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变频器在悬挂输送线转速控制系统中的应用
摘要
本系统利用变频器和PLC实现悬挂输送线的等线速调节和控制，结合变频调速系统，提出了一种基于PLC的多点传动系统的模糊控制算法。
由于工业结构的变化和自动控制技术的快速发展，PLC和变频器在各种高性能机械系统中的应用已经居于主导地位。变频器与电动机相结合，可以达到显著的节电效果、较高的调速精度、较宽的调速范围、完善的保护功能，而且可简化维修工作，使系统易于实现自动控制等目的。在加工自动生产过程中，物品的输送是十分重要的环节，这样选用PLC和变频器进行控制性价比最高。
关键词：PLC 悬挂输送 变频器 多点传动 模糊控制Abstract：

第一章 绪论
1．1 国内外现状简介及课题的目的、意义：
最近由于世界各地受经济危机的影响，制造行业对生产效率及成本控制要求增加，越来越多的制造行业普遍采用自动化流水生产线。随着现代生产对生产速度、柔性控制及质量等的要求越来越高，所以对输送线控制系统要求越来越高。例如制罐、饮料包装、食品包装等行业，因为设备数量多，每天产量都以上百万计，因此离了自动输送线无法进行生产。我国现在在悬挂输送线转速控制系统的设计制造水平与国际先进水平相比还有一定的差距，除了传统的皮带、链条等输送线外，现在国际上一些新型的输送线已经很成熟而且在我国也己逐步开始使用。

变频器和PLC在悬挂输送线输送线转速系统中的应用使涂装生产线、造纸生产线、胶片生产线、纺织机等高效、持久、平稳及可靠地运转，产生了显著的经济效益，同时保证了产品的质量。变频器是应用变频技术与微电子技术，集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件，得到广泛应用。采用PLC作为控制器，用PLC的定时器代替时间继电器，用软件编程来实现各机构间多重联锁和保护报警，大大减少了中间继电器，使系统的设计更简单，同时提高了电气控制的可靠性。此外，通过PLC还可以实现对变频器的控制及复杂的工艺要求。随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展以及我国在哥本哈根会议上承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%—45%，为了响应国家节能减排的号召，充分利用能源，交流变频调速技术作为高新技术、节能技术广泛应用。随着现代工业的快速发展，对控制系统的要求越来越高，需要多台电机更好的同步运行。多电动机传动系统在工业发展中具有重要的作用和应用前景。特别是近十多年来，多电机传动系统研究得到国内外运动控制领域内许多专家学者的广泛关注。他们先后将变结构控制、自适应控制和鲁棒控制等控制方法应用于多电机协调控制中，并取得了良好的效果。多电机同步运行的协调控制问题存在于制造与生产过程自动化控制系统中。在传动控制系统中，一般都要求各电机之间保持同步运行关系。在同步控制系统中主要有以下几种情况：①同步控制系统中的各台电机具有相同的速度，②同步控制系统中多台电机的转速保持某一固定比例同步运转，③同步控制系统中多台电机输出轴的转角(位移)按要求在不同的速度下保持恒定的速差。所以，多电机同步协调控制一直是运动控制研究领域的重要课题之一，具有重要的现实意义和应用价值，本文仅对第一种情况进行讨论。
1.2 本文重点解决的问题
（1）用PLC和多台变频器实现悬挂输送线的等线速调节和控制。
（2）研究多点传动系统的控制算法和特点
（3）对于大多数多电机驱动系统存在建模难、各类不确定干扰因素复杂等实际问题，设计了基于PLC的模糊控制变频调速系统方案，该方案将变频调速技术与模糊控制原理很好的结合在一起。
1.3 本文结构及主要内容
本文重点研究了用PLC和多台变频器实现悬挂输送线的等线速调节和控制和基于PLC的模糊控制变频调速系统方案。全文分为六章，各章主要内容如下：
第一章介绍了国内外现状简介及课题的目的意义
第二章介绍了悬挂输送线控制系统的研究意义和变频器的原理及特点，简述了悬挂输送线控制系统的发展现状。
第三章介绍了模糊PID控制理论。分析了模糊控制法的特点，提出了文中的带有自调整因子的模糊控制器。探讨了模糊控制在多电机协调控制系统中的应用。
第二章 悬挂输送线转速控制系统和变频器
2.1 悬挂输送线的定义
悬挂输送线是一种三维空间闭环连续输送系统，适用于车间内部和车间之间成件物品的自动化输送。根据输送物件的重量，可分为轻型的牵引式悬挂输送线、轻型积放式悬挂输送线和重型积放式悬挂输送线。

