（农业机械化工程专业论文）禽蛋白质自动检测系统的调速控制研究.pdf

摘要 在禽蛋品质自动检测分级过程中，维持稳定、精确的传输速度是自动检测分级 系统的重要的环节。本课题组已试制的禽蛋品检测设备采用手操调速以实现定速。 手操调速精度低、周期长、实时性差，已不能适应禽蛋品质自动检测分级控制的需 要。因此，在禽蛋品质自动检测分级过程中实现基于计算机的速度监控功能是必要 的。 本文设计了模糊速度控制器并应用于异步电动机变频调速系统中。首先通过数 据采集卡对电机转速脉冲信号进行记数而得到异步电动机转动速度数据，然后运用 模糊控制算法对数据进行运算得到控制量，最后计算机向变频器发送控制信号实现 电动机转速的控制。 系统由硬件和软件组成。硬件是由计算机、r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器、变频器、异 步电动机、光电传感器、脉冲信号整形电路、p c l 8 1 8 h 数据采集卡和外部执行机构 组成的系统。 软件设计分两个方面进行。首先，利用m a t l a b 软件中的模糊逻辑工具箱对异 步电动机单闭环调速系统进行计算机辅助设计，并应用s i m u l i n k 进行动态数字仿 真而获得最优控制参数。其次，运用v i s u a l c + + 编制出基于w i n d o w s 系统的蛋 品检测调速监控工控软件。程序由五个模块组成：主程序模块，控制模块，数据存 储模块，报警模块。其中主程序模块负责用户界面的刨建、显示、各种设备的初始 化和信号采样工作；控制模块采用模糊控制算法对蛋品检测调速系统进行监控和对 异步电动机转速的实时控* j h 数据存储模块将在线数据存储到数据库里，以便查询 与分析，用户根据需要也可以通过表格，曲线图等形式对存储数据或在线实时数据 进行显示；报警模块在系统出现异常情况下可以给出报警信号，且在出现严重故障 时系统自动停止工作。 试验表明，系统对异步电动机转速能实时检测和控制，参数检测精度达- v 1 个脉 冲；模糊控制器设计正确，过度过程超调量小，响应时间短，系统振荡大幅度降低， 对随机干扰敏感废低，能有效抑制扰动的影响，提高了系统的稳定性。 关键字：模糊控制算法；交流调速；变频器；仿真 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so ft h eq u a l i t ye v a l u a t i o na n da u t oc l a s s i f yt h ee g g ，r e m a i n i n gas t e a d y a n da c c u r a t et r a n s l a t ev e l o c i t yi so n eo fi m p o r t a n tp a r ti na u t ot e s ta n dc l a s s i f ys y s t e m n o w , c h a n 垂n gt h er a t i oo fv e l o c i t yb yh a n di st h em a i nm e t h o dw h i c ha p p l i e di nt h et e s t a n dc l a s s i f yt h ee g gq u a l i t y , a st h i sm e t h o di sd e f i c i e n ti nt h el o n gt e s tc y c l ea n db a d r e a l t i m e ，s oi t i sf a rb e y o n dt h en e e do ft h eq u a l i t ye v a l u a t i o na n da u t oc l a s s i f ys y s t e m ， t h u s ，i ti sas i g n i f i c a n c ew o r kt or e a l i z em o n i t o r i n gt h ev e l o c i t yb a s e do nc o m p u t e r i nt h i sp a p e r , d e s i g naf u z z yc o n t r o l l e ra n d a p p l i e d t ot h ei n d u c t i o nm o t o r s p e e d f r e q u e n c yg o v e r n i n gs y s t e m f i r s t ，t h ec o m p u t e rc o l l e c t st h ed a t ao fs p e e ds i g n a l f r o md a t aa c q u i s i t i o nc a r da c c o r d i n gt os a m p l i n gf r e q u e n c y t h e no b t a i no u t p u tv a l u e u s e st h ef u z z ya r i t h m e t i ct ot h es p e e ds i g n a l l a s t l y , t h ec o m p u t e rs e n dt h eo