舞臺燈光控制系統(tǒng)設計.doc

TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 畢業(yè)設計題目：舞臺燈光控制系統(tǒng)設計姓 名： 學 號： 專業(yè)班級： 指導教師： _ 日 期： 2017.6.14 電子信息工程學院太原科技大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院（直屬系）：電子信息工程學院 時間：2017年3月1日學 生 姓 名指 導 教 師設計（論文）題目舞臺燈光控制系統(tǒng)設計主要研究內(nèi)容 掌握PLC控制系統(tǒng)的設計方法，掌握PLC的編程方法，利用PLC實現(xiàn)舞臺燈光控制系統(tǒng)的設計。研究方法原理設計主要技術(shù)指標(或研究目標)1、掌握PLC控制系統(tǒng)的設計方法。2、完成控制系統(tǒng)硬件設計，給出控制系統(tǒng)原理圖。3、完成控制系統(tǒng)軟件設計，編制控制程序。教研室意見教研室主任（專業(yè)負責人）簽字： 年 月 日 說明：一式兩份，一份裝訂入學生畢業(yè)設計（論文）內(nèi)，一份交學院（直屬系）。目 錄摘要IABSTRACTII第1章 緒論1 1.1引言1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1 1.3研究該課題的目的和內(nèi)容2 1.4文章結(jié)構(gòu)2第2章 系統(tǒng)功能需求分析和設計方案4 2.1系統(tǒng)的功能需求分析4 2.2控制方案的選擇5 2.2.1繼電器控制的特點5 2.2.2 PLC控制的特點6 2.3系統(tǒng)建模6 2.4控制升降舞臺的電機的調(diào)速方式8 2.4.1變頻調(diào)速的控制方法8 2.4.2變頻調(diào)速的方式9 2.5升降舞臺的控制方法11 2.5.1兩種同步控制方式的比較11 2.6系統(tǒng)的輸入輸出分析12第3章 硬件設計14 3.1系統(tǒng)整體概述14 3.2 控制器的選擇15 3.3舞臺燈的選型16 3.4變頻器的選擇17 3.5舞臺燈光的 I/O 地址分配表17 3.6舞臺燈光控制系統(tǒng)電氣原理圖19第4章 軟件設計24 4.1 step7介紹24 4.2程序流程圖24 4.3程序設計26 4.4 PID控制的設計29 4.4.1PID參數(shù)整定31第5章 系統(tǒng)測試32 5.1測試的目的32 5.2彩燈部分的仿真32 5.2.1仿真軟件的選擇32 5.2.2仿真過程32 5.2.3仿真結(jié)果35 5.3升降舞臺的仿真36 5.3.1仿真軟件的選擇36 5.3.2 仿真結(jié)果36第6章 結(jié)論39致謝40參考文獻41附錄42I太原科技大學畢業(yè)設計摘要為了解決解決過去簡單機械式的舞臺燈光控制方式的效率低和效果差的問題和升降舞臺無法同步升降而導致演出事故時有發(fā)生的問題。本文設計了一種基于西門子s7-200的舞臺燈光控制系統(tǒng)。本次設計中，針對舞臺燈數(shù)量較多，且閃爍效果多變的特點。結(jié)合PLC控制的優(yōu)點，通過PLC的多種程序指令實現(xiàn)對舞臺上28盞燈亮滅的控制。通過對時間繼電器的控制來實現(xiàn)不同的閃爍效果。通過S7-200Sim2.0仿真證明采用PLC控制能夠穩(wěn)定控制舞臺燈光有規(guī)律的亮滅，達到了預期的設計目的。其次，針對升降舞臺同步控制系統(tǒng)大慣性、非線性、時變性等特點，結(jié)合常規(guī)PID控制的優(yōu)點，提出了PID控制算法用于升降舞臺系統(tǒng)的同步控制。通過MATLAB仿真證明采用PID控制算法能達到系統(tǒng)同步性、快速性、穩(wěn)定性的要求。 