（控制理论与控制工程专业论文）基于pi补偿控制器的多电机速度同步系统设计.pdf

肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论 文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员： 郄c 耆嘻 i ) 百、仫 i 爱舷磷务疆 饶，。少脖互t l 瑶 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 ， 学位论文作者签字：嘻业多f l签字日期：口f 1 年年月睁侣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解企目里王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月里三e ：4 达 堂l - 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名名业勿l 签字日期：知f f 年年月件日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：朗也甬导自加化泓幻贺 君么动 通讯地址： 尚未午市伊臣零疋碜3 ，号 导师签名： 签字日期，年f 月，形日签字日期，年孓月叮日 电话：l 弓占7 0 7 。孑形 邮编：i o 口多 基于模糊p i 补偿控制器的多电机速度同步系统设计 摘要 多电机速度同步控制系统作为典型的电机控制系统，要求对单台电机进行 精确的速度控制和对多台电机的速度进行协调控制，广泛应用于化工、钢铁、 纺织等工业生产中，因此对多电机速度同步控制系统的研究具有重要的理论意 义和应用价值。 本文针对腈纶纺丝生产线，设计了p l c 变频控制的多电机速度同步系统。 p l c 的工业可靠性和变频调速的精确实用性，使得p l c 和变频器的组合非常适 合用于多电机速度同步控制的工业实现。采用p r o f i b u s 现场总线取代模拟信 号，使得p l c 与变频器之间的通信更加准确及时，也减少了现场布线工作。采 用w i n c c 作为上位机监控软件，对生产线各工艺点的状态进行监控，并对重要 的生产数据进行归档处理。 在矢量控制原理的基础上，本文在m a t l a b 中构建了异步电机速度和电流双 闭环控制系统，仿真结果表明了矢量控制用于异步电机调速的优越性。根据多 电机速度同步控制的发展历程，本文分别介绍了机械式同步、并行同步、主从 同步和基于速度补偿的同步方式，并在m a t l a b 中进行了仿真。通过比较和分析 这几种同步方式的优缺点之后，设计了基于模糊p i 补偿控制器的多电机速度同 步系统。仿真结果表明，在这种同步方式下，稳态时电机之间的速度互不影响， 当一台电机由于负载扰动等因素导致速度抖动时其他电机会迅速跟随其变化， 实现了较好的速度同步。 关键词：速度同步；p l c ；矢量控制；速度补偿；模糊p i d e s i g no fm u l t i m o t o rs p e e ds y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m b a s e do nf u z z yp ic o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e r a b s t r a c t a sat y p i c a lm o t o rc o n t r o ls y s t e m ，m u l t i - m o t o rs p e e ds y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m i sw i d e l yu s e di nc h e m i c a l 。s t e e l ，t e x t i l ea n do t h e ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i tr e q u i r e s p r e c i s es i n g l em o t o rs p e e dc o n t r o la n dc o o r d i n a t e ds p e e dc o n t r o l o fm u l t i p l e m o t o r s t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nm u l