舞台灯光控制系统设计

TAIYUANUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY毕业设计题目：舞台灯光控制系统设计姓名：学号：专业班级：指导教师：____日期：2017.6.14电子信息工程学院太原科技大学毕业设计（论文）任务书学院（直属系）：电子信息工程学院时间：2017年3月1日学生姓名指导教师设计（论文）题目舞台灯光控制系统设计主要研究内容掌握PLC控制系统的设计方法，掌握PLC的编程方法，利用PLC实现舞台灯光控制系统的设计。研究方法原理设计主要技术指标(或研究目标)1、掌握PLC控制系统的设计方法。2、完成控制系统硬件设计，给出控制系统原理图。3、完成控制系统软件设计，编制控制程序。教研室意见教研室主任（专业负责人）签字：年月日说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。第4章软件设计本章节是舞台灯光控制系统的软件设计部分。首先对step7软件的功能做了一定的介绍，然后给出了整体的程序流程图和一些模块的程序设计。4.1step7介绍STEP7作为西门子的主要软件部分，运用于可编程控制中。STEP7的作用不仅仅能实现硬件部分工作，更能使整个控制系统实现通信运行。STEP7软件工具包括SIMATIC管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件配置、网络配置。以下对这些工具进行详细的描述。SIMATIC作用是管理控制系统中的数据以及程序。符号编辑器管理着控制系统中的文字符号，存储器等的模块符号就是它给标注并识别的。硬件诊断工具顾名思义管理着控制系统的整体运行的状态，如果有些模块出现了故障等情况，就可以打开硬件诊断工具来清楚的看到到底是哪里出了问题，这样才能解决掉故障使系统能继续正常工作。编程语言是我们最熟悉的工具模块，包括梯形图、语言句以及功能模块图。其中，梯形图最大的优点在于简单易懂，在开关控制部分尤其加大对它的使用度。语言句作为编程语言的文本指示来编写系统需要的一步步程序。而功能图同梯形图一样也是系统的图形表示方法。硬件配置工具运用于对I/O口等参数的分配。网络配置工具主要控制着系统数据的传输。4.2程序流程图如图4.6为舞台灯光控制系统的流程图。本系统由28组灯组成，分别由PLC的输出端口Q0.0-Q0.7、Q1.0-Q1.7、Q2.0-Q2.7以及Q3.0-Q3.3控制。按下启动按钮SB1后，旋转彩灯L25-L28开始亮起并且开始旋转。由Q0.0-Q0.7控制的灯L1-L8亮，作为舞台的主光源，一直保持亮的状态。0.5秒后，由Q1.0、Q1.1控制的灯L9、L10亮0.5秒，然后由Q1.4、Q1.5、Q1.6和Q1.7控制的灯L13-L16亮0.5秒；然后，由Q1.2和Q1.3控制的灯L11、L12亮0.5秒；然后由Q1.6和Q1.7以及Q2.0和Q2.1控制的灯L15-L18亮0.5秒；然后，由Q1.4和Q1.5控制的灯L13、L14亮0.5秒；然后由Q2.0、Q2.1、Q2.2、Q2.3和Q2.4控制的灯L17-L20亮0.5秒；然后，由Q1.6和Q1.7控制的灯L15、L16亮0.5秒；然后由Q2.2、Q2.3、Q2.4和Q2.5控制的灯L19-L22亮0.5秒；然后，由Q2.0和Q2.1控制的灯L17、L18亮灯0.5秒；然后由Q1.8、Q1.9、Q2.0和Q2.1控制的灯L21-L24亮灯0.5秒；然后，由Q2.2和Q2.3控制的灯L19、L20亮灯0.5秒；然后由Q2.6、Q2.7和Q1.0、Q1.1控制的灯L23、L24、L9、L10亮灯0.5秒；然后，由Q2.4和Q2.5控制的灯L21、L22亮灯0.5秒；然后由Q1.0和Q1.1、Q1.2、Q1.3控制的灯L9-L12亮灯0.5秒；然后，由Q2.6、Q2.7控制的灯L23、L24亮灯0.5秒；然后由Q1.2、Q1.3、Q1.4和Q1.5控制的灯L11-L14亮灯。