u t p u tv a l u et o i n v e r t e rs oi tc a nc o n t r o lt h es p e e do ft h em o t o ra c c o r d i n gt od e m a n do fc u s t o m e r t h e s y s t e mi sc o m p o s e do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ei n c l u d e sc o m p u t e r , d o u b l ec o m m u n i c a t i o nc a b l e ，r s 2 3 2 r s 4 8 5c o n v e r s i o n ，i n v e r t e r , s e n s o r , p u l s es h a p i n g c i r c u i t ，p c l - 8 1 8d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n de x t e r i o re x e c u t em a c h i n ee t c t h es o f tp a r ti n c l u d e st o wa s p e c t s f i r s t l y , m a t l a ba n di t ss i m u l a t e dt o o l b o x e s g i v eu sa b u n d a n tt o o l sf o rc o n t r o ls y s t e mc a dd e s i g na n dd y n a m i cd a t as i m u l a t i o n o b t a i nt h e o p t i m i z ec o n t r o lp a r a m e t e r sb ya g a i na n da g a i nt e s t s s e c o n d l y , u s ev ct o p r o g r a mt h ei n d u s t r yc o n t r o ls o f t w a r et om o n i t o rt h et r a n s f e rs p e e d t h ep r o g r a mi sm a d e u po ff i v em o d e l s ：m a i np r o g r a mm o d e l ，c o n t r o lm o d e l ，d a t as h o w s a v em o d e l ，a n d a l a r mm o d e l t h em a i np r o g r a mm o d e lr e s p o n s ef o re s t a b l i s h i n g & s h o w i n gt h eu s e r s i n t e r f a c e ，i n i t i a l i z i n gv a r i o u se q u i p m e n t sa n dc o l l e c t i n gt h es i g n a l s ；c o n t r o lm o d e l e x e c u t e st h ec o n t r o lp r o c e s sa c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lf r e q u e n c y i ta d o p tf u z z yc o n t r o lt o m o n i t o rt h et e s ts y s t e m ；d a t as h o w i n ga n ds a v i n gm o d e li st os a v et h ed a t ai nd a t a b a s eo n l i n e ，i t se a s yt os e a r c ha n da n a l y z e ，a n da l s ot h eu s e rc a ns h o wt h ed a t ao nl i n ei nt a b l e a n dg r a p hf o r m s t h ea l a r mm o d e l 毋v e st h ea l a r ms i g n a li na b n o r m a lc o n d i t i o n ，i tc a n a u t os t o pt h es y s t e mw h e ns e r i o u sf a u l th a p p e n e d ，a n dr e m i n dt h ew o r k e r st or e p a i ri t t e s t si np r a c t i c es h o w st h a t t h i ss y s t e mc a nd e t e c ta n dc o n t r o lt h ea s y n c h r o n o u s m o t o r7 s v e l o c i t yi n r e a l - t i m e t