畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)時演示控制平臺設(shè)計(jì)

1、 運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)時演示控制平臺設(shè)計(jì)運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)時演示控制平臺設(shè)計(jì)摘要卷繞控制是一種典型的多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，它廣泛應(yīng)用于紡織1、造紙、印刷和電子加工等行業(yè)中。本設(shè)計(jì)基于schneider運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)室平臺，通過一些編程軟件實(shí)現(xiàn)plc與伺服電機(jī)，變頻器的通信，并利用組態(tài)軟件實(shí)時控制和演示電機(jī)在工業(yè)控制中的卷繞過程。本設(shè)計(jì)分析了張力在卷繞控制機(jī)構(gòu)中的形成過程，并建立了勻速卷繞過程中的卷繞半徑變化，及卷筒半徑變化而引起張力變化及張力輥位移變化的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，利用pi控制器控制卷繞機(jī)的轉(zhuǎn)速，用戶可以通過觸摸屏直接在線控制自動卷繞系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)。最后還記錄了一定時間內(nèi)張力

2、輥位移的變化情況，通過調(diào)整時間及其超調(diào)量的大小來表明系統(tǒng)取得了良好的控制質(zhì)量。關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件，卷繞控制，張力，卷徑，pi控制designing the control platform about real-time motion control systemabstractroll control is a typical synchronized multi-motor control system. it is widely used in textile, paper, printing and electronic processing industry. to achieve t

3、he corresponding between plc and servo motor, pc and frequency converter through software ,which is based on schneider laboratory platform. using real-time control and configuration software shows motor winding in the process of industrial processes. the formation of the tension has been analyzed in

4、 the design. it also builds the models of radius variation, tension variation and the tension roller displacement. we use the pi controller to control the speed. this is the closed-loop feedback control system. user can control the speed of the winding through touch screen directly. at last it does

5、some records of displacement of the tension roller, then we can observe adjustment time and its overshoot to judge how effective it controls. key word: configuration software, wingding control, tension, radius, pi control24目錄摘要iabstractii1緒論31.1 上位機(jī)介紹31.2 設(shè)計(jì)背景32相關(guān)軟件和硬件的介紹42.1 vijeo-designer42.2unity

6、 pro編程軟件42.3powersuite42.4伺服控制器42.5變頻器52.6可編程控制器52.5.1 modicon m340 plc52.5.2 plc與pc連接方式52.7觸摸屏介紹52.8伺服電機(jī)介紹53電機(jī)卷繞系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯誤！未定義書簽。4系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)規(guī)劃及環(huán)境界面開發(fā)74.1組態(tài)軟件操作模塊74.2 電機(jī)控制模塊94.3 上位機(jī)與plc及觸摸屏數(shù)據(jù)通信模塊105卷繞過程中的控制問題135.1 卷繞模型及其求解135.2 張力輥張力仿真模型145.3 通過pi控制器控制轉(zhuǎn)速155.4 控制系統(tǒng)各參數(shù)的確定165.5 數(shù)據(jù)記錄及控制效果的觀察186總結(jié)22參考文獻(xiàn)23致謝24附錄25

7、譯文及原文321 緒論1.1 上位機(jī)介紹上位機(jī)在工業(yè)控制當(dāng)中又被稱為hmi,就是一臺計(jì)算機(jī)，只不過它的作用是監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)問題在上位機(jī)上就能顯示出各設(shè)備之間的狀態(tài)（如正常、報警、故障等），hmi對應(yīng)全稱為human and machine interface?！敖M態(tài)”的概念是伴隨著集散型控制系統(tǒng)（distributed control system簡稱dcs）的出現(xiàn)才開始被廣大的生產(chǎn)過程自動化技術(shù)人員所熟知的。1.2 設(shè)計(jì)背景機(jī)電一體化已經(jīng)成為當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨向，是我國機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必由之路。而機(jī)電拖動控制是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分，它接受來自