然后从头开始循环……直到按下SB2停止按钮后，所有灯都熄灭。该设计的舞台灯分为常亮灯和闪烁灯，给人们带来了一场视觉盛宴也满足了人们的审美心理的需要，使舞台背景空间最大限度地利用了PLC的价值，并达到使用功能和审美功能的统一。舞台灯光控制系统的控制流程图如图4.1。图4.1闪烁灯工艺流程图4.3程序设计（1）主程序设计图4.2主程序图4.7所示为主程序部分，分别初始化调用升降舞台和的光控制部分的子程序。（2）旋转彩灯启动图4.3旋转彩灯部分程序按下开始按钮，同时输出点Q3.4为控制旋转彩灯L25的电机M1开始变频启动，输出点Q3.6为控制旋转彩灯L26的电机M2开始变频启动，输出点Q4.0为控制旋转彩灯L27的电机M3开始变频启动，输出点Q4.2为控制旋转彩灯L28的电机M4开始变频启动这里启动加速时间为3秒钟。（3）旋转彩灯的电机切换到工频运行图4.4灯光部分程序1如图4.9所示，当启动结束后，M1-M4开始以工作频率开始运行。输出点为Q3.5,Q3.7，Q4.1，Q4.3。（4）按下启动按钮后，0.5秒后L9-L10亮图4.5灯光部分程序2如图4.10所示，按下启动按钮，输出点Q1.0和Q1.1控制的L9和L10开始点亮0.5秒。（5）0.5秒后L13-L16灯亮图4.6灯光部分程序3如图4.11所示，Q1.0和Q1.1控制的L9和L10熄灭，Q0.14-Q1.7控制的灯L13-L16开始点亮0.5秒。（7）舞台升降部分图4.7舞台升降部分程序如图4.12是舞台升降部分。I0.7为舞台上升的控制输入，按下I0.7后，带动舞台上升的电机M5开始变频启动。在变频启动结束后，输出Q4.5，即M5工频运行。运行到减速点时，输入I0.5，M5开始减速，直到到达停止点，舞台停止，输出Q5.1。（8）循环部分图4.8循环部分程序如图4.13为循环部分程序，首先在此对彩灯部分程序初始化，然后开始循环。4.4PID控制的设计由上文可知：三相异步电机的数学模型为该升降舞台同步控制系统的电机采用Y180M-2型三相异步电机，该型号电机效率高、节能好、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠其参数为：额定功率；极对数p=1；额定转速=2940r/min；额定电压=380V；额定电流=41.5A；工频=50Hz；额定转矩=71.463N/m；转动惯量=0.075kg/。将和P带入公式（2.3）可得：（4.1）将额定转速和求出的同步转速代入公式(2.11)可得：（4.2）将额定电压、电机极对数p、额定转矩、工频、转差率s代入公式(2.23)可得：(4.3)将以上求出的额定电压、电机极对数p、转子每相电阻、工频代入变频调速增益公式可得：（4.4）将计算出的变频调速增益以及电机铭牌的参数代入公式(2.27)，可得到电机的传递函数为：（4.5）变频器的输入是控制电压，得到相应的电源频率和电机定子的相电压,与与的关系为；因此：（4.6）变频器加速时间τ设置成0.5s，，得到其传递函数为：（4.7）4.4.1PID参数整定在MATLABSIMULINK仿真平台下，如图4.9采用主从同步控制方式，建立二电机同步控制结构，首先采用常规PID控制算法。通过运用PID试凑法整定参数，该方法原则为：对参数调整实行先比例、后积分，再微分的整定步骤。先整定的值，和为0，首先由小逐渐增大，直到出现震荡，然后减小，直到震荡消失。确定好后，将比例系数减小为原来的50%～80%，再设置一个较大的，然后逐渐减小直到出现震荡，再增大，直到震荡消失，记录下此时的值，此时。的整定方法与相同，整定值记录下此时的Td值，再计算。