舞台灯光控制系统设计

1、 TAIY UAN UNIVERSITY OF SCIENCE p 电机极对数; s 转差率； 定子的相电压、定子的角频率; 定子每相电阻、转子每相电阻; Lt _ 定子每相漏感、转子每相漏感; 异步电机在正常工作的情况下，其临界滑差率一般较大，即转差率S小。所以有R2?Ri， S 即1 L2）即为: 3PUj 邑 Tn詳 2 f1(R2)2 皿s 2 f1R2 (2.2) Tn 带入式（2.2）得 1 2 3PU1 (1 2 f1R2 (2.3) S 式中: ni、 np同步转速、实际转速 r/min ； 电机在调速过程中，U1与f1的比例关系基本恒定，得到Uf const， 3PU 1 2

2、 JR? Kr1 为变频调速增益，则 Tn np、 KnU1(1) n1 (2.4) 其中 ni 60f1 ，则: Tn KriUi(1 npP) 60f1) (2.5) 根据电动机铭牌上标明的各个额定参数：功率R，电压Un，转速nN，可计算出 PP Tn PnPN7；将结果带入式（2.3），可推导出未知数R2： N 2 n N / 60 R2 3PU 皓 S SN (2.6) 进而可得Kr1的值。 由电机机械运动方程: 2 (2.7) GD dndn Tn -TLJ G 375 dtdt 式中: Tl工作机械负载转矩，N.m ; GD2电动机及负载转动惯量，kg. m2; Gj转动惯量，kg

3、.m2 将式（2.5）带入（2.6）得： KrlUi(1 npP 60f1)-Tl JG dn dt (2.8) 式2.16经拉式变换得: KA（s）（ JgS 窘）n（S） (2.9) 得到电机传递函数近似为: n (s)Kr1 u(s) jgS KiUnP 60fN (2.10) 2.4控制升降舞台的电机的调速方式 2.4.1变频调速的控制方法 在本文中，升降舞台通过电机来带动，所以要想控制舞台的同步升降，只要控制了电 机转速的同步性就可以控制升降舞台的同步性。控制电机的转速就涉及到电机的调速。变 频调速是常用的电机调速的方式。概括来说，变频调速是通过改变电源频率来调整电动机 转速的连续平

4、滑调速方法，改变电机电源来改变其转速。在变频调速领域，异步电机在调 速时保持恒定的转差功率，其效率高、动态性能好的优点使其占有不可替代的地位，更有 着不可比拟的优势。该方式能够从根本上入手，对电机施行控制，其控制思想是根据系统 的稳态方程的变换研究得来的，由电机学理论知识得知： 首先定义转差率s为： n1n s (2.11 ) 由式（2.11）经代数变换得：n n/1-s） (2.12) 由于 ni 60fl(2.13) P 将式(2.13)带入式(2.14)，则有异步电机转速公式： n 60fl(1 s)(2.14) P 式中： n1同步转速，r/min ; n机械转速； f1 定子电源频率

5、，Hz; P电机的极对数； S转差率。 由公式(2.14)可知，要使电机的转速发生改变，可通过以下三种参数的调整来实现：电 源频率、极对数、转差率。通常情况下，极对数和转差率会保持不变，因此只能靠改变供 电电源的频率f1，来使n1发生相应变化，进而实现电机转速的调整。 2.4.2变频调速的方式 由电机学可知：E1 4.44f1N1KN1 m( 2.15) 式中： E1 定子每相绕组感应电动势； N1 定子绕组的每相串联匝数； Kn1基波绕组的系数； m每极气隙的磁通量； 忽略定子阻抗压降，得到： 5 E1 4.44f1N1KN1 m( 2.16) 由(2.6)看出，如果电压5保持不变，那么随着

6、f1与气隙的磁通量m成反比关系，即仇 增大则m变小，若f1变小则m增大 异步电动机的转矩表达式如下: (2.17) M C m m I 2 COS 2 式中： Cm 异步电机转矩系数； 12 转子绕组电流; 2转子绕组功率角； 可见，如果m减小，则电机的输出转矩 M也会减小，最终使电机的效率变低，同时， 电动机的最大转矩也受到影响，严重时会导致电机堵转；所以在大多数情况下会选择恒压 频比控制。 在电机调速的时候，一般情况下应尽量将每极磁通量m控制在系统规定的数值上下。 假如磁通量m很低，则意味着电机铁心存在很大的浪费，没有资源的合理有效应用；但假 若一味提高磁通量，那么铁心会饱和，甚至电机会因