8、控制系統(tǒng)的指令信號，控制電機(jī)去驅(qū)動執(zhí)行元件，是機(jī)械運(yùn)動部件按照指令要求進(jìn)行運(yùn)動。近年來，隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，需要對多個電機(jī)進(jìn)行同步協(xié)調(diào)控制，使其按照設(shè)定的規(guī)律運(yùn)行2。如何實(shí)現(xiàn)多個電機(jī)的協(xié)調(diào)工作，成了機(jī)電拖動控制的關(guān)鍵。工業(yè)中，卷繞控制3就是一種典型的多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，它廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、印刷和電子加工等行業(yè)中。要實(shí)現(xiàn)上述的控制，上位機(jī)起到了重要的作用。pc技術(shù)快速的發(fā)展，擁有豐富的軟件和硬件資源，軟件間的相互操作性不斷加強(qiáng)，其中組態(tài)軟件占據(jù)著非常特殊而且重要的地位。本設(shè)計(jì)就是運(yùn)用組態(tài)軟件，通過pc控制電機(jī)的卷繞。該系統(tǒng)采用pc 機(jī)控制，建立基于windows 平臺的用戶界面

9、，運(yùn)用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。另外根據(jù)卷繞實(shí)際過程中卷繞引起的卷繞半徑的增大，從而影響線速度，本設(shè)計(jì)模擬一個張力傳感器，根據(jù)輸入和輸出的速度差，得出張力的大小從而反饋給主卷繞電機(jī)，來實(shí)時控制卷繞的半徑，使輸入輸出速度相同，并且維持張力輥在平衡位置。2 相關(guān)軟件和硬件的介紹2.1 vijeo-designervijeo-designerver.4.6.0是由schneiderelectricindustriessas開發(fā)的人機(jī)界面（hmi）工程開發(fā)軟件。它采用類似microsoftstudio的設(shè)計(jì)環(huán)境，擁有高級用戶界面，帶有許多可配置窗口，能夠迅速地開發(fā)項(xiàng)目。最豐富的圖形庫：比其它觸摸屏軟件都豐

10、富（僅imagelibrary就包含4000多個），客戶也可自定義；方便強(qiáng)大的動畫制作，只需要設(shè)置參數(shù)，即可獲得流暢的動畫效果；組件方式，只要簡單配置，就可以直接完成報警、趨勢、配方、事件記錄。2.2 unity pro編程軟件unity pro中集成了操作員界面工具。操作員界面為調(diào)試、啟動和維護(hù)過程中的自動化過程操作提供了方便。操作員界面給出了一系列信息 (解釋性文本，動態(tài)值顯示，按鈕，以及摘要)，這些信息使用戶能夠快速方便地對plc變量進(jìn)行修改和動態(tài)監(jiān)視。操作員界面編輯器提供了所有動畫設(shè)計(jì)以及過程瀏覽所需的hmi (人機(jī)界面)元件。它使得用戶可以通過專用的工具設(shè)計(jì)以下頁面：1. 頁面（創(chuàng)建

11、操作員畫面，可以根據(jù)族進(jìn)行分類。）2. 消息（創(chuàng)建要顯示的消息。）3. 對象（幾何元素，控制元素，動化元素）。2.3 powersuite powersuite是一款用來監(jiān)控和描繪控制部件對電機(jī)控制效果的工具軟件，它允許用戶來定義設(shè)備的基本變量，以及設(shè)置相關(guān)的數(shù)據(jù)和通信參數(shù)。他提供設(shè)備運(yùn)行的方法，使得用戶可以編輯或者改變配置和鏈接設(shè)備。最后powersuite導(dǎo)航功能可以和各種設(shè)備相通信，從而控制，調(diào)整和監(jiān)控設(shè)備。 2.4 伺服控制器lxm 05a是一種通用型交流伺服驅(qū)動裝置。通常由一個上級plc控制系統(tǒng)來設(shè)定、監(jiān)控給定值。使用選定的schneider electric伺服電機(jī)，傳動系統(tǒng)會得到