關(guān)鍵詞：舞臺燈光，PLC控制，同步升降A(chǔ)BSTRACTIn order to solve the issue that the way of simple mechanical stage lighting control mode is low efficiency and poor effect and platform lift cannot be synchronized lifting so that cause stage accident happened from time to tome. This graduation project is about a stage lighting control system based on Siemens s7-200. In this design, the number of stage lamps is large, and the characteristics of the flicker are varied. Combined with the advantages of PLC control, the control of 28 lights on stage is realized through PLC. Different flicker effects are achieved by controlling the time relay. Through the s7-200sim2.0 simulation, it is proved that PLC control can control the lighting of stage stably, and achieve the desired design goal. Secondly, in view of the lifting stage synchronization control system of big inertia, nonlinear and time-varying characteristics, combined with the advantages of conventional PID control, PID control algorithm is proposed for elevator stage of synchronous control system. MATLAB simulation shows that the PID control algorithm can meet the requirements of system synchronization, speed and stability.Key words: stage lighting，PLC control，synchronous liftI第1章 緒論1.1引言 隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們審美水平的不斷上升。在現(xiàn)代生活中，彩燈作為一種裝飾可以用在很多場合。它不但可以增強美感還可以通過選擇彩燈顏色以及控制彩燈的亮暗頻率來烘托出特定的氛圍。隨著科技的發(fā)展，PLC技術(shù)在國內(nèi)外控制領(lǐng)域中異軍突起，在實際生活中的應用越來越廣泛。在這個發(fā)展的過程中，人們不再僅僅滿足于系統(tǒng)功能的多樣性，而是更多的要實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化與智能化。這樣不但可以提高效率，還可以使人類從繁冗的工作中得以解脫。使得人們把更多的精力放在產(chǎn)品研發(fā)上。同時也提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，減少了系統(tǒng)出錯的幾率。本論文設計了一個舞臺燈光控制系統(tǒng)，它多用于宴會廳，酒吧等場所。系統(tǒng)采用PLC控制的方法，最終實現(xiàn)了一定的控制效果。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，PLC始終都占有一席之地，為許許多多的自動化系統(tǒng)提供了可靠穩(wěn)定的控制。