t i - m o t o rs p e e ds y n c h r o n o u ss y s t e m h a s i m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o n v a l u e t h es u b j e c to ft h i sp a p e rc o m e sf r o ma c r y l i cf i b e rp r o d u c t i o nl i n e b e c a u s eo f i n d u s t r i a lr e l i a b i l i t yo fp l ca n dp r e c i s i o n ，p r a c t i c a l i t yo fi n v e r t e r ，t h ec o m b i n a t i o n o fp l ca n di n v e r t e ri ss u i t a b l ef o ri n d u s t r i a lr e a l i z a t i o no fm u l t i - m o t o rs p e e d s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m i n s t e a do fa n a l o gs i g n a l s ，p r o f i b u sn o to n l ym a k e st h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n di n v e r t e r sm o r ea c c u r a t ea n dt i m e l y , b u ta l s o r e d u c e st h ef i e l dw i r i n g w i t ht h eh e l po fw i n c c ，w h i c hi sap cm o n i t o r i n g s o f t w a r e ，s t a t u so fp r o d u c t i o nl i n e sp o i n t si sm o n i t o r e da n yt i m e ，a n dt h ei m p o r t a n t p r o d u c t i o nd a t aw i l lb ea r c h i v e da n dp r o c e s s e d o nt h eb a s i so fv e c t o rc o n t r o lt h e o r y , s p e e da n dc u r r e n td u a l l o o pc o n t r o l s y s t e mo fi n d u e t i o nm o t o ri sb u i l ti nm a t l a b s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wa d v a n t a g e s o fv e c t o rc o n t r o lu s e di ni n d u c t i o nm o t o rs p e e dr e g u l a t i n g a c c o r d i n gt ot h e d e v e l o p m e n th i s t o r yo fm u l t i m o t o rs p e e ds y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e sm e c h a n i c a ls y n c h r o n i z a t i o n ，p a r a l l e ls y n c h r o n i z a t i o n ， m a s t e r s l a v e s y n c h r o n i z a t i o n a n ds y n c h r o n i z a t i o nb a s e do ns p e e dc o m p e n s a t i o n a l lt h e s y n c h r o n i z a t i o nm o d e sa r es i m u l a t e di nm a t l a b a f t e rc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o