12、非常完善而有效的運(yùn)行。正面安裝有顯示器和操作按鍵的輸入裝置（hmi），可用來進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在總線控制驅(qū)動中，可以通過hmi或者配置軟件unitypro來進(jìn)行通訊配置。2.5 變頻器由于具有不同的電機(jī)控制類型以及大量的內(nèi)置功能，altivar 71 系列變頻器能夠滿足最嚴(yán)格的要求，適宜作為要求最高的變頻器，它的特點(diǎn)有：極低速度時的轉(zhuǎn)矩與速度的精確性，磁通矢量控制的高動態(tài)性能；擴(kuò)大的頻率范圍，適合高速電機(jī)驅(qū)動；提供電壓/頻率比控制方式，適用于驅(qū)動專用電機(jī)和變頻器進(jìn)行并聯(lián)連接；開環(huán)模式下同步電機(jī)控制方式，能提高靜態(tài)速度精度并省電；ena 功能使不平衡機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)。2.6 可編程控制器2.5.1 mo

13、dicon m340 plcm340處理器擁有卓越的運(yùn)算能力和多任務(wù)操作系統(tǒng)，支持64個高優(yōu)先任務(wù)，對選定i/o時間進(jìn)行快速反射動作，保證一些動作能夠在幾個ms內(nèi)被執(zhí)行。m340處理器型號有bmx p34 1000，bmx p34 2010, bmx p34 2020, bmx p34 2030,不同型號處理器對應(yīng)不同的接口。2.5.2 plc與pc連接方式usb連接時處理器與pc的默認(rèn)連接，用usb線作為程序下載通道可以有效的提高下載速度，而且傳輸十分方便。使用以太網(wǎng)方式與pc機(jī)連接，可以有很多優(yōu)點(diǎn)，傳輸距離不受限制，便于管理，而且相對usb線可以節(jié)約成本。使用以太網(wǎng)的方式連接時，需要首先使

14、用usb線將ip地址下載到plc。2.7 觸摸屏介紹實(shí)驗(yàn)室中使用的觸摸屏為xbt gt 系列的人機(jī)界面產(chǎn)品，型號為xbt gt2330，工作電壓24v dc。下面列出該產(chǎn)品的各項(xiàng)特性：1） 屏幕尺寸：5.7英寸，2） 屏幕分辨率：qvga3） 屏幕顏色：彩色4） 屏幕技術(shù)：tft薄膜晶體管型，也稱為主動矩陣型。2.8 伺服電機(jī)介紹高動態(tài)同步交流伺服電機(jī)4為永磁同步電機(jī)，專為高動態(tài)定位任務(wù)設(shè)計(jì)。與其他交流伺服電機(jī)比較，不僅具有低慣量的特性，還可以耐受高負(fù)載：不但可以保證良好的加速特性，而且可以減少電機(jī)的能量損失和散熱。轉(zhuǎn)矩由定子線圈在正弦三相電流系統(tǒng)結(jié)合電機(jī)磁體產(chǎn)生的磁場中產(chǎn)生。旋轉(zhuǎn)電流系統(tǒng)的產(chǎn)

15、生取決于數(shù)字伺服電機(jī)或定位控制器的轉(zhuǎn)子位置?；诖四康?，通過正余弦編碼器監(jiān)視轉(zhuǎn)子位置。bsh電機(jī)具有以下特性：l 高可靠性l 過載保護(hù)（通過點(diǎn)擊溫度監(jiān)視）l 高工作特性，低慣量，大轉(zhuǎn)矩范圍l 高動態(tài)性，高過載能力l 正弦emfl 高壓技術(shù)=地電流l 簡單快速調(diào)試（通過自動電機(jī)識別）3 系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)規(guī)劃及環(huán)境界面開發(fā)系統(tǒng)采用上位機(jī)實(shí)時演示電機(jī)傳送和卷繞過程，通過下載目標(biāo)可以在觸摸屏上控制整個過程。按此原理搭建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。pc機(jī)，組態(tài)軟件ethernet，canoponplc控制器傳送伺服電機(jī)卷繞伺服電機(jī)傳送帶卷繞機(jī)張力傳感器圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架觸摸屏以太網(wǎng)上位機(jī)系統(tǒng)采用人機(jī)交互方式5，