7、为绕组过热而被烧坏。直流电动机有 独立的励磁系统，所以要保持磁通恒定主要以补偿电枢反应的方式来实现。不同的是，异 步电机中的磁通是由定子和转子磁动势共同合成，所以要想保持磁通恒定就没那么容易了。 由公式(2.5)可知，想要保证气隙磁通量 m恒定，就要使电源频率fi从额定值fN1慢慢 降低的过程中，调节感应电动势 Ei的大小: El f con st( 2.18) 但是，由于感应电动势的调节比较困难，所以当电动势处于较大的值时，定子压降可以忽 略，此时，故： U1E1 U1f1 const (2.19) 以上即为恒压频比控制 2.5升降舞台的控制方法 升降舞台通过电机来带动。一般的升降舞台的升降

8、速度大约为 1m/S对电机启动加速时 间进行设置，来控制电机的加速时间，进而控制舞台的上升时的加速时间。在舞台停止时, 还应当设置减速点，当舞台上升到减速点位置时，舞台开始减速，到达停止点时（即限位 开关），舞台停止上升。这里加速时间设置为电机启动后，速度在0.5s内达到1000r/min 然后保持匀速转动，到达减速点，速度时在0.5s内转速变为0。按下下降按钮时，舞台开 始下降，电机的转速在0.5s内达到1000r/min，至U达减速点时，舞台开始减速，达到停止点 时，舞台停止下降。这里的电机以及旋转彩灯所用到的电机启动方式均为变频启动，这样 可以节约能源，减少大电流对绕组的冲击，延长电机的

9、寿命。为了安全起见，升降舞台的 两块升降台应当达到同步控制的效果。这里我选择同步控制误差小于30mm的标准，这样 在安全和视觉两方面均可以有很好地保证。 2.5.1两种同步控制方式的比较 升降舞台的同步控制的思路分为两种。第一种称为并行控制。这是一种最简单的控制 方式。顾名思义，并行控制就是将多台电机采取并联的方式，各个升降台的调速系统都接 受相同的信号来控制电机的转速。这种方式容易实现，但是抗干扰能力较弱。如图2.3就是 并行控制的示意图。 图2.3并行控制示意图 另一种是主从控制，它是将两台电机分为主电机和从电机。主电机的输出值就是从电 机的输入值。也就是说从电机的输出可以跟随主电机的输出

10、来进行调整。而从电机的输出 不会影响主电机，这样安全性和整体性都大大提高。如图2.4就是主从控制的示意图。所以 选择主从控制的方式更加能够保证系统的整体性和同步性，从而提高安全性。 图2.4主从控制示意图 现代升降舞台系统中，由于舞台运动过程中存在负载不均匀，摩擦阻力大小不一等因 素，因此舞台同步控制是一个复杂、时变动态过程，存在非线性、大惯性的特征。传统PID 控制算法简单，可靠性较高，应用设计简便，应用广泛，对于确定数学模型的系统可以获 得最好的控制效果。所以PID控制在舞台同步控制方面仍然占有一席之地。在本次设计中 采用PID控制来实现两块升降台的同步升降。 2.6系统的输入输出分析 针

11、对上述中的对控制方案的描述，现总结得出系统的输入输出。系统共有8个输入， 29个输出。输入分别为启动按钮，停止按钮，舞台上升按钮，舞台上减速按钮，舞台上停 止按钮，舞台下降按钮，舞台下停止按钮，舞台下减速按钮。输出为各个舞台灯的亮暗和 带动升降舞台，旋转彩灯和风扇泡泡机的各个电机的变频启动和工频运行。 综上所述本章总体介绍了舞台灯光控制系统的设计思路。分别对灯光控制系统部分以 及升降舞台部分的设计思路以及设计需求做了介绍。在舞台灯的空间布局完成后，我初步 选择了一套闪烁灯的闪烁方案。在升降舞台部分，我选择了主从控制的控制思路， 运用PID 来达到两块升降台同步控制的效果。在升降舞台的调速上，为