它可操作性強，不但可以使得很多復雜的控制變得簡易，而且還可以提供快捷的控制。但是目前看來，PLC還必須要面對其他新的技術(shù)所帶來的挑戰(zhàn)與沖擊。所以PLC目前依然需要不斷的技術(shù)革新來滿足當下大的市場環(huán)境。 舞臺燈光是根據(jù)舞臺藝術(shù)演出的法則和特定的表演需求而設計的。其目的在于配合各種表演藝術(shù)來營造烘托出相應的氛圍。隨著人們生活水平的提高，對于一些娛樂產(chǎn)業(yè)中類似宴會廳歌劇院的場所的要求越來越高。從運用方面來說，我國在舞臺燈光的美觀設計上的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，只是在舞臺燈光系統(tǒng)的實際控制方面稍有欠缺。 伴隨著科學技術(shù)的不斷進步，在研究人員的不斷努力下，一大批高效節(jié)能的照明燈陸續(xù)問世。從最初的白熾燈到現(xiàn)在的各式各樣的節(jié)能燈，無一不為我們展現(xiàn)出科技的進步。相比之下，新型的照明燈具比以往的照明燈更加的環(huán)保、節(jié)能和高效。除此之外，照明效果也有了質(zhì)的提升。在安全方面，這些燈大都配置了紅外反射膜，這樣可以減少大量的熱輻射從而延長了照明燈具的使用壽命也大大增加了演藝人員在演出時的安全系數(shù)。 在國際潮流和科技的推動下，舞臺燈光正朝著多元化的方向快速發(fā)展。在原有的的高效、節(jié)能、安全、便攜等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，舞臺燈光正在朝著功能多樣性和種類多樣性的方0向發(fā)展。同時隨著自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，舞臺燈光系統(tǒng)的自動化程度也日益提高。 在升降舞臺的研發(fā)方面，我國也已經(jīng)付出了很多年的努力，技術(shù)也日趨成熟。但是如何更大程度的提高系統(tǒng)的安全性依然是一個無法完全解決的難題。由于升降舞臺的控制的不嚴謹性，演出事故也是時有發(fā)生。例如旋轉(zhuǎn)舞臺的失控，導致在演出結(jié)束時演員無法正面對觀眾。還有，由于多塊升降舞臺的的不同步性，導致在某一平面時多塊升降臺無法處于同一水平面，從而引發(fā)演員摔倒或者墜落的演出事故。因此，實現(xiàn)舞臺的同步控制就顯得尤為重要了。1.3研究該課題的目的和內(nèi)容本系統(tǒng)設計了一個自動化的舞臺燈光控制系統(tǒng)，可以用于酒吧或者宴會廳的閃爍燈。所謂自動化就是指不需要人過多的干預就能夠自動的配合舞臺氛圍或者場景的需要來達到控制一些燈的亮暗以及它們的閃爍頻率的目的。本次設計通過PLC的控制，使舞臺燈光的亮暗閃爍更加自動化和多樣化。我首先選擇了PLC的型號，我選取了西門子S7-200系列的CPU226可編程控制器。然后進行了輸入和輸出的分析。在進行完這些準備工作后，我開始對舞臺燈進行一定的空間布置。我一共選取了28盞彩燈，其中有4盞彩燈為旋轉(zhuǎn)彩燈，由四臺電機帶動旋轉(zhuǎn)。剩余的24盞是固定彩燈。我將24盞彩燈均勻分布在3個橢圓形光道上，每個光道由大到小依次嵌套，并且每個光道上都安裝8盞彩燈。其中最外側(cè)和最內(nèi)側(cè)的光道上的燈為閃爍燈，中間光道的燈為常亮燈，保證舞臺最基本的照明。最后就是繪制電氣原理圖和編程了。繪制原理圖我使用到了AUTO CAD2014這一軟件。在繪制系統(tǒng)的I/O表時，考慮到所選用的CPU輸出點不夠，所以我增加了三個拓展模塊來滿足我的設計要求。本系統(tǒng)還帶有舞臺升降的部分以及還帶有風扇泡泡機和煙霧機。在升降舞臺部分包括兩塊獨立的升降臺，為了安全起見，在起降時應當達到同步起降的效果。在需要時，按下相應的開關(guān)即可。1.4文章結(jié)構(gòu)本文分為六章。第1章為文章的緒論，主要介紹課題研究的背景以及國內(nèi)外的現(xiàn)狀。第2章為課題的設計方案，主要介紹了系統(tǒng)控制方案的選擇、舞臺燈光的工藝要求以及舞臺升降舞臺的同步控制方法，還有控制升降舞臺的電機的調(diào)速方法。