16、圖形菜單，操作簡單，功能強(qiáng)大，方便用戶操作。上位機(jī)界面包括：組態(tài)軟件操作模塊，電機(jī)控制模塊，上位機(jī)與電機(jī)和觸摸屏數(shù)據(jù)通信模塊。上位機(jī)系統(tǒng)主要包含以下幾個模塊設(shè)計(jì)：3.1組態(tài)軟件操作模塊組態(tài)軟件操作模塊利用組態(tài)軟件vijeo-desiger來實(shí)現(xiàn)。操作界面如圖3所示。圖形操作窗口卷繞參數(shù)輸入窗口伺服電機(jī)lexim05a初始化窗口動態(tài)演示卷繞進(jìn)程動畫窗口圖2 操作界面變頻器atv71初始化窗口動態(tài)演示卷繞進(jìn)程動畫窗口第一個窗口為卷繞初始化參數(shù)輸入窗口，輸入的參數(shù)包括_送卷繞輥的半徑r1，主卷繞輥的半徑r2，卷繞材料的厚度d，送卷繞輥的速度v。第二，三個窗口分別用來初始化伺服電機(jī)lxm05a和變頻器

17、atv71,讓電機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。第四個窗口是用來動態(tài)演示6電機(jī)卷繞進(jìn)程的動畫窗口。整個程序創(chuàng)建的主要外部變量如圖4所示。圖3 程序創(chuàng)建的主要外部變量其中atv71_cmd_value為變頻器命令字，atv71_status_word為狀態(tài)字，atv71_lfrd為設(shè)定的轉(zhuǎn)速，atv71_rfrd為實(shí)際的轉(zhuǎn)速。電機(jī)運(yùn)行時狀態(tài)字應(yīng)為16#0637.controlword為伺服電機(jī)的控制字，statusword為狀態(tài)字，target_velocity為設(shè)定轉(zhuǎn)速，velocity_actual_value為實(shí)際轉(zhuǎn)速，mode為運(yùn)行模式，ready_single為準(zhǔn)備好標(biāo)致。在窗口中加入了實(shí)際運(yùn)行的動作

18、及一些腳本程序，包括初始化各參數(shù)及修改r1,v,d,r2時返回1, 2,r的值的腳本；更新r，v1的腳本；把1, 2的值分別傳給送卷輥電機(jī)和主卷輥電機(jī)的腳本；擾動的腳本；計(jì)算張力f1，張力輥的位移，并不斷調(diào)整主卷輥電機(jī)的轉(zhuǎn)速2的腳本。編程中還分別對r1,r2,d,v這只了報警，當(dāng)超過一定范圍，將會報警提醒。軟件設(shè)計(jì)中包含的主要腳本編程見附錄中主要腳本編程。3.2 電機(jī)控制模塊通過編程軟件unityproxl實(shí)現(xiàn)1、plc通過變頻器簡單控制電機(jī)運(yùn)行2、plc控制伺服電機(jī)運(yùn)行。具體步驟如下：3.2.1 完成plc通過變頻器簡單控制電機(jī)運(yùn)行:1 打開unitypro軟件，創(chuàng)建一個項(xiàng)目。（注意：當(dāng)變頻

19、器控制的電機(jī)運(yùn)行時狀態(tài)字應(yīng)為16#0637，當(dāng)伺服電機(jī)正常初始化后準(zhǔn)備標(biāo)志應(yīng)為25000）2 雙擊項(xiàng)目項(xiàng)目瀏覽器中的plc總線，雙擊窗口中canopen總線接口。3 彈出canopen配置窗口，設(shè)置傳送速度為：500千波特。4 雙擊項(xiàng)目瀏覽器中的capnopen，雙擊配置窗口中空白節(jié)點(diǎn)，在彈出“新設(shè)備”選擇窗口中選擇：運(yùn)動和驅(qū)動器下atv71_v1_1,拓?fù)涞刂窞椋?；點(diǎn)擊確定。5 至此完成軟件配置。重新生成所有項(xiàng)目，根據(jù)提示修改輸入輸出字配置消除4出警告。連接plc下載項(xiàng)目文件至plc。6 下面需要完成硬件配置。變頻器上電，操作變頻器控制面板，選擇菜單“1.6命令”，設(shè)置：給定1通道：can