h ep a r a m e t e r sd e t e c ta c c u r a c yi s 1p u l s e s ；t h e c o n t r o l l e rd e s i g n sr i g h t ，w h i c hc h a r a c t e r i z e si nl i t t l eo v e r s h o o t ，s h o r tr e s p o n s et i m e ， r e d u c e st h ev i b r a t ep o s s i b i l i t y , r e s t r a i nd i s t u r b a n c e ，i m p r o v e st h es y s t e ms t a b i l i t y k e y w o r d s ：f u z z yc o n t r o la r i t h m e t i c ；a cd r i v e s ；i n v e r t e r ；s i m u l a t i o n 乍中农业大学2 0 0 5 届硕i ：毕业论文 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 在禽蛋品质自动检测分级系统中，禽蛋输送带的带速直接影响蛋的检测分级精 度。为了获得要求的检测分级精度，系统工作时应稳定在调速范围内的某个要求的 转速上运行。为此输送带电机及其调速装置应有足够的调速范围、稳速精度、快速 性和平稳的启动及制动能力。 速度控制是生产机械对电气传动及其控制系统提出的重要要求。异步电动机作 为电能转换成机械能的主要装置，对速度控制也就是对异步电动机的控制和调节。 在实际应用中，一是要使异步电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产 机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度【1 0 】。例如电梯、起重机或其他有准确 停车要求的机械设备都要求在起动和制动过程中速度缓慢变化或停车前减低运行速 度以实现准确停车；机床加工工件，必须选择最经济的切削速度，在此速度下加工 时能够发挥机床和刀具的最大功效。在传送带传送过程中，如本文的鸭蛋品质检测 调速系统，为了使检测系统软件设置与分级、传输等机构同步，必须能使传输带速 度保持一致，在外面出现扰动的情况下能够自动修正，维持设定的运行状态，这样 使系统在分级或者敲击过程中能够准确运作。目前检测系统传送带的控制处于人工 操作方式，开环控制，电机在额定的频率下运行，技术管理人员对参数的设置、管 理和操作基本还是人工操作和人工监视，大大影响了工艺水平和管理水平的提高， 以至容易出现生产的不稳定性、成本高、调节时间长、工作效率低等问题，以至造 成经济上的损失。因此，对异步电动机的速度检测、操作监视、自动控制以成为工 业生产管理及其自动化的关键问题。若能采用计算机技术对调速过程进行实时控制， 管理操作，不但能够解决上述存在问题，而且可以降低技术入员的劳动强度，提高 自动化水平。因此，研究和开发计算机控制技术在鸭蛋品质检测调速系统中应用， 具有重要的现实意义。 在众多的调速技术中，因为交流电机变频调速在频率范围，动态响应，调速精 度，低频转矩，功率因数，工作效率，高速和大容量化等方面都有着优越的特性， 交流电机变频调速技术已成为当今节电、改善工艺流程、提高产品质量、推动技术 进步的一种手段，是当前电气传动的主要发展方向之一。使用变频调速技术在能源 利用和工业节能等方面均有重要意义。目前，高性能交流调速系统的研究和开发已 引起了各国学者的高度重视，研制高性能和结构简单的交流电动机调速系统是普遍 关注的课题。 禽蛋品质自动检测系统的训速控制研究 1 2 文献综述 1 2 1 电动机调速控制发展趋势 电动机调速控制是指以各类电机为动力的传动装置“。因电机种类的不同，有 直流电动机调速、交流电动机调速等。直流调速控制即对直流电动机的速度控制。 由于直流电动机中产生转矩的两个因素电枢电流和励磁磁通相互没有耦畲，并 可以通过相应电流分别控制。在额定转速以下，保持励磁电流恒定，可以改变电枢 电压的方法实现恒转矩调速：在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁 的方法实现恒功率调速。因此直流电动机调速时易获得良好的控制性自2 及快速的动 态响应，在调速控制领域中过去一直占据主导地位。充分体现了直流电动机的优良 动态性能，如直流电动机调速方便且调速范围广，只要改变电机的输入电压或励磁 电流就可以实现大范围的无极调速，而且在磁场一定的条件下它的转矩和电枢电流 成正比，转矩易于控制等。然而由于直流电机结构上的特点，需要设置机械换向器 和电刷，使得直流调速存在结构性缺陷【3 】：1 机械换向器结构复杂、成本增加，同 时机械强度低，电刷容易磨损，需要经常维护，影响运行可靠性。2 由于运行中电 刷易产生火花，限制了使用场合，不能用于化工、矿山、炼油厂等有粉尘、腐蚀、 易燃、易爆物质或气体的恶劣环境。3 由于存在换向的问题，难于控制太容量、高 转速及高电压直流电机，其极限容量与转速乘积被限制在1 0 6k w r m i n ，使得目前 3 0 0 0 r m i n 左右的高速直流电动机，最大容量只能达到( 4 0 0 5 0 0 ) k w ；低速直流 电动机也只能做到几千千瓦，远远不能适应现代工业生产想高速容量发展的需要。 