在图5.2的基础上，反复仿真实验，我们寻找到了能输出较好响应曲线的PID参数配置：，，。图4.9常规PID主从控制结构图第5章系统测试5.1测试的目的在前期做了大量的研究工作之后，最终则需要通过系统仿真或者实物搭建来检验前期的工作是否正确以及本文的课题是否可行。针对本文所研究的内容，为了节省资源，降低成本，我选择系统仿真的方式来验证本次课题的正确性与可行性。本文的仿真的目的是两个方面。1、验证验证舞台灯光部分。这一部分主要为了验证28盏闪烁灯的梯形图程序是否正确，能否按照之前设定的流程图来控制亮灭。2、验证两块升降台能否同步升降，也就是验证控制升降台的两台电机的转速能否达到同步的效果。针对以上两个方面。我选择两个不同的软件来进行仿真。5.2彩灯部分的仿真5.2.1仿真软件的选择我们知道PLC的仿真软件很多，但是由于S7-200Sim2.0使用方便、安装简单、仿真效果明显，所以本设计选用的是S7-200Sim2.0仿真软件，S7-200Sim2.0仿真软件是在STEP-7环境下，不用连接任何S7系列的PLC（CPU或I／0模板），而是通过仿真的方法运行和测试用户的应用程序。S7_200Sim2.0提供了简单的界面，可以用编程的方法（如改变输入的通/断状态，输入值的变化）来监控和修改不同的参数，也可以使用变量表（VAT）进行监控和修改变量。5.2.2仿真过程1、在Step7MicroWinV3.2中新建一个项目。图5.1新建项目输入程序，编译正确后在文件菜单中导出为AWL文件。图5.2编译正确后导出AWL文件打开仿真软件，点“Configuration”-“CPU型号”(或在已有的CPU图案上双击)。图5.3开启仿真软件选择CPU型号在弹出的对话框中选择CPU型号，要与你项目中的型号相同。图5.4选择CPU226一台4、点击“程序”-“载入程序”(或工具条中的第2个按钮)。5、会有个对话框，选择Step7MicroWinV3.2的版本，点击“Accept”。图5.5Step7MicroWinV3.2的版本6将先前导出的AWL文件打开。图5.6打开导出的AWL文件7、点击“查看（E）”－“内存监视（M）”(或工具条中的第12个按钮)输入想要监视的地址。8、点“PLC”-“RUN”(或工具栏上的绿色三角按钮)，程序已经开始模拟运行。5.2.3仿真结果图5.7仿真结果示意图仿真结果如图所示：其中从左到右，从上到下显示的灯依次为L1-L28。从仿真系统的运行来看，测试结果如下：按下启动按钮后由，灯L1-L8亮，且一直保持亮的状态。0.5秒后，L9、L10、L17亮0.5秒；然后L13-L16亮0.5秒；然后，灯L11、L12亮0.5秒；灯L15-L18亮0.5秒；然后，灯L13、L14亮0.5秒；然后灯L17-L20亮0.5秒；然后，灯L15、L16亮0.5秒；灯L19-L22亮0.5秒；然后，灯L17、L18亮灯0.5秒；灯L21-L24亮灯0.5秒；然后，灯L19、L20亮灯0.5秒；然后灯L23、L24、L9、L10亮灯0.5秒；灯L21、L22亮灯0.5秒；然后灯L9-L12亮灯0.5秒；灯L23、L24亮灯0.5秒；然后由Q1.2、Q1.3、Q1.4和Q1.5控制的灯L11-L14亮灯。然后从头开始循环……如图5.1所示的时刻为：此时L1-L7均为点亮状态，旋转彩灯L25-L28也同时点亮。L8、L9、L17也为点亮状态，其余均为熄灭状态。由以上结果知，程序可以正常运行，结果也和第4章的程序流程图一致。所以本控制系统的设计是可靠的，能达到舞台灯光的效果。并且在泡泡机和烟雾机的作用下，更加丰富了观众的视觉感应以及更好地渲染了舞台的氛围。得出结论，本设计达到了预期的效果。5.3升降舞台的仿真5.3.1仿真软件的选择针对舞台同步升降的仿真我选择在MATLABSIMULINK仿真平台下进行。Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。5.3.2仿真结果仿真结果如图5.9、5.10、5.11图5.9两台电机匀速运行速度响应曲线图图5.9为电机1（主电机）在匀速运行的情形下，电机2（从电机）转速的跟随情况。图5.10两台电机启动速度响应曲线图5.10是在启动的时候从电机转速对主电机的跟随情况图5.11在扰动作用下两台电机速度响应曲线图5.11是在3s时加入扰动后，从电机对主电机转速的跟随情况由以上3幅电机速度响应曲线图可知，在主从同步控制的方式作用下，控制升降舞台的两台电机在匀速时，启动时以及在加入扰动后，二者的速度均能快速的达到同步。在启动时，从电机对主电机的跟随情况会产生一定的误差，但是也可以在很短的时间内跟随主电机运行。由此可知，本次控制的结果是可靠有效的。

第6章结论文章主要是为礼堂或者酒吧设计了一套自动化灯光控制系统，同时搭配着舞台的升降功能以及烟雾机等设备，共同作用来烘托出一定的舞台氛围。这样可以极大的利用好资源。期间还进行了电气原理图的CAD的绘制，用来更好的了解PLC的接线方式以及对系统的运行原理有更加直观的了解。根据课题要求，结合PLC输出稳定和输出点多等特点来实现较多灯光的闪烁亮暗。通过调节电机的正转和反转来控制舞台的上升与下降。以及对变频器的参数进行设置来控制电机的转速进而控制舞台升降的速度。针对文章内容，得出的结论有以下几点：1、根据舞台灯光的特性，在灯光控制亮暗闪烁控制时，要合理的控制灯闪烁亮暗的频率以及同一时段内部分灯的亮暗次数。本次设计一共中共有28盏灯，通过PLC程序来控制灯的亮灭。根据仿真结果可知，28盏灯完全按照所给定的流程图来亮灭，所以灯光部分的程序和PLC接线均正确。这一部分的控制是可靠可行的。2、升降舞台的两块升降台通过主从控制的方式和PID控制来达到同步升降的效果。在控制舞台升降时，要控制好升降的速度。正常舞台上升的速度约为0.1m/s所以要通过变频器来控制舞台上上升的速度。最后在舞台停止之前还应当设置减速点，以防电机突然停车，造成事故。根据上文中的仿真结果可知从电机在匀速运行、启动状态和增加扰动之后均可以快速则跟随主电机的动作来运行，从而很好的保证了两块升降台的同步运行。所以在升降舞台这一部分，本次设计也是可靠可行的。3、本次设计有以下两点不足之处。（1）此毕业设计所用到的PLC是西门子公司s7-200的产品，由于输出端口有限，所以必须要加入扩展模块才可以满足需求，造成浪费。所以可以考虑一个输出点同时控制多盏灯的亮暗，可以节约成本。（2）升降舞台的速度是非线性时变的，同时扰动也是时变的。而简单的PID无法克服较大的扰动来实现同步控制。所以针对这些问题，可以加入模糊控制的思路。这也是本设计需要改进的地方。综上所述，本文的设计方案是可行的。致谢转眼间，大学四年的的学习生涯已接近尾声。在这四年里，我学习到了许多新的知识，得到了许多来自老师和同学的帮助和关心，获益颇多，同时也给我流下了难以忘怀的经历和记忆。在此，向曾经帮助和关心我的老师和同学们致以由衷的感谢。首先特别感谢金坤善老师在毕业设计期间的认真指导，他使我认识到了大学期间每一门课的必要性，教我将大学四年所学的东西融会贯通，还教会了许多大学没学过但走上社会后会用到的东西。在此过程中，我认识到了自己的无知，认识到了学习远远没有尽头，同时我学到了一种较为全面的看问题、设计方案的方法。感谢金老师对我毕业设计的及时指导和毕业论文的认真审阅。其次感谢许多同学一直以来的帮助，正是他们的无私帮助和关心才使我的大学生活丰富多彩，毕业设计顺利完成。我很荣幸与他们一起度过大学四年。同时我要深深感谢我的家人，是他们给予了我稳定的大学生活，是他们给予了我支持和鼓励。最后，我要感谢评审的各位老师，是你们给了我一个审视大学四年学习成果的机会，各位评审老师的意见和建议也将对我使我更明确今后