20、open；組合模式：i/o模式；命令通道1設(shè)置：canopen。7 選擇“1.9通訊”，選擇“canopen”，設(shè)置：canopen地址：1；canopen比特率：500kbit/s。8 選擇“1.3設(shè)置”，設(shè)置最高頻率為：30hz。硬件設(shè)置完畢，斷電重啟。9 回到unitypro軟件，選擇canopen選項(xiàng)卡，雙擊atv71變頻器，彈出配置窗口，選中atv71，右側(cè)選擇i/o對象，在i/o對象窗口中點(diǎn)全選，然后點(diǎn)擊更新網(wǎng)格，取名為”atv71”,點(diǎn)擊創(chuàng)建，生成ioddt變量數(shù)據(jù)類型。10 雙擊基本變量，選中右上方ioddt，便能看到剛創(chuàng)建的變量atv71。11 新建動態(tài)數(shù)據(jù)表，雙擊空白處，瀏

21、覽選擇變量atv71。如果沒有，請確認(rèn)ioddt。說明:eta_status_word狀態(tài)字；cmd_value-控制字；lfrd-速度給定值；rfrd-速度反饋值。3.2.2 完成伺服電機(jī)的硬件設(shè)置:1 打開unitypro軟件，打開同一個項(xiàng)目。2 雙擊項(xiàng)目瀏覽器中：canopen，雙擊配置窗口中空白節(jié)點(diǎn)，在彈出“新設(shè)備”選擇窗口中選擇：運(yùn)動和驅(qū)動器下lxm05a_v1_12，拓?fù)涞刂窞椋?；點(diǎn)擊確定。至此軟件配置已經(jīng)完成。下面需要對硬件進(jìn)行配置。3 將伺服控制器恢復(fù)出廠設(shè)置，如圖5所示：圖4 伺服控制器恢復(fù)出廠設(shè)置步驟4 設(shè)置伺服控制器為canopen的控制方式，并修改其基站號為2及數(shù)據(jù)傳

22、輸?shù)牟ㄌ芈蕿?00kbit/s。至此，硬件設(shè)置完畢，斷電重啟。5 運(yùn)行模式：.雙擊驅(qū)動器lxmu05a，選中pdo選項(xiàng)卡，選擇pdo3組，點(diǎn)擊確定。.新建變量：點(diǎn)擊項(xiàng)目瀏覽器中的“基本標(biāo)量”，在數(shù)據(jù)編輯器中添加新的變量，包括enable，stop，reset，controlword，target_velocity等，其中controlword、target_velocity、statusword、velocity_actual_value這四個變量的地址是由pdo自動分配的，其他變量是由用戶自己定義的。.編寫程序，該程序包括伺服電機(jī)的初始化程序，電機(jī)使能、停止及復(fù)位的程序，并使其工作模式為速度

23、特征曲線模式。見附錄梯形圖。.將數(shù)據(jù)編輯器中建立的變量導(dǎo)入到動態(tài)數(shù)據(jù)表中，重新生成所有項(xiàng)目，連接“plc”，下載項(xiàng)目文件至plc。.新建動態(tài)數(shù)據(jù)表，導(dǎo)入所有基本變量。3.3 上位機(jī)與plc及觸摸屏數(shù)據(jù)通信模塊 實(shí)現(xiàn)pc與plc以太網(wǎng)連接 打開unitypro軟件，打開之前創(chuàng)建的項(xiàng)目。 在項(xiàng)目瀏覽器中，右擊“工作站”“全部展開”，右擊“網(wǎng)絡(luò)”“新建網(wǎng)絡(luò)”。 可有網(wǎng)絡(luò)列表下拉選擇“以太網(wǎng)”，更改名稱為“e_1”。 點(diǎn)“確定”。雙擊項(xiàng)目瀏覽器中網(wǎng)絡(luò)下新建好的e_1網(wǎng)絡(luò)，彈出配置窗口。型號選擇“cpu2020、cpu2030”，彈出對話框“更改網(wǎng)絡(luò)”，點(diǎn)擊“確定”。配置好ip地址，如下所示：plc的i