交流电动机没有以上缺点。另外，交流电机尤其是笼型异步电动机，由于结构 简单、制造方便、造价低廉、坚固耐用、无需维护、运行可靠，更可用于恶劣的环 境之中，特别是能做成高速大容量。因此，人们一直在探索利用交流电动机替代直 流电动机进行转矩、速度及位置控制的方法。 1 9 7 1 年e b l a s c h k e 等人提出矢量控制技术，开创了交流电机高性能控制的新时 代，这种控制方法是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机的控制转矩的 规律1 4 4 1 1 4 6 1 。但矢量控制也有不尽人意之处，围绕着交流电机矢量控制的缺陷，如系 统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等问题，国内外学者进行了大量 的研究，其中有基于电机磁场理论的磁场轨迹控制法、直接转矩控制法；基于现代 控制理论的滑模变结构技术、采用微分几何理论的非线性解耦控制 。1 等。这些方法 使系统性能得到改善，但它们仍是建立在对象的精确数学模型基础上，有的则需要 多传感器、观察器，因而结构复杂，有的还无法摆脱非线性和电机参数变化的影响。 传统的交流传动控制系统大都是采用p i d 控制器它具有结构简单、稳定性较好、可 靠性较高等特点，但通常不能有效克服负载、模型参数的大范围变化及其非线性因 素的影响，在高精度、高速度的场合并不能满足使用要求【2 1 j 等。为了有效解决以上 2 望! 壅些叁兰! ! ! ! 旦塑! 兰、业笙兰 系统的控制问题，近年来研究人员将不依赖电机模型的新自适应控制、模糊控制、 人工神经网络控制等智能控制策略引入交流调速系统中，取得了一定的进展，并且 成为交流调速控制理论、控制技术新的研究发展方向。 1 2 2 变频调速技术在交流调速系统中的应用研究现状 根据异步电动机的工作原理可知，从它的转速公式【2 4 】 ，l ；! ! 二兰2 鱼q p 由以上可知，改变异步电动机转速可以通过三种方式进行：改变电动机的旋转磁场 的磁极的对数p 调速一变极调速；改变转差率5 调速变转差率调速：改变供电频 率，调速一变频调速。具体的调速方案很多，目前获得广泛应用及带有方向性的方 法概述如下：1 ) 调压调速调压调速实质上是一种改变转差率s 的调速方法。它是 改交加于电动机定子绕组的电压进行调速的，主要采用晶闸管进行控制。2 ) 串极调 速串极调速是在转子回路接入附加电势的调速方法。其原理是在转子回路中接入一 个和转子同相、同频率的反相电势，以减小转子电流，进而减小电磁转矩，电动机 的速度随之减低，转差率增大。3 ) 变极调速变极调速就是在电源频率定的情况下， 改变定子绕组的极对数，使同步转速发生变化。如果极对数增加一倍，同步转速就 下降一半。4 ) 变频调速变频调速是改变加到交流电动机定子绕组电源的频率来改变 转速的调速方法。其特点是机械特性较硬，在一定的静差率要求下，调速范围广， 稳定性好。由于频率可以连续调节，因此变频调速为无极调速，平滑性好。 在以上各种调速方法中，应用范围最广和最有发展前途的交流调速方法无疑就 是变频调速。使用这种方法对异步电动机进行调速，其调速特性与直流电动机调压 调速或弱磁调速十分相似，并可以与直流调速媲美【1 6 】。变频调速以变频调速器( 变 频器) 向交流电动机供电，并构成开环或者闭环系统。变频器是把固定电压、固定 频率的交流电变换成可调电压、可调频率的交流电的变换器。2 0 世纪6 0 年代以后， 尤其是2 0 世纪8 0 年代以后，由于科学技术的迅速发展，尤其是电力电子技术的飞 速发展，使得变频调速器发展进入了第四代，以其优良的性能使得在炼油、石油化 工、煤炭、电力、水利等部分得到广泛的使用。如罗杨波等2 0 0 2 年将交流变频技术 应用于广东三水佳力电源器材制造有限公司压风机房原有的一台1 3 8 k w 的罗茨空 气压缩机，实现了无冲击软起动，改善电网用电安全，减少机械磨损并且达到了高 节电率，电动机在3 0 h z 3 5h z 频率段运行3 2 8 个小时后省电4 4 4 0 k w h 2 6 】；周志文 等在某厂的卷绕式镀膜机上张力控制系统中使用变频调速器代替原来的直流调速系 统并能成功实现【2 司；胡洪青在浙江铝业股份有限公司溪西水泵房的两台离心水泵采 用变频调速并采用p i d 闭环控制方式，经过近两个月的运行，运行正常稳定、安全 可靠，变手动操作为自动控制，技术装备水平得到提高，操作方便；平均运行频率 禽 f 品质自动榆测系统的训速控制研究 从5 0 h z 降到了4 3 6 9 h z ，月耗电由1 6 0 4 万k w h 降到了1 1 3 2 万k w h ，节电2 9 4 【2 7 1 ： 李建生打破传统档板调节控制风量方式，改为变频调速系统调节风量，在将华蓥山 电厂8 台引送风机改造为高压变频调速系统控制，采用了先进的拓扑结构与输入变 压器副边多级绕组移相整流技术，减小输入测的电流谐波提高功率因数解决了对电 网的谐波污染无需任何滤波或功率因数的补偿，适用于普通交流电动机，在运行过 程中系统运行稳定【“j ；黄敏把变频调速器应用在d f s 4 0 0 5 板式输送线中，操作非常 