ft h e s e s y n c h r o n i z a t i o nm o d e s ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e san e ws y n c h r o n i z a t i o nm o d eb a s e do nf u z z yp ic o m p e n s a t i o nc o n t r o l l e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w , w i t ht h i ss y n c h r o n i z a t i o nm o d e ，o n em o t o r ss p e e dd o n t a f f e c t so t h e rm o t o r s s p e e dw h e ni ti ss t e a d y ，b u to t h e rm o t o r s s p e e dw i l lf o l l o w i t sc h a n g er a p i d l yw h e no n em o t o r ss p e e ds h a k e sb e c a u s eo fl o a dd i s t u r b a n c ea n d o t h e rf a c t o r s t h i ss y n c h r o n i z a t i o nm o d ea c h i e v e sb e t t e rs p e e ds y n c h r o n i z a t i o n k e y w o r d s ：s p e e ds y n c h r o n i z a t i o n ；p l c ；v e c t o rc o n t r o l ；s p e e dc o m p e n s a t i o n ；f u z z y p i 致谢 本文是在导师葛锁良副教授的悉心指导下完成的。导师丰富的阅历、渊博的知识 以及富有创见的学术思想为本文的研究指明了方向。他严谨的作风和一丝不苟的治学 态度，时刻激励着我。同时，他还以高尚的人格和拳拳的师情感染着我，使我不仅在 学术上取得了进步，而且在人生观和社会观上都得到了培养。更值得一提的是，整个 硕士研究生学习期间，在导师的教导下，我不仅增长了专业知识，更重要的是提高了 对实际项目的处理能力。借此论文完成之际，向导师葛锁良副教授表达最诚挚的谢意。 同时还要特别感谢3 1 5 实验室的孙德亮、任磊、于敏华、方唐利、卫胤强、张亚 东、杨旭伟、杨飞等同学。他们无论在学习上还是在生活上都给予了我无微不至的关 怀和无私的帮助。 最后，感谢我的父母，正是他们一如既往的支持让我完成了硕士阶段的学习。 作者：袁业剑 2 0 1 1 年3 月1 5 日 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源1 1 2 多电机速度同步控制方式研究现状1 1 3 速度补偿控制器的算法介绍3 1 4 本文的主要工作4 第二章腈纶纺丝生产线控制系统设计6 2 1 腈纶纺丝工艺原理介绍6 2 2 腈纶纺丝生产线p l c 控制系统设计7 2 2 1 控制方案设计7 2 2 2p l c 硬件组态8 2 2 3 软件设计1 0 2 3 腈纶纺丝生产线w i n c c 监控系统设计1 2 2 3 1 组态软件w i n c c 简介1 2 2 3 2 腈纶纺丝生产线w i n c c 组态流程1 2 2 4 多电机通讯系统设计1 5 2 4 1 网络结构设计1 5 2 4 2 现场设备层网络1 6 2 4 3 车间监控层网络1 9 第三章三相异步电机矢量控制系统及其m a t l a b 仿真2 2 3 1 三相异步电机数学模型分析2 2 3 2 三相异步电机矢量控制2 3 3 2 1 矢量控制原理2 3 3 2 2 两相系下异步电机数学模型2 4 3 3 异步电机矢量控制m a t l a b 仿真2 5 3 3 1m a t l a b 软件介绍2 5 3 3 2 基于m a t l a b 的异步电机矢量控制系统仿真模型2 5 3 3 3 三相异步电机本体模块2 6 3 3 4 矢量控制模块2 7 3 3 5 坐标变换模块2 8 3 3 6 速度控制模块2 9 3 3 7 电流滞环控制模块3 0 3 3 8 逆变器模块3 0 3 4 仿真结果分析3 l 第四章基于模糊p i 补偿控制器的多电机速度同步系统m a t l a b 仿真3 