12、了提高电机的输出效率，我 选择了恒压频比的调速方式。最后对系统整体的输入输出做了分析， 第3章硬件设计 本章节讨论了硬件的选型。主要包括 PLC的选型，CPU的选型，舞台灯光的选择以及 变频器的选择。本章节还给出了舞台灯光的I/O表和电气原理图，并分别对其做出了一定的 解释。 3.1系统整体概述 系统总体分为输入单元、输出单元、和 CPU。输入单元由输入按钮，输出按钮组成 输出单元由28盏灯和升降舞台、烟雾机和风扇泡泡机组成。编写的程序存放在存储器中。 如图3.1,当按下启动按钮时，PLC开始工作，CPU开始执行相应的程序来控制某些继 电器的触点的闭合或者断开。此时控制旋转彩灯的继电器触电闭合

13、，控制灯L1-L7的继电 器触电也闭合，所以常亮灯的 8盏灯变亮。且会持续到停止按钮按下。同时，如果演出需 要，贝U可以开启烟雾机制造烟雾，也可以开启风扇泡泡机，共同配合灯光营造出特定的演 出氛围。最后还设置了急停按钮。万一出现意外情况，则可以按下急停按钮，所有的继电 器触电全部断开，避免造成不必要的损失。 启动按钮 继电器 4 常員灯接触 器 * 常売灯 继电器 ,闪烁灯 烟雾机 傅止拽钿 PLC 风屈泡泡利 电源 继电器 離转紀则接触 * 器 今 图3.1舞台灯光控制系统结构图 3.2控制器的选择 目前市面上市场占有率较高的 PLC品牌有三种，分别是西门子PLC，三菱PLC和欧姆 龙PLC

14、。三菱的优势在于离散控制和运动控制，三菱的指令丰富，有专用的定位指令，控 制伺服和步进容易实现，要实现某些复杂的动作控制也是三菱的强项，但是三菱PLC模拟 量模块价格较为昂贵，程序也较为复杂。欧姆龙PLC使用较为方便，价格较低。适合小型 系统的控制，但是其稳定性欠佳。西门子 PLC价格适中抗干扰能力比较强，也比较耐用， 维护率，损坏率比较低。最重要的是西门子的模拟量模块价格便宜，程序简单。而本文中 对大量彩灯的控制均为模拟量。所以综合考虑后，我选择了西门子品牌的PLC。而S7系列 的PLC又是西门子PLC中最为经典的，所以我选择西门子 S7系列的PLC。 1、S7-300 S7-300针对适用

15、于低性能且结构模块化的中小型控制系统，其优点是结构高度模块化， 很容易就可以实现配置分布化，不论从电磁兼容性还是抗震冲击性能上其性价比都非常高， 这也是它被广泛应用于众多的工业控制领域的原因。另外它也可在很多不同的CPU模块中 选择使用，扩展模块更是多达32个模块。这使得它变的很强大。 2、SIMATIC S7-400（产于德国西门子公司） S7-400 PLC的性能偏中、高档，广泛应用于机械行业，它较S7-200和S7-300而言处 理速度快，通讯能力更强，采用免风扇的模块化形式，保证了其安全可靠性，多种CPU、 通用功能模块使得S7-400 PLC可以根据不同的需求组合成不同的系统。还有一

16、个特出的优 点是其只需要增加少许的模块即可在控制系统的范围变大的时候使系统满足其需求。 3、S7-200 S7-200 PLC是小型化的PLC种类，它适用性强，与自动化检测和控制有关的工业领域 都将S7-200 PLC广泛的应用其中，性价比高，在各种行业、场合中都能自动检验、监测并 控制，它的功能很强大，不管是单机运行还是以网络形式运行都能够将复杂的控制完成， 安全性、可靠性都很高，另外它的内容简单，很容易掌握并操作，丰富的指令集、内置集 成功能、扩展模块以及超强的通讯能力更是让这个产品实用无比。 对三种不同的PLC进行比较，S7-300PLC和S7-400PLC的CPU模块、通信模块等等 都