方便，使用数字量及数字代码形式输入，运行过程中也能修改参数，运行实践证明， 采用变频调速方式还具有节能效果( 3 4 1 ；姚文平针对兴隆庄煤矿运输系统中大多数采 用“全压直连”的启动方式，对电器系统、机械传动系统造成较大的冲击，尤其对 运输胶带造成直接的载荷冲击，造成皮带加速老化，可能出现皮带接头处有时突然 拉断，形成停车等问题，应用了变频调速软驱动方式，通过改变电源电压及频率来 实现恒功率软启动、无极调速1 2 9 j ：山西焦煤集团公司屯兰矿王小斌把变频调速技术 应用于带式传送机 3 】；张万忠把变频调速技术运用于多级胶带输送机，实现了胶带 机的软启动，启动时的机械冲击可以大大减小，改善了由于胶带机要考虑重载启动 工况，电动机及机架钢结构均设计比较粗重的缺陷【1 8 1 。这些应用充分体现了变频调 速调速范围宽，平滑性好等特点，并且能减小冲击电流作用时间和电能的损耗，大 大减小了启动电流对电网的冲击力，减低对电源系统的技术要求。 1 2 2 模糊控制技术在交流调速系统中的应用研究现状 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是基于规则的一种智能控制方式，它的基本思想是 用机器去模拟人对系统的控制，就是在被控对象的模糊模型基础上运用模糊控制器 近似推理等手段，实现系统控制的一种方法。1 9 7 4 年，m a m d a n i 首次用模糊逻辑和 模糊推理实现第一台试验性蒸汽机控制，开始了模糊控制在工业中的应用。模糊控 制利用人的经验知识、技巧和直接推理，不依赖被控对象( 或过程) 的精确数学模 型1 4 5 l ：对被控对象特性参数的变化具有较强的鲁棒性；对于控制系统的干扰具有较 强的抑制能力等优点。由于电力电子变换器性能的改善和微处理器能力的增强，在 交流传动系统中引入复杂的控制算法完全成为可能【3 0 j 。把模糊控制应用在交流调速 系统中，它采用转速模糊控制器，全部由微机实现。转速模糊控制器运行时，采样 转速值n ，求出转速偏差c ，转速偏差交化率e c ，并乘以转速偏差、转速偏差变化率 的量化因子k 、k 。，即得：e = e + k c ，e c = e c * k 。，然后根据e ，e c 查询转速模糊控 制表得到控制量输出控制变频器频率输出量。模糊控制实现过程方便，控制效果明 显，因此，近年来，许多学者将模糊控制技术引入电气传动系统，特别交流调速控 制系统研究。张焰等人将模糊控制器应用于分切枫变频调速系统中，证明了模糊控 制器不仅能用于低速采样系统，而且完全能用于高速采样系统，从而拓广了模糊控 制器的应用范围【1 3 】；蒋海锋等人把无差模糊控制技术用于单片机的变频调速系统中， 4 华中农业大学2 0 0 5 届硕一l 毕业论文 实现了无差模糊控制，满足了多级同步运行的要求，通过在线实时检测张力，保证 了系统运行时织物张力的恒定，结果表明了该系统动、静态性能好、鲁棒性强、可 靠性高【3 6 l ；赵金等针对滑差频率矢量控制交流调速系统，提出并设计了一种模糊滑 模控制算法对速度环进行控制，该系统具备模糊逻辑控制和滑模控制两者的优点， 并且较好地解决了滑动模态的抖动问题；同时该控制算法具有结构相对简单、容易 实现、能使系统获得优良的动静态性能等特点【3 ”。陈霞在变频恒压供风系统的应用 中，剥用给定压力信号和反馈信号，通过模糊推理运算，产生o 5 v 控制电压调节 转速，从而控制供风量的大小，在系统调试过程中，采用模糊控制方法的供风系统 过渡过程超调量小，具有良好的静态特性，实测运行时，对于给定压力0 5 m p a ，其 压力变化仅为0 0 2 4 m p a ，对随机干扰敏感低，能有效抑制扰动的影响，结果表明这 种控制方法完全能满足现场的要求【1 9 j ；郎郎等为了实现水泵运行节能和有消防保障 的恒压供水，将模糊控制技术引入供水控制系统，在恒压状态下运行时，设定值从 0 0 2 o 6 m p a 内任意设定，误差小于0 0 1 m p a ，压力从o 0 6 m p a 的响应时间为 2 m i n 3 8 s ，并且节能明显【3 2 】。另外，针对模糊控制系统中的一些问题，如模糊控制器 参数在控制过程中不变而会影响到变频调速系统响应速度和控制精度，因此，国内 外研究人员提出了许多改进的方法。付兴武在设计通过变频调速实现恒水压控制供 水系统中设计出f u z z y p i d 控制器，f u z z y p i d 控制器在大误差范围内采用模糊控 制，以提高动态晌应速度，在小误差范围内采用p i d 控制，引入积分控制作用以消 除静态误差，提高控制精度1 5 j 。这种方法是模糊控制与p i d 控制相并联，但是参数 固定的p i d 控制又在一定程度给系统带来动态与静态之间的矛盾，模糊控制的优势 没有完全体现。