5 4 1 速度同步控制策略及其m a t l a b 仿真3 5 4 1 1 并行同步控制m a t l a b 仿真3 5 4 1 2 主从同步控制m a t l a b 仿真3 6 4 1 3 基于速度补偿的同步控制m a t l a b 仿真3 6 4 2 模糊控制理论3 7 4 3 模糊p i 控制器设计3 9 4 3 1 模糊p i 控制器原理3 9 4 3 2 基于m a t l a b 的模糊p i 控制器设计4 0 4 4 基于模糊p i 补偿控制器的多电机同步控制系统m a t l a b 仿真4 3 第五章总结与展望4 6 5 1 内容总结4 6 5 2 问题与展望4 6 参考文献4 7 插图清单 图卜l 两电机并行同步控制结构图2 图1 2 两电机主从同步控制结构图2 图1 3 基于速度补偿的两电机速度同步系统结构图3 图2 1 腈纶纺丝多电机同步控制方案7 图2 2 腈纶纺丝多电机同步控制系统硬件组态图8 图2 3i o 模块组态地址分配图9 图2 4t d s p a 0 1 硬件组态图9 图2 5 腈纶纺丝电机调速流程图9 图2 - 6 变频器对应的共享数据块1 1 图2 7w i n c c 变量管理器1 3 图2 8c 脚本触发器1 3 图2 - 9 腈纶纺丝生产过程监控画面1 4 图2 1 0 辊子状态显示组态对话框1 4 图2 1 1 按钮组态对话框1 4 图2 1 2 过程变量归档属性对话框1 5 图2 1 3 控件属性对话框1 5 图2 1 4p r o f i b u s 子网络选择及参数设置1 7 图2 1 5d p 主站设置1 7 图2 1 6p p o 数据格式1 7 图2 1 7p l c 读变频器数据1 8 图2 1 8p l c 向变频器写数据1 9 图2 1 9p g p c 接口设置2 0 图2 2 0 标志符号表中需要传输的变量2 1 图2 2 l 标志共享d b 块中需要传输的变量2 1 图2 2 2o s 站编译对话框2 1 图2 2 3 变量从s t e p 7 传送到w i n c c 2 1 图3 1 三相异步电机物理模型2 2 图3 2 定子和转子三相旋转两相坐标系示意图2 3 图3 3 异步电机矢量控制示意图2 4 图3 - 4 三相异步电机双闭环矢量控制m a t l a b 仿真模型2 6 图3 - 5 异步电机本体模型。2 6 图3 - 6is dc o m p u t e 子模块结构图2 7 图3 7f l u xr dc o m p u t e 子模块结构图2 7 图3 - 8 矢量控制结构图2 7 图3 - 9 参考电流两相三相变换2 8 图3 1 0 异步电机输入电压三相两相变换2 9 图3 1 1 异步电机输出电流两相三相交换2 9 图3 - 1 2 速度控制器p i 模块结构图3 0 图3 - 1 3 电流滞环控制模块结构图3 0 图3 - 1 4 逆变器模块结构图3 0 图3 1 5n * = 6 0 0 r m i n ，t l = o n m 时的转速响应曲线3 1 图3 1 6n * = 6 0 0 r m i n ，t l = o n m 时的电磁转矩曲线3 l 图3 1 7n * = 6 0 0 r m i n ，t l = o n m 时的电流跟随特性3 2 图3 - 1 8n * = 6 0 0 r m i n ，t l 从o n m 突变到1 2 n m 时的转速响应曲线3 2 图3 1 9n * = 6 0 0 r m i n ，t l 从o n m 突变到1 2 n m 时的电磁转矩曲线3 3 图3 - 2 0n * = 6 0 0 r m i n ，t l 从o n m 突变到1 2 n m 时的电流跟随特性3 3 图3 - 2 1n 木从6 0 0 r m i n 调节到8 0 0 r m i n ，t l = i n m 时的转速响应曲线3 4 图3 - 2 2n ，l c 从6 0 0 r m i n 调节到8 0 0 r m i n ，t l = i n m 时的电磁转矩曲线3 4 图3 2 3n 水从6 0 0 r m i n 调节到8 0 0 r m i n ，t l = i n m 时的电流跟随特性3 4 图4 1 多电机并行同步控制m a t l a b 仿真结构3 5 图4 2 并行同步方式负载扰动时的两电机转速曲线3 5 图4 - 3 主从同步方式下两电机的转速响应3 6 图4 - 4 主从同步方式主电机负载扰动时两电机的转速响应3 6 图4 - 5 基于速度补偿器的两电机同步控制系统m a t l a b 结构图3 7 图4 - 6 基于p i 补偿控制器的两电机速度响应曲线3 7 图4 - 7 模糊控制器结构图3 8 图4 - 8 三角形模糊集合的隶属度函数。