24、p地址：192.168.0.106；子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0；網(wǎng)關(guān)：192.168.0.254。 點(diǎn)擊菜單“編輯”“確定”。 在項(xiàng)目瀏覽器中，雙擊ethernet。彈出以太網(wǎng)配置窗口。選中“通道3”，在“功能”下拉選擇“以太網(wǎng)tcp/ip”，“網(wǎng)絡(luò)鏈路”下拉選擇“e_1”。點(diǎn)擊確認(rèn)。點(diǎn)擊菜單“生成”“重新生成所有項(xiàng)目”。發(fā)現(xiàn)底下輸出窗口有四個警告，按照提示消除警告，然后點(diǎn)擊確認(rèn)，重新生成項(xiàng)目即可。 點(diǎn)擊菜單“plc”“連接”。點(diǎn)擊菜單“plc”將項(xiàng)目傳輸?shù)絧lc，彈出窗口，選中plc在傳輸后運(yùn)行，點(diǎn)擊傳輸。 點(diǎn)擊菜單“plc”“斷開”；然后點(diǎn)擊“plc”“設(shè)置地址”；在“地址”框內(nèi)

25、鍵入“192.168.0.106”，在“介質(zhì)”框內(nèi)選擇“tcp/ip”，點(diǎn)擊“測試連接”，如彈出提示“成功連接到當(dāng)前選擇的目標(biāo)，表示使用以太網(wǎng)防方式連接成功。這樣便可實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)下載程序，在線修改了。 實(shí)現(xiàn)pc與觸摸屏以太網(wǎng)連接 交替點(diǎn)擊觸摸屏左下角和右上角（間隔頻率大約1s），知道出現(xiàn)屏設(shè)置參數(shù)界面；點(diǎn)“脫線”，點(diǎn)“網(wǎng)絡(luò)”，提示“進(jìn)入脫線設(shè)置”，點(diǎn)“確定”，出現(xiàn)滾動條，直到彈出“靜態(tài)ip地址設(shè)定”界面，設(shè)置ip地址如下：ip地址為192.168.0.46；子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0；默認(rèn)網(wǎng)關(guān)為192.168.0.254。 確認(rèn)觸摸屏與軟件版本一致。點(diǎn)擊“開始”“所有程序”“schn

26、eider electric”“vijeo-designer”“工具”“runtime安裝程序”。 選擇目標(biāo)機(jī)器型號：xbtgt2000系列；安裝方法：以太網(wǎng)；ip地址等填入觸摸屏ip值。 點(diǎn)擊“發(fā)送”，彈出提示窗口，若顯示把目標(biāo)機(jī)器上的vijeo-designer runtime版本和runtime安裝程序中的版本相同，則點(diǎn)擊“否”，退出；否則點(diǎn)擊“是”，進(jìn)行版本同步傳輸。 打開unitypro軟件，打開之前創(chuàng)建的項(xiàng)目，該項(xiàng)目plc的ip地址已在前面設(shè)置好了。 雙擊打開vijeo-designer軟件，創(chuàng)建卷繞系統(tǒng)工程，名稱為“roll”，點(diǎn)擊“下一步”；目標(biāo)類型選擇xbtgt200系列，型

27、號選擇xbtgt2030（320240）,點(diǎn)擊“下一步”；指定ip地址填入觸摸屏ip地址，點(diǎn)擊“下一步”；點(diǎn)擊“添加”，制造商選擇：schneider electric industries sas,驅(qū)動程序選擇：modbus tcp/ip，設(shè)備選擇：modbus設(shè)備，點(diǎn)擊“確定”完成。 在導(dǎo)航器中雙擊modbus：設(shè)備01，彈出設(shè)備設(shè)置窗口，ip地址填入plc的ip地址168.192.0.106。選中iec61131語法框，點(diǎn)擊“確定”。4 卷繞過程中的控制問題圖 5 卷繞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖卷繞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。圖中m1、m2、m3分別為送卷繞輥，主卷繞輥和張力輥，m1、m2的卷繞半徑分