针对这个问题，b o s ebk 较早地进行了自组织模糊控制器用于电机 调速系统的研究，提出了直接修改模糊控制表算法【钙j ；t d u 讨论了参数自适应模糊 控制器在变频调速中的应用，在一定程度上解决了常规模糊控制器的参数在控制过 程中不变而满足不了变频调速系统响应快速且稳态精度要求高的问题【4 9 】；t r a nj h 等人将自组织模糊控制器用于伺服系统的控制，它包括性能评估和自适应两个环节， 采用学习的方法自动精调模糊控制规则【3 7 】；张跃勤提出了模糊自校正控制器使p i 调节器跟随误差变化而动态变换，从而使系统其有的较强鲁棒性和p i 控制削弱稳态 误差的功能1 1 5 j ；刘庆荣等提出了一种基于模糊逻辑系统的自学习控制方法，并将此 技术引入电液速度伺服系统之中，通过仿真结果可以看出，采用自适应模糊控制系 统，对基本模糊控制器的参数进行修正，使得系统的控制性能得到了明显的改善， 输出能够较好的跟踪输入1 9 j ；王鼎媛等在交流调速中引入了神经网络的自适应模糊 控制技术，通过交流调速系统的仿真实验表明，使用该控制方案后，控制器对系统 的动态性能和静态性能都有很大的改善，它特别适用于那些系统结构复杂、干扰大 且控制精度要求高的场合，它能很好地满足系统的要求【4 l ；李玉东等在交流调速系 统研究，充分利用神经网络的自学习适应能力和快速计算能力，提出了动态神经网 禽蛋品质自动检测系统的_ 【| ； 速挖制研究 络自组织模糊控制控制方案，通过大量仿真实验表明，浚控制方法具有鲁棒性强、 稳定性好、无静差和抗干扰能力强等优点【1 2 】。 1 3 课题的研究目标 从以上各方面的发展现状可以看出，目前交流电机变频调速技术已臼趋完善， 变频调速器用于交流异步电动机调速，其性能胜过以往任何一种交流调速方式，而 且结构简单，因而成为交流电动机调速的最新潮流。基于此，在本系统中引入了交 流变频调速技术。另外，本系统采用的是三相异步电动机，三相异步电动机是一个 高阶、非线性、强耦合的多变量系统；输送带是一个具有粘弹性体，带式输送机系 统可以认为是弹簧一质量系统f 3 】；当运输系统启动或负载变化时输送带的张力波传递 和变化是一个复杂的动态过程，因此无法准确建立系统的数学模型。针对这个问题， 把模糊控制引入调速系统，以达到满意的控制效果。 本课题制定如下目标： 1 根据选用传感器设计传感器电路以及有关接口电路。 2 根据p c l - 8 1 8 h 卡的功能特性与其公司提供的二次开发软件包设计参数数据 的采集和控制量输出程序，完成调速系统的部分输入输出设计。 3 引入变频调速技术，设计变频器与计算机的接口电路，并实现其与计算机的 模拟输入，串口通讯功能。 4 用c + + 编程规范，编写模糊控制算法程序 5 用m i c r o s o f tv c 6 o + + 开发蛋品检测调速系统的工控软件，并将以上控制方 案用于交流电动机速度控制，通过反复实验验证其有效性和实用性。 1 4 课题研究的技术路线 根据以上研究目标本课题的任务与技术路线如图1 1 所示 研系总系 系 刀 结 统问 且 究统体统统 论 试 目 仿 方 硬 软 斗 验 与 标真案件件 与 改 题 凹 l 确分构设 陵 分 进 的 提 出 定 析建计计 析 图1 1 研究任务及技术路线图 f i g l 1t h e t a s k o f r e s e a r c ha n dt h em e t h o do ft e c h n o l o g y 6 兰! 坐些奎兰! ! 堕旦塑! 三望些堡塞 第二章系统总体设计 2 1 系统控制要求及总体设计思想 蛋品检测过程中，为了准确根据检测结果进行分级处理，要求电动机稳定调速 范围内的某个要求的转速上运行；希望有足够的调速范围、稳速精度和快、平稳的 启、制动能力。系统控制的主要目标，是系统在调速范围内调速平稳，且速度尽量 不受负载变化、电源电压波动、环境温度变化等因素影响。为了实现蛋品质检测分 级系统中传输机构速度的一致，本人设计了基于计算机的数字异步交流变频闭环调 速系统，计算机是监控系统的核心，采用高级计算机语言v c + + 编写工控软件，主 要对执行机构( 变频器) 进行管理与操作，对控制装置发布命令，给定被控参数， 定时对反馈信号进行扫描，判别是否符合给定的工作点，然后根据要求按照控制算 法处理后发出相应的控制信号。由于系统主要对电机速度进行采集，再加上控制， 存储，报警的功能模块，如果用单线程实现以上功能，会出现时间上冲突，甚至死 机现象，因此，采用多线程能够高效率的利用c p u 运行时间，提高监控系统的实时 性。 2 2 控制方案的选择 由于被控对象的不同和对控制性能的要求也千差万变，控制方案也不尽相同。 根据本检测调速系统的控制要求，提出了以下三种控制方案。 1 可编程控制器( p l c ) 控制系统 p l c 目益广泛用于工业控制中，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成顺序 或定时的闭环控制功能，并且可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，在恶劣环境下 也能长时间运行，编程简单，且维修方便，具有各种通讯接口和模块，易于与计算 机相连。使用p l c 控制系统，可以通过p l c 的串口或者d a 模块控制变频器的输 出频率。这种方法的缺点就是人机交互性能较差，不能够实时显示控制过程中参数 变化情况，不利于用户采集数据进行系统性能分析。 2 工业控制计算机控制系统 工业控制计算机控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种高 技术含量的控制方式。在调速系统中使用这种控制方式是以工业控制计算机为主控 单元，通过外围接口器件如串口，带有a d 、d a 模块的数字采集板卡等直接应用 变频器对异步电动机的速度控制上，同时利用传感器组成闭环回路式的控制系统， 达到精确控制的目的。 