3 8 图4 - 9 典型的模糊分割示意图3 9 图4 - 1 0 模糊p i 控制器结构图4 0 图4 - 1 1 输入e 隶属度函数曲线4 l 图4 - 1 2 输出k p 隶属度函数曲线4 l 图4 - 1 3 模糊推理规则的三维曲面显示。4 2 图4 - 1 4 模糊p i 控制器m a t l a b 模型。4 3 图4 - 1 5 基于模糊p i 补偿控制器的两电机速度同步控制系统m a t l b 结构图4 4 图4 - 1 6 基于模糊p i 补偿控制器的两电机速度曲线图4 4 图4 - 1 7 基于模糊p i 补偿控制器的两电机转矩曲线图。4 4 图4 - 1 8 基于模糊p i 补偿控制器的两电机相电流曲线图4 5 2 表格清单 表2 - 1s f c1 4 “d p r d d a t ”参数表1 8 表2 2s f c1 5 “d p w r _ d a t ”参数表1 9 表4 1a k p 的模糊控制规则表4 1 表4 2a k i 的模糊控制规则表4 2 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题来源于某石化厂腈纶纺丝生产线多电机速度同步控制系统。纺丝是 腈纶生产的关键过程，它将腈纶从原始溶液状态加工成具有一定韧性和质感的 丝束，以供进一步的使用。纺丝过程的控制精度直接影响腈纶的品质，因此提 高纺丝过程的控制水平是一个急需解决的课题。 目前，腈纶纺丝生产线的电气传动方式从直流调速发展到了交流变频调速， 原来模拟式的过程仪表也向数字化、智能化发展，形成了以计算机网络为核心 的工业控制系统。腈纶纺丝生产线控制系统的发展过程反应了一般工业控制系 统的优化升级过程，体现了一个国家的工业水平。 腈纶纺丝本质上是一个多电机速度同步控制系统，通过实时调节各电机的 速度，以达到牵伸或等速的效果，从而满足生产过程各工艺点的不同要求。该 系统普遍选用抗干扰能力强的p l c 作为控制器，电机调速采用变频驱动，由 p l c 发送参考速度给各变频器，从而驱动生产线上各电机以同步的速度进行运 作【l 】。这种控制方法简单实用，工业抗干扰能力强，维护方便，具备一定的控 制精度。但是这种控制方法的缺点也是明显的：在这种控制方法下，各电机变 频调速系统彼此独立、互不影响，而腈纶纺丝过程中负载经常发生扰动，扰动 使得一台电机的速度发生变化而其它电机速度不变，电机之间失去了同步关系。 在同步精度要求比较高的场合，上述方法显然是不能满足要求的。本课题正是 以此控制方法为基础，探索一种同步性能好、控制精度高的多电机速度同步控 制系统。 1 2 多电机速度同步控制方式研究现状 随着工业技术的发展以及对产品质量的要求越来越高，单单针对一台电机 的控制已不能满足某些场合的要求，而需要同时对多台电机进行控制，使这些 电机同步、协调地运行。多电机速度同步控制的方式主要有两种：机械方式和 电方式。目前，电方式下的同步控制策略主要包括并行同步控制、主从同步控 制、基于速度补偿的同步控制等。 ( 1 ) 机械式同步控制 机械式同步控制是传统的多电机速度同步方式，由于机械连接牢固，在工 业领域内得到了一定时间的运用。电机通过总轴、传动轴、齿轮、皮带等与各 负载连接，从而改变速比。当某一负载发生扰动时，其扭矩的作用通过机械传 动反映到总轴，从而影响其他负载的速度，以达到速度的同步控制。但是其缺 点也是存在的：首先，机械式同步的动力来源于一台电机，负载的增加受限于 电机的功率；结构复杂，维护不方便，传动的范围也受限制；由于机械环节较 多，造成各部分的累积误差，影响同步精度：机械摩擦影响系统寿命等【2 】。这 些缺点制约了机械式同步控制的发展，使得多电机速度同步系统走向了电气控 制方式。 ( 2 ) 并行同步控制 腈纶纺丝多电机速度同步控制大都采用这种同步方式。l o r e n z 在其文章中 用传递函数的形式对并行同步控制方式进行了分析【3 】。这种同步控制方式是将 每一台电机作为一个独立的调速子系统，每个子系统单独提供给定速度，各电 机跟随各自的给定速度而互不影响。为方便分析和搭建m a t l a b 模型，本文 以两电机速度同步控制系统为研究对象设计控制算法。并行同步控制结构图如 图1 1 ，其中k 表示两电机同步比例系数。 图卜1 两电机并行i 司步控制结构图 并行同步控制方式结构简单，采用矢量变频控制的异步电机调速也能达到 一定的精度，在多电机速度同步控制系统中普遍被采用。