准工具栏”中的“下载”按钮或者选择菜单“工具”→“下载”，完成后按下“确定”。
单击EasyManager的“JumpToApplication”,切换到应用程序模式运行触摸屏程序。
6.3变频器准备运行
设置参数P0010=0，变频器处于准备运行状态。
6.4总体调试
（1）检查并调整参数
检查并调整“PID参数”使“Kc”、“Ts”、“Ti”、“Td”分别为1.0,0.2,0.10,0.00。
调整“手动输出”至10%。
（2）手动输出
在手动状态，“正反转”开关选择反转，触摸屏起动按钮M0.0，电动机反转运行，实际转速显示150rpm,按下停止按钮M0.1，电动机停止。
“正反转”开关选择正转，触摸起动按钮M0.0，电动机正转运行，调整“手动输出”至20%、30%，实际转速显示300rpm、450rpm。
注意观察各运行状态显示是否正常。
（3）手动到自动切换
触摸“手自动”开关到自动状态，观察手动到自动的无扰动切换情况，设定转速应等于实际转速450rpm。
（4）自动跟踪
调整“设定转速”至500rpm、600rpm，观察实际转速的跟踪情况，由此确定PID参数是否适当。
（5）PID自动调谐
调整“设定转速”至700rpm，打开PID调谐控制版面，监视实际转速，等待实际转速稳定至700rpm左右时，按“开始自动调谐”按钮，会自动调谐序列。
当自动调谐序列完成时，会计算出增益、积分时间、微分时间的建议值，按“更新PLC”按钮，将调谐参数传至PLC，关闭PID调谐控制面板。
（6）再次自动跟踪
查看PID参数值是否变化，调整“设定转速”至500rpm、300rpm，观察实际转速的跟踪情况，与自动调谐作比较。
（7）自动到手动切换
触摸“手自动”开关到手动状态，观察自动到手动的无扰动切换情况，手动输出应等于实际输出。
按下停止按钮M0.1,电动机停止。
（8）重复操作
重复
（2）（3）（4）（7）步骤，自动调整“手动输出”、“设定转速”值进行操作。
（9）调试结束，关闭全部电源。
结论
反馈原理就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。
在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。
因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。
由光电编码器、触摸屏、PLC、变频器和电机可实行闭环控制系统的运行。
致谢
本论文能得以顺利的完成，要十分感谢我的指导老师徐老师。
从论文课题的选择到论文标题的确定，徐老师都给了我很多的指导。
在系统的连接和软件的编写过程中徐老师和同组同学给了我许多帮助，在此对此表示感谢，在论文的修改过程中他们也给我的论文提出了许多宝贵的意见。
这里我要再一次由衷的感谢，感谢那些给予我帮助的人。
参考文献
[1]恽新星，李海波，付琛《PLC技术综合应用》，无锡商业职业技术学院电子工程系，2010年，1-21264-6595-123.
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
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评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问
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