第3章是系統(tǒng)整體的硬件設計，對PLC的型號選擇、CPU的型號的選擇、舞臺燈的選型進行了一定的概述。最后本章還給出了系統(tǒng)的電氣原理圖和I/O分配表。第4章是軟件設計部分，主要包括對step7軟件的介紹、程序流程圖和對部分模塊的程序的解釋說明還有系統(tǒng)的建模和PID控制設計部分。第5章為系統(tǒng)測試，包括兩部分。第一部分介紹了介紹了仿真軟件。第二部分對仿真結(jié)果做了一定的解釋。第6章為本文的結(jié)論。第2章 系統(tǒng)功能需求分析和設計方案本章節(jié)主要介紹了舞臺燈光控制系統(tǒng)的設計方案。主要包括舞臺燈光的空間布局和其工藝要求。為了安全，還增加了擴聲系統(tǒng)的配電要求。最后介紹了升降舞臺部分的設計思路以及控制方法。2.1系統(tǒng)的功能需求分析舞臺燈光的設計宗旨是配合舞臺表演的需要來營造出一種藝術(shù)氛圍，給觀眾帶來美的享受。本文中，舞臺燈光的空間布置要科學實用。既要美觀，滿足演出需求，又要避免照明死區(qū)。各種燈光的亮滅可以根據(jù)需求靈活組合。在需要時還控制舞臺升降、開啟煙霧機和風扇泡泡機來配合燈光營造表演氛圍。1.頂光系統(tǒng)設計配置需求 本研究方案一共控制24盞閃爍燈，24盞燈均勻分布在三個橢圓形光道上。每個光道由8 盞燈組成。中間光道的8盞燈依次為L1-L8，設定為常亮燈，作為舞臺的主要光源。內(nèi)光道由L9-L16組成，外光道由L17-L24構(gòu)成，設定為閃爍燈，閃爍頻率為0.5秒。投射方向多變，可根據(jù)需求刻畫人物和突出表演效果。如圖2.1為閃爍燈的空間布置圖。圖2.1閃爍燈的空間布局圖2.旋轉(zhuǎn)燈光的設計配置需求 舞臺正上方的前后左右四個位置分別安裝一個旋轉(zhuǎn)彩燈。每個旋轉(zhuǎn)彩燈分別由一臺電機帶動。由于旋轉(zhuǎn)彩燈的所需功率較小，所以這里選擇YS-7134型號的電機。通過對電機的轉(zhuǎn)速進行控制來控制旋轉(zhuǎn)彩燈的轉(zhuǎn)速。四個電機由一臺變頻器拖動。這樣可以保證四個旋轉(zhuǎn)彩燈的同步性，以達到美觀的效果。3.燈光換色器設計配置需求 部分燈安裝換色器，根據(jù)表演的需要給燈換以不同的，烘托表演氛圍，增加舞臺表演的多樣性。4.升降舞臺的設計配置需求升降舞臺的整個行程為舞臺平面下2m到舞臺平面上1m。整個升降舞臺由兩個單獨的平行升降臺構(gòu)成，如圖2.2所示。兩塊升降臺分別通過兩臺電機來拖動。這里電機選擇Y180M-2型三相異步電機，該型號電機效率高、節(jié)能好、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動小、運行安全可靠。電機主軸通過減速器與柔性齒輪條的結(jié)合，把電機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)槲枧_的上升與下降。 升降臺2 升降臺1圖2.2升降舞臺俯視圖5.音響系統(tǒng)供電配置需求燈光和音響是舞臺表演的兩大重要組成部分。對于舞臺表演藝術(shù)來說，二者同等重要。所以為了安全和演出效果不受干擾，現(xiàn)對音響擴聲系統(tǒng)的配電提出以下要求： 音響擴聲系統(tǒng)的配電與舞臺燈光的配電完全分開，并且要有穩(wěn)壓處理。在變壓器部分，音響擴聲系統(tǒng)和舞臺燈光系統(tǒng)也應當獨立使用。擴聲系統(tǒng)供電容量AC220V/10KVA，有條件的話，最好二路供電，主、備自動切換。為了防止電磁干擾，電力管線與音響管線應盡量交叉放置，若平行則必須保距離持50厘米以上的。2.2控制方案的選擇2.2.1繼電器控制的特點 如今繼電器已經(jīng)應用到國內(nèi)生產(chǎn)的方方面面，在一些小型系統(tǒng)的控制上，繼電器控制因為其控制方式單一，所以更加的容易實現(xiàn)。但是這也是隨之帶來的一些問題。繼電器控制是通過硬件接線的方式來實現(xiàn)的。