但是这种同步方式的 缺点很明显：当其中一台电机的负载受到扰动时，该电机的转速会发生一定程 度的波动，而另外一台电机的转速完全不受此影响，此时两台电机就失去了同 步关系【4 1 。虽然这一过程时间较短，但是在同步精度要求较高的场合，这种情 况是不允许的。 ( 3 ) 主从同步控制 主从同步控制方式利用台电机作为主电机，另外一台电机作为从电机， 主电机跟随给定速度，而从电机跟随主电机输出速度f 5 1 。主从同步控制结构如 图1 2 。在这种同步方式下，从电机以主电机的输出为输入，在理想情况下可 以实现很好的速度同步。但是当从电机发生负载扰动时，从电机的转速会发生 波动，而主电机不会受影响，虽然从电机会在较短的时间内又会跟上主电机的 转速，但是这一时间段内的速度不同步在某些场合也是不允许的。 图1 2 两电机主从同步控制结构图 2 ( 4 ) 基于速度补偿的同步控制 早在2 0 世纪8 0 年代k o r e n 就针对机床中的多轴加工提出了交叉耦合式同 步控制的思想【6 】；之后，s r i n i v a s a n 和k u l k a r n i 设计了一种时变的交叉耦合控制 器，控制参数会随着运动轨迹的变化而做出调整1 7 1 ；1 9 9 6 年，y a n g 和c h a n g 设计了交叉耦合自适应前馈控制，解决了双陀螺仪的同步运动问题博j 。实际上， 这几种同步控制的方案都是基于速度补偿的思想解决多电机同步运动的问题。 在基于速度补偿的同步控制方式下，各电机都以固定值作为参考转速，同 时将电机转速之间的差值引出，经过补偿控制器之后引入各电机调速系统。在 任意台电机的转速发生波动时，补偿控制器都将这种波动反映到两台电机， 通过调整之后两电机又能达到速度同步。图1 3 为基于速度补偿的两电机速度 同步控制系统结构图。 在这种同步控制方式下，两台电机能够检测到彼此转速的变化，并及时通 过补偿控制器的作用，产生补偿速度进行调节，使两台电机能时刻保持一定精 度的同步关系。补偿控制器的控制算法决定了两台电机的同步精度，p i d 控制 是常用的控制算法，能使两台电机达到一定程度的同步精度，可以满足一般场 合的使用。但在同步精度要求较高的场合，需要一种更好的控制算法才能达到 预期的效果。 图1 3 基于速度补偿的两电机速度同步系统结构图 1 3 速度补偿控制器的算法介绍 ( 1 ) p i d 控制 传统p i d 控制方法是控制理论中的经典控制算法，广泛应用于化工、机械、 冶金等生产行业。p i d 控制的原理是将偏差的比例、积分、微分这三个环节线 性组合构成控制量，对被控对象实施控制。随着计算机技术的发展，p i d 控制 技术从模拟p i d 发展到了数字p i d 。由于计算机控制是根据采样时刻的偏差值 计算控制量，因此数字p i d 是一种采样控制，以一系列的采样时刻点取代连续 的时间，主要代表有位置式p i d 控制和增量式p i d 控制【引。 ( 2 ) 模糊控制 模糊控制是将人的控制经验和知识转换成控制规则和模糊变量的隶属度函 数，经过模糊推理的作用，得到符合模糊逻辑思想的输入输出关系【1 0 】。模糊控 制模仿了人的控制决策过程，它不需要被控对象的数学模型，体现了智能控制 的思想。 ( 3 ) 神经网络控制 神经网络控制是指从功能上模仿生物神经网络的学习、识别和控制能力， 形成一个分布式的信息处理结构。神经网络结构一般由多个神经元组成，每个 神经元有多个输入和一个输出，每条输入通路对应一个连接权系数。常用的神 经网络结构有前馈神经网络、反馈神经网络、局部逼近神经网络等j 。神经网 络控制具有较强的适应和学习能力，适用于具有不确定性或高度非线性的被控 对象。 ( 4 ) 自适应控制 自适应控制适用于具有一定程度不确定性的系统，这种不确定性包括被控 对象数学模型的不确定性和外界扰动的不确定性。常用的自适应控制结构有自 校正调节和模型参考自适应控制两种。自校正调节系统通过一个辨识环节来实 时辨识被控对象的参数，再利用自适应控制律计算控制量，从而对被控对象实 施控制；模型参考自适应控制通过引入一个性能较好的参考模型，再将实际系 统的状态或输出与参考模型的状态或输出作比较，利用误差信号驱动自适应机 构来调整控制器参数f 1 2 】- 【13 1 。 本文设计的两电机速度同步控制系统中，速度补偿控制器的算法是影响同 步精度的重要因素。p i 控制可以达到一定的同步精度，在工业应用中普遍使用； 模糊控制具有模拟人的控制经验的能力，可以提高p i 控制的效果。本文将对比 p i 和模糊p i 两种控制算法在两电机速度同步控制系统中的使用效果，证明模 糊p i 控制算法的优越性。 