3 工业控制计算机及p l c 主从控制方式 7 禽出品质自动榆测系统的调速控n i j f ) p l c 与工业控制计算机结合，通过串口传输数据而构成的计算机数据采集系统， 对传输距离比较近的现场控制，是一种性能价格比较优的数据采集方案，它的优点 是能够结合以上两种控制方式的优点。但是，用这种方法构成的调速控制系统，由 于使用过多的控制设备成本就会比以上两种控制方式要高。 在分析以上控制方案优缺点后，考虑原先蛋品检测系统是基于工业控制计算机， 从利用现成资源和节约总体成本的角度考虑，本调速系统采用工业控制计算机控制 方式。 2 3 系统仿真分析及控制策略的选择 2 3 1 变频器与异步电动机驱动系统模型的建立 要对系统进行仿真分析必须建立其数学模型，本系统由控制器、变频器与异步 电动机组成，其中控制器由m a t l a b i s i m u l i n k 工具箱提供。变频器与异步电动 机由于存在多变量、非线性、强耦合等大量因素。很难建立系统的精确模型，因此， 需要对系统进行简化。目前工程上实用的设计方法是将数学模型简化成单变量的线 性系统。 由参考文献【1 7 1 ，得 ( 1 ) 变频器p m w 控制电路的简化模型表示为一阶环节来表示 其传递函数为： g l 。 z ：s + 1 其中正平均控制滞后时间，等于0 6 r ，f 为为加速时间( 即频率上升到5 0 h z 的时 间) ，k 。为整流器的电压放大系数。 ( 2 ) 异步电动机的简化模型 在忽略异步电动机旋转电势的影响，忽略励磁电流的影响和假设气隙磁通幅值 在动态中不变后，可以得到异步电动机的近似线性化传递函数f 6 l ： g w 一羔 其中k 。为异步电动机的传递系数，为异步电动机的机d g 时f a q g - 数。 2 3 2 蛋品检测速度控制系统仿真分析 蛋品检测调速系统由控制器、变频器、异步电动机等组成的闭环系统。其系统 结构图，如图2 1 华中农业大学2 0 0 5 届硕一l 毕业论文 设定值 速度 p 一兰竺卜臣到异机卜 图2 1 调速系统结构图 f i g 2 1t h e s t r u c t u r ed i a g r a mo fs p e e dr e g u l a t i n gs y s t e m 为了选择最优的控制策略，验证系统的正确性，先对系统速度的响应特性进行 仿真。为了比较传统p 1 d 控制算法和模糊控制算法在电机参数变化或者负载突变时 的控制效果，本人分别对转速的阶跃响应、稳态调节、电动机参数变化、负载突变 时的响应特性进行仿真，对采用两种不同控制器时的情况进行比较。在仿真实验中 使用m a t l a b 高级语言，同时利用其s m u l i n k 工具箱进行模糊控制系统的设计 1 2 4 3 7 】【3 8 】，设计系统仿真模型如图2 2 图2 2 系统的仿真模型 f i g 2 2s i m u l a t i o nm o d e lo fs y s t e m 图2 3 变频器与异步电动机简化模型 f i g 2 3t h es i m p l em o d e lo fi n v e r t e ra n di n d u c t i o nm o t o r 模型中，t r a n s f e rf c n 为变频器的传递函数 9 禽噩品质自动检删系统的侧速控, n t i j f 究 t r a n s f e rf c n l 为异步电动机的传递函数； k e ，k e c ，k u 分别为输入e ，e c 的量化因子和输出t l 的比例因子。 没定参数值k ：= 1 0 1 ，t = 1 8 ，k = 2 9 ，z 厶= o 2 1 ，k e = 8 ，k e c = 0 5 ，k u = i ： k p = 0 9 5 ，k i = 1 0 3 ，k d = 0 2 6 。 ( 1 ) 速度阶跃响应特性 给定系统的1 0 个单位转速阶跃输入信号，在不同控制 器作用下得到相应的转速阶跃响应曲线如图2 4 ，其中( a ) ，( b ) 分别为系统在模糊控 制器，常规p 1 d 控制器下的响应曲线。 ( a ) ( b ) 图2 4 输入速度阶跃响应曲线 f i g 2 4s i m u l a t i o nr e s p o n s eo fi n p u ts t e pw a v e ( 2 ) 转速的稳态调节特性给定转速输入阶跃，在系统输出稳定后，把转速信号 从1 0 个单位变化到1 5 个单位，速度调节特性仿真曲线如图2 5 所示。 ( a )( b ) 图2 5 转速调节特性曲线 f i g 2 5t h e c u r v eo fs p e e dr e g u l a t i n gc h a r a c t e r i s t i c 1 0 兰! 堡些叁兰! ! ! ! 旦堡主兰些堡塞 ( 3 ) 负载扰动时的响应特性在系统输出稳定时，在第5 秒钟突加0 5 个单位的 负载扰动阶跃信号，对应的系统响应曲线如图2 6 所示。 ( a ) ( b ) 图2 ：6 负载扰动响应曲线 f i g 2 6s i m u l a t i o nr e s p o n s eo fd i s t u r b a n c ew a v e ( 4 ) 系统参数变化时的响应特性在控制器参数不变，异步电动机传递函数参数 变为j ( 。