17、适用于本系统。但结合实验室以及设备的型号特点，需要昂贵的经费支持。因此其设备 控制的需求不高，性价比反而较低。而 S7-200不仅完全符合应用要求，性价比还很高。最 终选取S7-200PLC作为核心控制处理器。 文章中所使用的是来自西门子(SIEMENS)S7-200系列CPU226可编程控制器。在本次 设计中，一个输出点控制一盏灯，CPU226只有16个输出，所以需要增加扩展模块。西门 子(SIEMENS)S7-200系列CPU226在编程环境等方面，它不仅具备了以往的小型PLC所具 有的功能，尽可能使安装空间最小化，并实现了具有10点-100点输入输出点数的弹性构成。 而且还可连接可编程控

18、制终端。 表3.1 CPU22X(CPU226)主要技术指标表 型号 CPU226 程序/字 4096 用户数据/字 2560 用户储存器类型 EEFPROM 本机I/O 24入/16出 数字量I/O映像区大小/bit 256 最大模拟量输入输出 32入/32出 I/O映像寄存器/bit 1281/和 1280 顺序控制继电器/bit 256 3.3舞台灯的选型 舞台的灯光排布分为3个椭圆形的光道。其中为舞台提供基本照明功能的是作为舞台 主灯光的中间光道的8盏灯L1-L8。主灯光的作用除了提供基本的照明外还要能够正面勾勒 演员轮廓和突出演员的表情。所以L1-L8我选取4台2KW的聚光灯和4台2

19、KW的回光灯 聚光灯投射距离远，可以突出演员的轮廓，回光灯投射角度大，可以形成大的舞台光斑， 提高舞台亮度并且增加美感。 在三条光道最里侧的光道上的 8盏灯，主要负责对演员上方的区域和其他的一些舞台 场景进行照亮，所以我选择 4台2KW的聚光灯和4台2KW的柔光灯，并且交错放置。柔 光灯光照强度较弱，可以凸显出演员衣着和其他场景的颜色。 在环形光道最外侧的8盏灯因为位置靠近外围，所以为侧光灯。用于制造一些影音区 域来烘托一定的氛围。这里我选用 2KW散光灯4台和2KW回光灯4台 旋转彩灯则在舞台正上方的前后左右四个方位各安装一个。旋转彩灯使用工作电压为 220V,功率为10W的LED旋转彩灯。

20、 3.4变频器的选择 在本文中，升降舞台以及旋转彩灯部分均需要电机来带动。而电机的调速部分则由变频 器来完成。我选择PLC同属西门子公司的MICROMASTER 440变频器。该变频器具有安 全系数高。稳定性能好的特点。可以实现多种参数设定的自由切换。并且自身保护功能完 善，可进行电压及欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护和PTC/KTY电 动机过载保护等。 图3.2是MICROMASTER 440变频器的示意图 图3.2MM 440变频器示意图 3.5舞台灯光的I/O地址分配表 （1）输入 表3.2舞台灯光的输入 序号 名称 输入点 1 启动按钮 I0.0 2 停止按钮 I0.

21、1 3 舞台上停止 I0.3 4 舞台上减速 I0.4 5 舞台下停止 I0.5 6 舞台下减速 I0.6 7 舞台上升 I0.7 8 舞台下降 I1.0 (2)输出 表3.3舞台灯光的输出 序号 名称 输出点 1 Q0.0 L1灯 2 Q0.1 L2灯 3 Q0.2 L3灯 4 Q0.3 L4灯 5 Q0.4 L5灯 6 Q0.5 L6灯 7 Q0.6 L7灯 8 Q0.7 L8灯 9 Q1.0 L9灯 10 Q1.1 L10灯 11 Q1.2 L11灯 12 Q1.3 L12灯 13 Q1.4 L13灯 14 Q1.5 L14灯 15 Q1.6 L15灯 16 Q1.7 L16灯 17 Q

22、2.0 L17灯 18 Q2.1 L18灯 19 Q2.2 L19灯 20 Q2.3 L20灯 21 Q2.4 L21灯 22 Q2.5 L22灯 23 Q2.6 L23灯 23 Q2.7 L24灯 23 Q3.0 L25灯 24 Q3.1 L26灯 25 Q3.2 L27灯 26 Q3.3 L28灯 27 Q3.4 M1变频启动 28 Q3.5 M1工频运行 29 Q3.6 M2变频启动 30 Q3.7 M2工频运行 31 Q4.0 M3变频启动 32 Q4.1 M3工频运行 33 Q4.2 M4变频启动 34 Q4.3 M4工频运行 35 Q4.4 M5变频启动 36 Q4.5 M5工频运