1 4 本文的主要工作 本文以腈纶纺丝生产线为课题背景，设计了p l c 控制系统和w i n c c 监控 系统，提出了基于模糊p i 补偿控制器的多电机速度同步控制系统，并将该模型 在m a t l a b 中进行了仿真。本文的主要内容安排如下： ( 1 ) 在分析了多电机速度同步控制国内外发展概况的基础上，提出了基于 模糊p i 速度补偿控制器的多电机速度同步方式。 ( 2 ) 针对腈纶纺丝生产线的工艺特点，设计了基于变频调速的p l c 控制 系统，建立了p r o f i b u s 和m p i 两层网络结构，在采集生产线过程数据的基础 上，设计了腈纶纺丝生产过程w i n c c 监控系统，提高了全厂的信息化水平。 ( 3 ) 根据异步电机的数学模型和矢量控制理论，在m a t l a b 中建立了异 步电机本体模块和矢量控制算法模块，并在不同的给定条件下对异步电机矢量 4 控制系统进行了仿真，为多电机同步控制建立了基础。 ( 4 ) 建立了基于速度补偿的两电机同步控制m a t l a b 模型，针对采用传 统p i 补偿控制器时同步精度不够理想的情况，设计了模糊p i 补偿控制器，通 过仿真结果证明了模糊p i 算法的优越性。 ( 5 ) 对本文工作进行总结，并提出了需要进一步研究的问题。 5 第二章腈纶纺丝生产线控制系统设计 2 1 腈纶纺丝工艺原理介绍 腈纶纺丝装置是将纺丝原液( 丙烯腈、醋酸乙烯脂和甲基丙烯磺酸钠的三 元共聚物的硫氰酸钠溶液) 加工成具有使用性能的腈纶长丝束，供成品装置生 产短纤维或毛条装置生产毛条，也可以丝束形式出厂，纺丝装置同时供给回收 装置稀硫氰酸钠溶液【l 引。 腈纶纺丝工艺流程由以下十个部分组成： ( 1 ) 纺丝成形 来自原液装置的纺丝原液经计量泵计量后，再经烛形过滤器过滤。进入纺 丝组件后，从喷丝板小孔挤出进入凝固浴中，形成初生纤维。 ( 2 ) 溶剂牵伸。 初生纤维强度较低，丝束经不起高倍拉伸，所以先进行溶剂牵伸，提高初 生纤维的强度以便顺利通过水洗，降低纤维的直径以便在水洗工序中提高 n a s c n 萃取的效率。 ( 3 ) 水洗。 水洗的目的是从丝束上洗下有用的n a s c n ，以便回收重新利用，并防止在 后道工序中由于丝束中n a s c n 含量大于o 0 1 而引起纤维质量缺陷。 ( 4 ) 预热。 预热的目的就是提高丝束温度，以便丝束温度在热牵伸中达到玻璃化温度 以上，提高纤维的塑性，防止纤维在热牵伸中被拉断。 ( 5 ) 热牵伸和骤冷。 热牵伸使纤维断裂强度显著提高，延伸度下降，耐磨度和对各种不同类型 形变的疲劳强度也明显提高。为保持良好的牵伸效果，在热牵伸后采用空气骤 冷，以防止纤维回缩或被额外拉伸。 ( 6 ) 干燥致密化。 干燥致密化就是在一定温度、湿度下干燥，使微纤半径相应地发生收缩， 微纤之间的距离越来越近，最后达到微孔的融合。 ( 7 ) 汽蒸定型。 第一阶段，用加热及渗入增塑剂的方法使存在于纤维中的分子间的作用减 弱，并使纤维温度高于玻璃化温度。第二阶段，形成较大的超分子结构单元和 新的分子键。第三阶段，将纤维温度降至玻璃化温度一下，使所发生的结构变 化固定下来。 ( 8 ) 二次牵伸。 二次牵伸是在热水中对纤维进行低倍牵伸，其目的是将纤维进行拉直、理 顺和集束，以利于上油和卷曲。 6 ( 9 ) 调质上油。 调质的目的是提高丝束温度，将纤维软化，使纤维卷曲时不易损伤。上油 的目的是减小纤维间、纤维与金属的摩擦，以减小静电效应，改善纤维的弹性。 ( 10 ) 卷曲。 丙烯腈共聚物是线性大分子，在高温下具有塑性。在卷曲机的作用下，丝 束在卷曲箱内受到高温挤压而产生卷曲，经冷却后卷曲状态得以固定。 腈纶纺丝生产线控制系统本质上是一个多电机同步控制系统。在溶剂牵伸 部分，工艺要求前后电机的速度比为2 5 ，以保证初生纤维得到最佳的牵伸作 用；在水洗部分，工艺要求五个电机保持严格的等速关系，只让腈纶进行水洗 而不发生牵伸作用；在热牵伸部分，为保证腈纶的牵伸强度，要求前后电机的 速度比为5 ；在二次牵伸部分，要求前后电机的速度比为2 ；在调质上油之前， 为了保证腈纶具有恒定的张力，需要实时调节从电动机的速度。由此可知，腈 纶纺丝生产线控制系统实际上是由多个多电机同步控制系统组合而成。 2 2 腈纶纺丝生产线p l c 控制系统设计 2 2 1 控制方案设计 本系统采用p l c 变频控制。p l c 控制性能好，稳定性高，抗干扰能力强， 是首选的工业控制器。变频调速平滑性好，调速范围大，精度高，应用广泛。 本系统控制方案如图2 1 。