= 1 0 ，z k = o 5 时的阶跃响应曲线如图2 7 ( a )( b ) 图2 7 速度阶跃响应曲线 f i g 2 4s i m u l a t i o nr e s p o n s eo f i n p u ts t e pw a v e 仿真分析： 从图2 4 中可以看出，系统的单位阶跃输入为1 0 个单位时，模糊控制下系统从 零到1 0 用了2 秒钟，几乎没有超调；p i d 控制下最大超调量达到了2 5 ，响应时间 需要2 , 7 秒钟。在单位阶跃从1 0 到1 5 个单位的调节过程中，如图2 5 所示，在模糊 控制下系统调节过程平滑，无超调，响应时间为1 秒钟；p i d 控制下出现振荡现象， 超调2 5 ，响应时间为3 秒钟。负载扰动仿真实验中，如图2 6 模糊控制下系统速 1 1 禽蛋品质自动榆测系统的调速择制研究 度出现小幅度的减低，但是经过0 5 秒钟后便恢复到正常控制状态，整个过渡过程 平滑，无超调；p i d 控制下出现速度急剧下降，并且出现强烈的振荡，达到稳定状 态需要2 秒钟的时间。图2 7 为改变电机传递函数参数后的单位阶跃响应仿真曲线 图，从响应曲线图中可以看到，系统参数变化时对模糊控制器的控制效果影响不大， 仿真曲线跟参数变化前变化不大：而采用p i d 控制器动态控制效果变差，阶跃响应 曲线出现振荡发散，过度时间较长，系统出现不稳定现象。 根据以上分析，p i d 控制虽然可以达到一定的效果，但是当电机参数变化、负 载变化时，参数变化的适应能力比模糊控制差。另外，仿真分析也验证了模糊控制 不依赖被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，鲁棒性强，因此在 本调速系统中本人采用模糊控制策略。 2 。4 软件运行环境和开发环境的选择 在设计中一定要保证调速系统能够正常的运行和整个检测系统的安全，因此在 选择软件运行环境和开发环境时把这些因素放在首位。w i n d o w s 9 8 系统的不可靠性 是众所周知的，因为它经常出现莫名其妙的死机问题，为了避免以上问题，本人不 选用它作为调速系统软件的操作系统。w i n d o w s 2 0 0 0 是以原来w i n d o w s n t 为内核 而开发的新型操作系统，它是个多任务、多用户的操作系统，图形界面美观，运行 良好，尤其是其高级服务器版本的安全可靠性被广泛认可，因此本人选择了 w i n d o w s 2 0 0 0 系统。 在调速系统设计中，前期蛋品检测包括新鲜度检测、蛋芯颜色检测、破损检测 以及分级上位机程序都是在v i r s u a lc + + 开发平台上开发成功的。由于本调速系统是 蛋品检测系统的一部分，在通过调试后还需要嵌入原先开发的系统中。使用同样的 开发平台可以很好解决这个问题。因此本人选择了v i r s u a lc + + 作为蛋品检测传动控 制系统软件的开发环境。 2 5 系统的硬件选择与设计 根据调速系统的总体设计思想，本系统的硬件设计包括信号采集、控制输出两 大部分硬件设计。其中信号采集硬件部分包括：传感器、信号整形电路、p c l - 8 1 8 h 数字采集卡；控制输出硬件部分包括：r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 转换器，m i c r o m a s t e r 4 2 0 变频器。 2 5 1 速度传感器电路设计 本系统使用的是南旭公司的s t l 8 8 红外光电速度传感器，里面由一个高发射功 率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，其性能参数如表4 2 。 华中农业大学2 0 0 5 屑硕士毕业论文 图2 8s t l 8 8 红外光电速度传感器电路图 f i g 2 8c i r c u i td i a g r a mo fi n f r a r e dl i g h ts p e e ds e n s o ro fs t l 8 8 表2 1s t l 8 8 红外光电速度传感器参数表 t a b l e 2 1t h e p a r a m e t e rd a t u mo fi n f r a r e dl i g h ts p e e ds e n s o ro fs t l 8 8 项目符号数值单位 输 正向电流( 极限) 1 f5 0m a 反向电压( 极限) v r6 v 入 耗散功率( 极限) p 7 5m w 输 集一射电压( 极限)v e c o2 5 v 射一集电压( 极限) v e c o6v 出 集电极功耗( 极限) p c5 0m w 工作温度( 极限)1 o p r 2 0 6 5 响应时间t r5 岸s 根据输入电压和传感器的性能参数设计其电路如图2 8 所示。其工作原理是： 在传感器前面没有遮挡的时候红外光电二极管发射出去的红外光不能返回为光敏三 极管接受，e c 截止，两端电压为4 9 9 v ；当有遮挡的时候，光敏三极管接受到反射 过来的红外光，使三极管导通，e c 两端电压为0 1 4 v 。根据这个原理，本人设计一 档板，档板安装在电机转轴，传感器光头对准档板，跟档板垂直，距离为l c m 。这 样在电机带着挡板转动过程中，在e c 两端就会相继产生从0