23、行 37 Q4.6烟雾机 38 Q4.7风扇泡泡机 39 Q5.1舞台停止 本控制系统的输出分配如表 3.4所示，我设计的舞台灯具共 28盏，CPU226的输出点 共有十六个，一个输出点控制一盏灯的亮灭明显是不够用的。于是我就想到了添加扩展模 块。这样可以使得每一个彩灯都可以独立工作，使烟雾机与风扇泡泡机也可以独立工作互 不影响，提高系统的安全性。 3.6舞台灯光控制系统电气原理图 图3.3所示是变频一个变频器带动四个电机在一定转速下运行，这四个电机均为变频启 动。M1-M4控制驱动旋转彩灯L24-L28的旋转。 图3.4所示的是一个变频器带动舞台升降的电机转动以及带动风扇泡泡机和烟雾机工 作

24、的电机。其中M5驱动升降舞台的运行，M6带动风扇泡泡机的运行，M7带动烟雾机的 运行 图3.5显示的是彩灯与西门子PLC的连接方式。PLC电源使用直流24V电源。输出点 Q0.0-Q0.7连接常亮灯L1-L8 , Q1.0-Q1.7连接闪烁灯L9-L16。输入点SB1是启动按钮，SB2 是停止按钮，SB8控制舞台上升，SB9控制舞台下降，SB10控制舞台停止。LS1是控制舞 台上升停止的点，LS2是控制舞台下降停止的点，LS3是控制舞台上升时的减速点，LS4是 控制舞台下降时的减速点。 图3.6是拓展模块，同样接直流 24v的电源。输出点Q2.0-Q2.3接闪烁灯L17-L20， Q2.4-Q

25、2.7 接闪烁灯 L21-L24. 图3.3旋转彩灯电机部分原理图 图3.4升降舞台、烟雾机、风扇泡泡机部分原理图 5 图3.5PLC输入输出部分原理图 图3.7也是扩展模块，其中输出点 Q3.0-Q3.3接旋转彩灯L25-L28。开关K1是M1电 机变频启动，K2是控制M1电机工频运行。开关K3是M2电机变频启动，K4是控制M2 电机工频运行。 图3.8也为拓展模块，开关K5是M3电机变频启动，K6是控制M3电机工频运行。开 关K7是M4电机变频启动，K8是控制M4电机工频运行。开关K9是M5电机变频启动， K10是控制M5电机工频运行。K11是控制烟雾机的开关，K12是控制风扇泡泡机的开关

26、。 DC DC N| DC aw K2嗨農1申机 MJ1T 图3.6拓展模块原理图1 myC3i 科啊i3fT 御倉急 6ES7 223-lBH220XA0 *JWJM IU M H4 ris r nr 0 000 00000000 Ellr 問！时1/13 图3.7拓展模块原理图2 图3.8拓展模块原理图 3 综上所述，本章节重点介绍了舞台灯光控制系统硬件部分的的设计，主要介绍了各部 分的主要工作原理和实现的功能以及电气原理图。有了硬件的基础，通过程序等软件的制 作才能更好地实现所需要的效果。 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，

27、 然后给出了整体的程序流程图和一些模块的程序设计。 4.1 step7 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

28、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 S

29、B1 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；

30、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

31、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。 开始 图4.1闪烁灯工艺流程图 4.3程序设计 (1)主程序设计 Network 1 SMOIO 灯光控制 T Netwoik 2 EN SMQ0 11

32、匚U 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 N etwork 2 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 Nlefwofk 3 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,

33、 Q4.1, Q4.3。 (4) 按下启动按钮后，0.5秒后L9-L10亮 Network 4 I网络逹輕 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 TON 尸丁 1 no n-： I 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 10.711.111.3 1I1 j II If ) 1 1 1 Z 1 1 1 - N etwork 2 Q4 斗10.411

34、.111 0 I I| I|I ： I Q4.5 I/ 1 1 1 1 1 1 1 f N etwark 3 1 J 4.511.5103 III II I Q51 1r 1 I1111 1 J 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 Network 20 SM0.0 T 1 S1 UT 5FI I 1 1 1 R 1 M02 NOT T53 T