悬挂输送线
2.1.1 悬挂输送线的用途
悬挂输送是表面处理、涂装等许多行业流水作业常用的工件输送方法。首先悬挂输送线具有下规律： ( 1 ) 全线是一条封闭曲线； ( 2 ) 有降必有升，有升必有降；( 3 ) 上拱与下挠弯轨成对。此外，为制造安装方便，在无特殊限制的情况下，水平拐弯半经统一，垂直方向升降半经和升降角统一，根据以上这些规律，对于无升降的等高输送， 直轨总长应等于各分段水平直轨长度之和，链条总长度应等于直轨总长加上各水平弯轨弧长之和。
悬挂式输送线是具有空间封闭线路的连续运输设备,用于车间内部或各个车间之间,工件物品的流水连续输送,在流水连续输送过程中,可以进行对工件的各种顺序工艺作业,如素材上线,表面处理,喷漆,烘干,冷却,成品下线等。并能够在恶劣的环境(如高温,有害物质等)下工作,由于它既可充分利用空间,又可与地面作业配合运行,所以在家具厂、自行车厂、电子厂、五金厂、汽车厂等大批量生产之现代化工厂中广泛使用。
对于流水线设备提供厂家来说，在确定总体规划设计方案之后， 迅速、准确地计算出悬挂输送线的有关长度参数，不管对于设备报价 资金预算，还是工程开始后的备料、发运，以及最终的安装试车都是重要的。通常，悬挂输送线需要计算的长度参数：全线所有直轨的总长和全线输送链条的总长，由于输选线的安排与生产规模、产品结构、工艺流程、设备配置、等因素有关，因而很容易引起变化。
2.2 变频器的定义
变频器是利用交流异步电动机同步转速n0 随电源频率变化而变化的特性，实现电动机调速运行的装置。
2.2.1 变频器工作原理
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类[1]:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
2.2.2 变压器的基本结构（以电压型交--直--交变频器的结构为例）

2.3.3 变压器特点：
1、调速范围广、平滑性较好、机械特性较硬；
2、可很好地实现异步电动机的无级调速；
3、可实现有效的节能；
4、可方便地进行恒转矩调速和恒功率调速。

第三章 模糊PID控制理论
我们通常在经典控制理论和现代控制理论中对控制系统建立被控对象精确的数学模型可是对多电机传动系统来说，控制对象及外部环境具有非线性、不确定性、不完整性及模糊性等特征。通常，建立此类系统精确的数学模型比较困难，很难完全满足用经典和现代控制理论设计控制系统过程中所提出的苛刻的条件假设。
PID控制算法是实际工业控制中多电机同步控制应用最广泛的一种同步控制算法。PID控制对转速误差进行调节是最简单的一种闭环同步传动方式，实现和操作起来相对简单，如果同步传动精度不高，那么这是一种比较好的选择。但是对于传动过程中存在的非线性、时变性、随机干扰以及模型不确定等因素影响，很难取得精确的控制效果。H∞控制、变结构控制、模型参考自适应控制、神经网络与遗传算法等先进控制算法在提高控制系统鲁棒性、抗干扰能力以及智能性方面虽然取得了突破，但是上述算法比较复杂，而且主要针对一些特定的应用场合，可操作性不强，在实际应用中有很大的难度。
智能控制把人工智能理论与技术运用到自动控制中，来解决具有不完全性、模糊性、不确定性、非线性和不存在已知算法的复杂系统而形成的新控制理论与技术，是根据被控对象动态过程的特征辨识，采用开闭环控制和定性定量控制相结合的多模态控制方式。模糊控制算法就一种智能控制方法，目前已经广泛应用于许多领域。
模糊控制系统不依赖于精确的数学模型，特别适用于复杂系统或过程与模糊对象主体，因此它兼有计算机控制系统的特点。对控制对象的干扰具有较强的抑制能力，由于模糊控制基于人的操作经验，因此具有一定的智能性。
针对多电机传动系统系统的特点和等线速调节和控制的要求，而模糊PID控制既能够改善系统动态性能，同时又易于实现的特点。因此，本文设计的控制系统采用模糊PID控制，本章主要对模糊PID控制理论进行了分析。
3.1 PID控制算法
3.1.1 PID控制算法的基本原理
系统主要由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与控制器输出值用y(t)构成控制偏差，将偏差按比例，积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为PID控制器器。其控制规律：

式中 ，Kp为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。
3.1.2数字PID控制算法
随着计算机技术的快速发展，实际应用中大多数采用数字PID控制嚣。主要有位置式和增量式PID控制算法。计算机控制是一种采样控制，它根据采样时刻的偏差值计算控制量。PID控制算法需要采用离散化。
1、 位置型控制――例如图3－1－1调节阀控制

2、增量型控制――例如图3－1－2步进电机控制

本文首先对系统总体设计，而后着重设计电动机与PLC以及PLC与变频器之间的通信程序，接着重点解决多点传动系统的控制算法。