28、別為r1、r2；1、2分別是送卷輥、主卷輥的角速度；v是送卷繞材料輥的線速度，為勻速運(yùn)動。卷繞系統(tǒng)運(yùn)行過程中，送卷繞電機(jī)帶動送卷輥m1輸送材料，主卷電機(jī)帶動主卷輥m2卷繞材料。隨著卷繞的進(jìn)行，主卷輥的卷繞半徑r2時刻都在變化，轉(zhuǎn)動慣量也隨這卷繞半徑的改變而時刻發(fā)生變化。如果主卷電機(jī)保持在原有的轉(zhuǎn)速上，則轉(zhuǎn)卷速度將隨這半徑的變大而變大。當(dāng)電機(jī)間的速度調(diào)節(jié)不匹配時，將使卷繞材料產(chǎn)生一松一緊的現(xiàn)象，從而使卷繞材料的張力不穩(wěn)定，影響到卷繞材料卷繞的效果。因此通過模擬材料之間的張力來控制主卷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到卷繞過程中，材料受到恒定的張力，即盡量不斷地保持送卷輥和主卷輥的線速度一致，以達(dá)到卷繞系統(tǒng)中兩個電

29、極的同步協(xié)調(diào)運(yùn)行。在圖1中就是要使張力輥m3維持在一定范圍內(nèi)波動，這樣就表示張力控制在一定得范圍，因此通過張力輥的位移變化來控制主卷電機(jī)的轉(zhuǎn)速。4.1 卷繞模型及其求解當(dāng)卷繞系統(tǒng)工作時，送卷輥保持恒定的速度，主卷輥不斷地卷繞，隨著卷繞的進(jìn)行，主卷輥的半徑不斷地加大，導(dǎo)致主卷輥的線速度不斷地增大，從而送卷輥和主卷輥的線速度不一致，產(chǎn)生了張力，通過查閱相關(guān)資料，得出張力的數(shù)學(xué)模型7為 （1）其中e為卷材的彈性模量，a為卷材的橫截面積，l為傳動點(diǎn)之間的距離，t為卷材經(jīng)過相鄰兩輥的時間。v2是收卷速度，v1是送卷材速度。啟動后，v2總會大于v1，這樣使卷材產(chǎn)生一定的張力，因此要及時的調(diào)控卷繞的速度，控

30、制好張力。卷繞輥的半徑為r，起始半徑為r2，帶料的厚度為d，轉(zhuǎn)角為，則有： r=r2+d/（2） （2）因?yàn)椋?=t=2n2t/60 （3）把（3）帶入（2）中有：r=r2 +n2 td/60 （4） 而n2 =60v2 /（2r） （5）（5）式代入（4）中得：r2 rr2 tdv2 /2=0 （6）期望的v2為勻速，解得：r=（r2 +）/2 （7）從而得出t時刻的轉(zhuǎn)速n2 =60v2 /2r （8）經(jīng)過上式的推導(dǎo)，得出了卷繞速度，及卷繞輥半徑隨時間變化的也不斷變化的值。4.2 張力輥張力仿真模型在此實(shí)驗(yàn)中，想通過測定卷繞過程中產(chǎn)生的張力來控制卷繞 8的速度，隨著卷繞的進(jìn)行，v2v1，產(chǎn)生

31、張力，并且張力輥也產(chǎn)生位移，因此需要根據(jù)張力輥的位移及張力的大小，來控制卷繞輥的轉(zhuǎn)速，使得卷繞線速度維持穩(wěn)定，即維持張力輥在一定得位置。受設(shè)備限制，無法直接測得張力的大小，v1是常數(shù),在t時刻的v2值是可以計(jì)算得出的。r（t）=r（t-0.1）+0.1n2（t-0.1）d/60 （9）v2（t）=6.28r(t)n2(t-0.1)/60 （10）因此就可以通過此時的v1,v2模擬出張力f和張力輥位移d的大?。篺=ma=m=m （11）d(t)=d（t-0.1）+vt/2= d（t-0.1）+（v2（t）-v1 ）t/2 （12）式中t=0.1,現(xiàn)在得到了張力輥位移和張力大小，關(guān)鍵就要如何實(shí)現(xiàn)通