35、37 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 4.4 PID控制的设计 由上文可知： 三相异步电机的数学模型为G (s) u (s) JgS Kri KiUnP 60fN 该升降舞台同步控制系统的电机采用丫180M-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Pn 22KW ； 极对数p =1;额定转速nN =2940r/min；额定电压U n =380 V;额定电流In =41.5 A;工频 fN =50Hz;额定转矩 Tn =71.463 N /m；转动惯量 JG=0.075k

36、g/m hR 250 0.386 将计算出的变频调速增益 Kr1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: 。 将FN和P带入公式(2.3)可得： 60 50 1 3000r/ min (4.1) 将额定转速和求出的同步转速代入公式(2.11)可得: n。nN Sn n0 3000 2940 3000 0.02 (4.2) 将额定电压U n、电机极对数p、额定转矩Tn、工频fN、转差率s代入公式(2.23)可得: R2 3PUN f nTn SN 3 1 380 380 250 71.463 0.02 0.386 (4.3) 将以上求出的额定电压 Un、电机极对数p、转

37、子每相电阻R2、工频fN代入变频调速增 益公式可得: (4.4) 3P53 1 380 G(S)空 Kr1 Us JgS KmUnP 9.406 60fN 0.075S 9.406 380 1 60 50 9.406 0.075S 1.191 (4.5) 变频器的输入是控制电压Uc ,得到相应的电源频率f1和电机定子的相电压 5,与f1与 Uc的关系为Uc Kffi ; 因此： Kf 380 7.6 50 (4.6) 变频器加速时间r设置成0.5s, Ts 0.60.3S，得到其传递函数为: G(S) TsS 1 10 0.3S 1 (4.7) 4.4.1PID参数整定 在MATLAB SIM

38、ULINK 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Kp的值，心和Kd为0,首 先Kp由小逐渐增大，直到出现震荡，然后减小 心，直到震荡消失。确定好Kp后，将比例 系数Kp减小为原来的50%80%，再设置一个较大的Ti，然后逐渐减小直到出现震荡，再 增大Ti，直到震荡消失，记录下此时的T值，此时Ki 邑。Kd的整定方法与Kp相同，整 Ti 定Td值记录下此时的一值，再计算Kd Kp 在图5.2的基础上，反复仿真实验，我们寻 找到了能输出较

39、好响应曲线的PID参数配置：Kp 1， Ki 10， Kd 0.005 图4.9常规PID主从控制结构图 当事“At 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

40、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

41、量。 5.2.2 仿真过程 1 在Step7 MicroWin V3.2中新建一个项目。 1、 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 2、 打开仿真软件，点 Configuration” CPU型号”（或在已有的CPU图案上双击） 曇-S7_20 Program View CoMigu ration PIC View/Hide Help 务命島鶴 卜 FIWL KQP曲 1 图5.3开启仿真软件选择 CPU型号 3、在弹出的对话框中选择 CPU型号，要与你项目中的型号相同 r CPU Type 4, Slect er Re a

42、d CPU typebe Cl yomlike the software 0* t i on旨 avai 1 电bl 亡 tg m pi召一启cisti血肓 CrU type.) CFU type : c?v w二j 班包d typ of CPU cpu - 卩 Aceept Cancel J 图5.4选择CPU226 台 4、点击 程序”载入程序”或工具条中的第2个按钮）。 Accep t Load ir CPU 5、 会有个对话框，选择 Step 7 MicroWin V3.2的版本，点击 Accept” V All V Loic Elock “ Di+i Import fron* 图 5

43、.5 Step7 MicroWin V3.2 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）”一内存监视（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 523仿真结果 ProcjFam View Confiq ljf ati on PLCide* Help 晶盗总圍 卜 | JU jjt mm. kw nt 弼型盈篦 V r r n jl m it Ai it a ii it a i 丿何 1 | SMH 1 SMO 29 J IDJ 1 1 0 1 3 X| 5 &

44、 T o 1 34 图5.7仿真结果示意图 L1-L28。从仿真系统的 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 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

45、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

46、达到了预期的效果 5.3升降舞台的仿真 531仿真软件的选择 针对舞台同步升降的仿真我选择在 MATLAB SIMULINK 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

47、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 1UJ r 0 05 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 &00 - tOU 电机2 500 4 DO 300 ?l III mu 0 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

48、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