當控制系統(tǒng)較大或者系統(tǒng)的輸出較多時，繼電器控制的接線就會非常復雜，占用的資源也較多。當系統(tǒng)形成后，很難對系統(tǒng)的功能進行調(diào)整。系統(tǒng)的可擴展性受到很大的限制。同時，由于系統(tǒng)的觸點和連線較多，所以給后期對系統(tǒng)的維護和維修都帶來了極大的不便。2.2.2 PLC控制的特點PLC即為可編程邏輯控制器的簡稱。PLC控制具備以下優(yōu)點1、功能強大，實用性高。2、穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。3、系統(tǒng)易于調(diào)試操作。4、編程方法簡單5、系統(tǒng)易于維護與維修。6、占用空間小，能耗低。PLC的弊端是PLC的體系較為閉塞與獨立，當用戶選擇了一種PLC后，必須選擇相應的控制規(guī)則，學習相應的語言。 本控制系統(tǒng)輸出點較多，如果使用繼電器控制則浪費成本并且在多個輸出同時工作的情況下，控制過程較為繁冗，還會產(chǎn)生大量的熱量造成安全隱患。并且在改變燈光的控制規(guī)律時PLC控制更加方便。所以我選擇PLC控制。2.3系統(tǒng)建模異步電機數(shù)學模型的建立：異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩為： (2.1)式中：m相數(shù)，一般取m=3；p電機極對數(shù)；s轉(zhuǎn)差率；U1、w1定子的相電壓、定子的角頻率；R1、R2定子每相電阻、轉(zhuǎn)子每相電阻； L1、L2定子每相漏感、轉(zhuǎn)子每相漏感； 異步電機在正常工作的情況下，其臨界滑差率一般較大，即轉(zhuǎn)差率S小。所以有 ，即為： （2.2） 將帶入式（2.2）得 （2.3）式中：、同步轉(zhuǎn)速、實際轉(zhuǎn)速r/min；電機在調(diào)速過程中，與的比例關(guān)系基本恒定，得到，為變頻調(diào)速增益，則 （2.4）其中,則： （2.5)根據(jù)電動機銘牌上標明的各個額定參數(shù)：功率，電壓，轉(zhuǎn)速，可計算出 ; 將結(jié)果帶入式（2.3），可推導出未知數(shù): (2.6)進而可得的值。由電機機械運動方程： （2.7）式中：工作機械負載轉(zhuǎn)矩，N.m；電動機及負載轉(zhuǎn)動慣量，kg.；轉(zhuǎn)動慣量，kg.將式（2.5）帶入（2.6）得： （2.8）式2.16經(jīng)拉式變換得： （2.9）得到電機傳遞函數(shù)近似為： （2.10） 2.4控制升降舞臺的電機的調(diào)速方式2.4.1變頻調(diào)速的控制方法在本文中，升降舞臺通過電機來帶動，所以要想控制舞臺的同步升降，只要控制了電機轉(zhuǎn)速的同步性就可以控制升降舞臺的同步性。控制電機的轉(zhuǎn)速就涉及到電機的調(diào)速。變頻調(diào)速是常用的電機調(diào)速的方式。概括來說，變頻調(diào)速是通過改變電源頻率來調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速的連續(xù)平滑調(diào)速方法，改變電機電源來改變其轉(zhuǎn)速。 在變頻調(diào)速領(lǐng)域，異步電機在調(diào)速時保持恒定的轉(zhuǎn)差功率，其效率高、動態(tài)性能好的優(yōu)點使其占有不可替代的地位，更有著不可比擬的優(yōu)勢。該方式能夠從根本上入手，對電機施行控制，其控制思想是根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)方程的變換研究得來的，由電機學理論知識得知： 首先定義轉(zhuǎn)差率 s 為： （2.11） 由式(2.11)經(jīng)代數(shù)變換得： （2.12）由于 （2.13）將式(2.13)帶入式(2.14)，則有異步電機轉(zhuǎn)速公式： （2.14）式中：同步轉(zhuǎn)速，r/min；n機械轉(zhuǎn)速；定子電源頻率，Hz；P電機的極對數(shù)；S轉(zhuǎn)差率。