基于plc控制的交流电机变频调速系统

基于plc控制的交流电机变频调速系统内容摘要：

向异步旋转。 异步电机转差率 s ： 00n nns  （ 22） 异步电机转速 n ： p fsnsn 60)1()1( 0  （ 23） 由公式（ 23），如果电机的 p 不变，转差率 s 不变，那么转速 n 与频率输入频率f 成正比关系。 频率越高，转速越高；反之，转速越低。 实际上，当电机确定后， p 为定值，且变频调速属于转差功率不变型调速方法，电机旋转时保持有限的转差率。 因而变频调速的性能非常好，具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点。 因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对电机的调速 [1]。 总体设计 以控制器 Controllogix 为核心，应用以太网和控制网络，选择变频器作为执行机构，异步电机作为控制对象，测速发电机作为检测机构，构成闭环控制回路。 框图如图 所示。 基于 PLC 控制的交流电机变频调速系统 7 图 系统总体结构框图 控制方案设计 方案一： PID 控制 PID 具有结构简单，参数易于整定，应用面广等特点，设计的控制对象可以有精确模型，也可以是灰箱或黑箱系统，总体而言，它主要有如下优点 : （ 1） 原理简单 ，应用方便，参数整定灵活。 （ 2） 适用性强。 目前它已广泛应用各个工业生产行业， （ 3） 鲁棒性强，即其控制的品质对受控对象的变化不太敏感。 系统框图如 图 所示，通过给定转速和反馈的转速做比较，差值通过 PID 模块计算来控制变频器的输出。 图 控制系统框图 方案二：模糊和 PID 并联控制 PID 控制能够消除稳态误差 ， 但系统的快速性和 抗干扰能力都不理想。 模糊控制西南石油大学本科毕业设计（论文） 8 具有非常强的抗干扰能力， 但是无法从根本上消除稳态误差，控制精度 很低。 而 将模糊控制技术和传统的 PID 控制相结合， 将模糊控制和 PID 控制的优点很 好的结合起来。 目前应用较为广泛的是模糊控制与 PID 控制的串联或者模糊控制与 PID 控制相并。 本系统采用最简单的模糊与 PID 的复合并联方式，即当系统偏差较小时，采用传统的PID 控制，当系统出现较大的偏差时，则切换采用模糊控制。 系统框图见图。 图 模糊和 PID 并联控制框图 方案三：单神经元自适应 PID 控制 人工神经网络（ ANN）的优点：由多个小处理单元组成，每个处理单元功能简单，大量简单处理单元集体的，并行的活动得预期的结果，具有较快的处理速度；非常强的容错性；记忆信息存储性在神经元之间的连接权值上 ；学习能力十分强大。 单神经元作为构成神经网路偶的基本单位，具有自学习和自适应能力，而且结构简单易于计算，传统的 PID 控制器具有结构简单、调整方便、参数整定与工程指标联系密切的特点，这两者结合可以在一定程度上解决传统 PID 控制器不易在线实时整定参数，难于对一些复杂过程和参数时变系统进行有效控制的不足。 控制框图如图 ，反馈和给定转速通过转换器转换过后经由函数 f 计算得到输出偏差量。 再经过计算得出变频器的频率控制量。 图 单神经元自适应 PID 控制 框 图 基于 PLC 控制的交流电机变频调速系统 9 硬件 描述 控制器及 I/O 模块 控制 器选择 controllogix 17565561。 I/O 模块选择 ACN1794， FLex I/O 远程模块。 模拟输入与输出分别选择 input CH0 和 output CH0，量程选择 1010V 二进制补码百分比。 Flex I/O 输入输出转换： 表 A/D 转换关系 I O A D 比值 D A 比值 1629 1018 5000 5 1000 3427 1007 4000 4 1000 5230 1006 3000 3 1000 6190 998 2020 2 1000 7126 1016 1000 1 1000 由上表可以看出，模拟输入与输出电压值与 A/D 转换倍数关系为 b=1000。 执行机构及控制对象 变频器作为执行机构，其结构为主电路（整流器，中间直流环节，逆变器）和控制电路组成。 变频器采用基频以下调速，即恒压频比调速。 本实验采用的变频器PowerFlex40。 变频器的启停和反转采用数字量控制，每个数字量需要 6mA 电流（ 图 ）。 频率控制采用模拟量控制（ 图 ）。 具体接线如下图所示。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 10 图 变频器与数字 I/O 连接 图 变频器与模拟 I/O 连接 变频器 PowerFlex40 参数设置如表 所示。 表 变频器参数设置 编程参数 参数值 变频器显示 d001(输出频率 ) P031（电机铭牌电压） 220V P032（电机铭牌频率） 50Hz P033（电机过载电流） P034（最小频率） 0Hz P036（起动源） 1（三线制） P038（ 模拟量输入 ） 2（单极性电压型输入） 变频器控制电压 u 与 输出频率 f 成线性关系，即 0— 10V 对应 0— 50Hz，写成关系式为： uf *010 050 u 与 AD 转换数比值为 b。 所以要得到频率 ，就可以输出数字量： bfz *5 变频器 PowerFlex40 的 R/L S/L T/L3 接三相电源， U/T V/T W/T3 分别接三相异步电动机的 U/T V/T W/T3 三相，电动机采用星形接法。 基于 PLC 控制的交流电机变频调速系统 11 检测机构 选用直流测速发电机作为检测机构，反馈电压与转速成正比关系。 表 转速与反馈电压关系 转速 1443 1137 反馈电压 比值 转速 449 244 反馈电压 比值 207 由表 可得转速和反馈电压比值关系，实验时取系数 c=203. 直流 测速发电机的输出电压（ 0~10V）接到控制器的模拟量输入端，即高电势接a15:2:，低电势接 a15:2:（ RET）。