e t2 0 0 m 是基于p r o f i b u s d p 现场总线的分布式 i o ，由于系统输入输出点数的要求，选用4 个e t2 0 0 m 以扩展4 个机架。 t d s p a 0 1 是p r o f i b u s 现场总线适配器，其作用是将变频器接入p r o f i b u s 网络。 图2 - l 腈纶纺丝多电机同步控制方案 7 s 7 3 0 0p l c 的c p u 选用3 1 7 - 2 d p ，该型号c p u 集成两个通信接口：第一 个接口支持m p i 通信协议，可以实现与上位机的通信；第二个接口支持 p r o f i b u s d p 通信协议，可以与e t2 0 0 m 、变频器组成p r o f i b u s 网络i l 川。 考虑到本系统有2 0 个交流供电的数字量输入，选用3 块8 * a c 2 3 0 vd i ，留 有4 点余量；2 9 5 个直流供电的数字量输入，选用l l 块3 2 * d c 2 4 vd i ，留有 5 7 点余量；1 4 1 个直流供电的数字量输出，选用6 块3 2 * d c 2 4 vd o ，留有5 1 点余量；4 4 个继电器型数字量输出，选用6 块8 * r e l a yd o ，留有4 点余量； 两路模拟量输入，选用1 块8 毒1 2 b i ta i ，留有6 路余量；4 4 路模拟量输出，选用 7 块8 掌1 2 b i ta o ，留有1 2 路余量。本方案输入输出模块类型和数量的选择，既 满足了现有系统的需求，又为系统今后的扩展留有一定的余量。 2 2 2p l c 硬件组态 s t e p7 编程软件是用于西门子s 7 、m 7 等系列p l c 编程、监控和参数设置 的标准工具。s t e p7 中的硬件组态工具是用于对项目工程中使用的硬件进行配 置和参数设置： ( 1 ) 系统组态：从硬件目录中选择机架，并将项目中用到的模块分配到机 架中希望的插槽中。分布式i o 和集中式i o 的配置方式相同。 ( 2 ) c p u 的参数设置：可以设置c p u 的启动特性、扫描监听时间等，输 入的数据存储在c p u 的系统数据块中。 ( 3 ) 模块的参数设置：用户可以设置硬件模块的可调整参数，包括功能模 块( f m ) 与通信处理器( c p ) ，而不需要通过d i p 开关来设置。 本系统硬件组态如图2 2 ： p s3 0 75 k ；t - ，。一一 c r l d l t 一2 舔p i ，d p _ 。_ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ - 一 钟 p r o f i b u s ( 6 # ) ：6 瓠_ 工n ed pm a s t e r 备( 1 8 ) t d s 。 圃 图2 - 2 腈纶纺丝多电机同步控制系统硬件组态图 在系统组态时，先放入机架，再选择模块加在相应的插槽位置上，如电源 模块p s3 0 7 放在插槽1 ，c p u 放在插槽2 ，d i 模块分别放在插槽4 7 。软件会 在i o 模块加入时自动生成地址，用户也可修改，以主机架上的i o 模块为例， 8 衙萨同 吖一吖一吖一ww约一约一约一眨一眩 圯一虻一虻一姗一如钕一叙一呶一铭一弛旺一吐一吐一吐一 一2盯露一。一。一；一。一，一。一。一m一 其i o 地址设置如图2 3 所示。 s 羞一舅曼蝗e o r d e rn m b e rf i r n m r i 盱ia a d r e s zi l d r e s sqi d d r e s sc o m e a t ： 1 1 p s3 0 75 6 e s 73 0 7 一l e o o 一0 从0 2 翻c f u3 1 5 2d r6 e s t3 1 5 - 2 j ，0 0 0 j 出02 2 2馐胛1 0 2 3 3 4d 1 8 x c 2 3 0 y6 e s 73 2 1 - l f f 0 1 0 从04 5 j d 1 8 x j 忙2 3 0 1 i ，6 e s 73 2 l 一1 f f 0 1 0 从0b 6 j d i s x c 2 3 0 v 6 e s 73 2 l i f f o l - o a a o 1 2 7 j d 1 3 2 x d c 2 4 v6 e s 73 2 l 一1 b l 0 0 0 01 6 l g 8 瞄 d 1 3 2 x d c z 4 v6 e s 73 2 l - i b l 0 0 0 从02 0 2 3 g 图2 3i o 模块组态地址分配图 本系统硬件组态网络中除去p l c 部分的模块以外，主要就是t d s p a 0 1 现 场总线适配器。通过t