32、過張力輥位移來控制卷繞電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。4.3 通過pi控制器控制轉(zhuǎn)速把伺服電機(jī)對象看成一介慣性環(huán)節(jié)，建立pi控制系統(tǒng)9，如圖6所示：圖6 pi控制系統(tǒng)原理框圖其中pi控制器表示為： kp(1s+1)/ 1s （13）k1為轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)換為卷繞速度v2的一個計(jì)算公式，可以看成一個比例系數(shù)，但k1會隨著卷繞半徑的變化而變化，在此取半徑為介于卷繞半徑最小值與最大值之間的中間值r=（rmin+rmax）/2 =(100+140)/2=120 （14）則有 k1=2r/60=9.94 (15) k2=0.5可見系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)表示為: w(s)= kp(1s+1) k1k2/ 1s2 （ts+1） （16

33、） 又可簡化為： w(s)= k(1s+1) / s2 （ts+1）k1為轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成速度的一個變換式，為一個比例系數(shù)，k2也是一個比例系數(shù)。即 k=kp k1k2/1 （17）定義變量:h=1/t (18)稱為“中頻帶”10，是一個與性能指標(biāo)緊密相關(guān)的參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)表明，h值可在310之間選擇。在確定了h之后，根據(jù)時間常數(shù)t由式（118）可求得 1=ht （19)并參閱有關(guān)資料，得到一種最佳的配合，為 k=（h+1）/2h2t2 (20)4.4控制系統(tǒng)各參數(shù)的確定 運(yùn)用powersuit得到伺服電機(jī)在速度特征曲線運(yùn)行模式下的階躍響應(yīng)輸出曲線圖。如圖7所示：圖7 伺服電機(jī)在速度特征曲線運(yùn)行模式下的階

34、躍響應(yīng)輸出曲線用兩點(diǎn)法11求參數(shù)k，t，.即利用階躍響應(yīng)曲線y(t)上的兩點(diǎn)數(shù)據(jù)去計(jì)算t和的值。首先需要把y(t)轉(zhuǎn)換成它的無量綱形式y(tǒng)*(t)，即y*(t)= (21) 式中，y()為y(t)的穩(wěn)態(tài)值。一介慣性環(huán)節(jié)加純延遲 g(s)= (22)與式(22)相對應(yīng)的階躍響應(yīng)無量綱形式為 y* (t)= (23)為解出上式的t和，必須選擇兩個時刻t1和t2 ，其中t2 t1,從測試結(jié)果中可以讀出y*（t1）和y*（t2）并寫出聯(lián)立方程 y* (t)= （24）由式（24）可以解出 (25）為了計(jì)算方便，可取y*(t1）=0.39，y*(t2)=0.63,則可得 （26）結(jié)合以上方法求得： 取h=

35、5，由式（18）和（20）得： 根據(jù)已求出來的參數(shù)k,k1,k2,1 和式（17）得到： kp=7 （26）則有 ki=88.7 （27）通過以上求解，得出了當(dāng)半徑r=120時候的pi控制器的參數(shù)，用腳本c語言編程得出所要的結(jié)果。編程內(nèi)容見附錄。4.5 數(shù)據(jù)記錄及控制效果的觀察本系統(tǒng)是每隔0.1秒更新一次數(shù)據(jù)的，因此可以通過編程每隔0.1秒記錄一次輸出的值，即被控量張力輥位移。通過記錄一組數(shù)據(jù)，可以考察被控量的一些動態(tài)和靜態(tài)參數(shù)參數(shù)來判斷系統(tǒng)的控制效果的好壞，包括調(diào)節(jié)時間，最大動態(tài)偏差，穩(wěn)態(tài)誤差等。數(shù)據(jù)的記錄功能可以通過編程腳本來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)繪制系統(tǒng)從啟動達(dá)到穩(wěn)定，又加入一個脈沖干擾后的張力輥位移響應(yīng)圖，如圖8所示：圖8 啟動響應(yīng)圖及加入干擾后的響應(yīng)該響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)誤差為0.當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行一段時間后，當(dāng)半徑r=130時，再次觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，如圖9所示：圖9 半徑r=130時，系統(tǒng)加入擾動響應(yīng)圖該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為式（15），即 w(s)= k(1s+1) / s2 （ts+1） （30）其中k=468.75，1 =0.08， =0.04，t=0.016。pi控制器傳遞函數(shù)為：gc（s）=kp(1s+1)/ 1s （31