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 12 3 系统仿真 电机模型的建立 异步电动机电磁转矩为 39。 2 2139。 2 39。 21 1 2 1 1 2( 3 )[ ( / ) ( ) ]meRpUPsT R R s L L    （ 31） 其中 1R 、 39。 2R — — 定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻。 1L 、 39。 2L —— 定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感。 1U 、 1 —— 电动机定子相电压和供电角频率 ； s —— 转差率； 电磁功率为 mP ； P 为电机极对数； 同步机械角转速 1p。 公式（ 31）就是异步电动机的机械特性方程式。 当定子电压 U，和角频率以的比为恒定值时，可以把它改写成如下的形式    2 39。 1 1 22239。 2 2 39。 1 1 2 1 1 23eU s RTpsR R s L L     当 s 很小时，忽略分母中含 s 各项得 221 1 139。 39。 1 2 1 233 se U s UT p pRR           其中 s = 1s ，表示转差角频率。 带恒转矩负载时电力拖动系统的运动方程式为 el JdTT p dt   其中 lT 为负载阻转矩； J 为机组的转动惯量。 转差率的表达式为 基于 PLC 控制的交流电机变频调速系统 13 0 101nns n   中 n — 转子实际转速； 0n — 旋转磁场的同步转速；  — 用电角度表示的转子实际角转速； 1 — 用电角度表示的同步角转速 ； 且有关系 : 0160 /n f p ， 112 f ， 60 / 2np ， 1 ss     。 根据以上得出的关系式，可得到带负载的电机变频调速的数学模型如图。 图 带负载的电机变频调速的数学模型框图 当令 A= 2139。 213 UpR ， B=pJ 时，将电机的参数带入右有负载的电机变频调速数学模型，参数有： 1U 为 220V， 1f 电机额定频率为 50Hz,极对数为 2， J 的估计值为 ,当取 A= 和 B=100 时，前面图所示的电机变频调速模型构造的 simulink 仿真模型图 如图 所示。 图 电机模型仿真框图 实际系统中，电机开环运动时，变频器输出 50Hz 交流电，电机转速为 1450r/min。 由此仿真时 f=50Hz，添加负载为 牛米，使输出值为 1450。 仿真曲线如图 所西南石油大学本科毕业设计（论文） 14 示。 图 电机仿真曲线 建立好电机模型以后 用 create subsystem 将电机封装 起来 ，用于控制算法的仿真。 控制 控制原理 PID 调节器是一种线形调节器，其传递函数为： sTsTKpsE sU di  1)( )( pK 为比例系数，ii TK1 为积分环节系数 ， dd TK 为微分环节系数。 Kp、 Ki、 Kd 参数的作用 (1)比例作用 Kp 比例控制作用是最基本的控制规律。 它能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来，但对具有自平衡性（即对系统阶跃响应始终为一有限制）的控制对象存在静差。 它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有静差的场合。 (2)积分作用 Ki 基于 PLC 控制的交流电机变频调速系统 15 积分控制通常与比例控制或微分控制联合使用，构成 PI 控制或 PID 控制。 其中PI 控制规律是应用最为广泛的一种控制规律。 积分能消 除比例调节中的静差，适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有静差的场合。 (3)微分作用 Kd 微分作用是按偏差变化速度来的，因而对克服对象的容量滞后有明显的作用。 仿真 PID 仿真框图如图 所示 ,给定值是 1000 转。 图 仿真框图 参数整定的的局部仿真结果如下： （ 1） 比例 控制 先比例。 将 Kp 由小变大，不断观察系统的响应，直到得到反应快的曲线；参数选择 Kp= Ki=0 Kd=0 的仿真曲线如图 所示 图 = 时仿真曲线图 当 Kp= Ki=0 Kd=0 时仿真曲线如图 所示 西南石油大学本科毕业设计（论文） 16 图 = 时仿真曲线 （ 2）比例积分控制 先将积分时间置于一较大值，再减少 Ki，保持在良好的动态性能的情况下，将静差消除。 参数选择 Kp= Ki=2 Kd=0 的仿真曲线如图 所示 图 ==2 时仿真曲线 （ 3）比例积分微分控制 消除了静差，超调过大，可加入微分环节，能使超调量减少，调节时间缩短。 但不能 太大， 太大 会使微分作用太强而使控制器的输出发生很大的变化。 参数选择Kp= Ki=2 Kd= 的仿真曲线 如图 所示 基于 PLC 控制的交流电机变频调速系统 17 图 Kp= Ki=2 Kd= 时仿真曲线图 此组参数作为实验 初始设定 参数，然后再根据实验 现场 要求进行修正 ，以达到更好的控制效果。 模糊 控制 模糊控制基本原理 模糊化 :把输入量规范化和量化。 模糊逻辑推理 :根据事先己制定好的一组模糊条件语句构成模糊控制规则。 去模糊 :控制作用的模糊集不能直接用于被控对象，需要把控制作用的模糊集按照一定的规则转化成精确控制量加到被控对象上。 、 Kc、 Ku 参数的作用 Ke 越大，对偏差作用增强。 系统上升快，增大超调 量，过度时间长。 Kc 越大，对系统偏差变化控制作用增强。 减小超调量、稳态误差和误差变化率。 过度时间变长。 Ku 越大，控制器作用增强，系统响应快，易超调，可能导致振荡。 模糊仿真 建立在规范论域 [6 6]上 E,EC,U 的隶属函数 如图。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 18。