由公式(2.14)可知，要使電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，可通過以下三種參數(shù)的調(diào)整來實現(xiàn)：電源頻率、極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率。通常情況下，極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率會保持不變，因此只能靠改變供電電源的頻率，來使發(fā)生相應變化，進而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)整。 2.4.2變頻調(diào)速的方式由電機學可知： （2.15） 式中： 定子每相繞組感應電動勢； 定子繞組的每相串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組的系數(shù)； 每極氣隙的磁通量； 忽略定子阻抗壓降，得到： （2.16）由(2.6)看出，如果電壓保持不變，那么隨著與氣隙的磁通量 成反比關(guān)系，即 增大則變小，若變小則增大。 異步電動機的轉(zhuǎn)矩表達式如下： （2.17）式中： 異步電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)；轉(zhuǎn)子繞組電流；轉(zhuǎn)子繞組功率角； 可見，如果減小，則電機的輸出轉(zhuǎn)矩M也會減小，最終使電機的效率變低，同時，電動機的最大轉(zhuǎn)矩也受到影響，嚴重時會導致電機堵轉(zhuǎn)；所以在大多數(shù)情況下會選擇恒壓頻比控制。在電機調(diào)速的時候，一般情況下應盡量將每極磁通量控制在系統(tǒng)規(guī)定的數(shù)值上下。假如磁通量很低，則意味著電機鐵心存在很大的浪費，沒有資源的合理有效應用；但假若一味提高磁通量，那么鐵心會飽和，甚至電機會因為繞組過熱而被燒壞。直流電動機有獨立的勵磁系統(tǒng)，所以要保持磁通恒定主要以補償電樞反應的方式來實現(xiàn)。不同的是，異步電機中的磁通是由定子和轉(zhuǎn)子磁動勢共同合成，所以要想保持磁通恒定就沒那么容易了。 由公式(2.5)可知，想要保證氣隙磁通量恒定，就要使電源頻率 從額定值慢慢降低的過程中，調(diào)節(jié)感應電動勢的大?。?（2.18）但是，由于感應電動勢的調(diào)節(jié)比較困難，所以當電動勢處于較大的值時，定子壓降可以忽略，此時，故： （2.19） 以上即為恒壓頻比控制。2.5升降舞臺的控制方法升降舞臺通過電機來帶動。一般的升降舞臺的升降速度大約為1m/S.對電機啟動加速時間進行設置，來控制電機的加速時間，進而控制舞臺的上升時的加速時間。在舞臺停止時，還應當設置減速點，當舞臺上升到減速點位置時，舞臺開始減速，到達停止點時（即限位開關(guān)），舞臺停止上升。這里加速時間設置為電機啟動后，速度在0.5s內(nèi)達到1000r/min然后保持勻速轉(zhuǎn)動，到達減速點，速度時在0.5s內(nèi)轉(zhuǎn)速變?yōu)?。按下下降按鈕時，舞臺開始下降，電機的轉(zhuǎn)速在0.5s內(nèi)達到1000r/min，到達減速點時，舞臺開始減速，達到停止點時，舞臺停止下降。這里的電機以及旋轉(zhuǎn)彩燈所用到的電機啟動方式均為變頻啟動，這樣可以節(jié)約能源，減少大電流對繞組的沖擊，延長電機的壽命。為了安全起見，升降舞臺的兩塊升降臺應當達到同步控制的效果。這里我選擇同步控制誤差小于30mm的標準，這樣在安全和視覺兩方面均可以有很好地保證。2.5.1兩種同步控制方式的比較升降舞臺的同步控制的思路分為兩種。第一種稱為并行控制。這是一種最簡單的控制方式。顧名思義，并行控制就是將多臺電機采取并聯(lián)的方式，各個升降臺的調(diào)速系統(tǒng)都接受相同的信號來控制電機的轉(zhuǎn)速。這種方式容易實現(xiàn)，但是抗干擾能力較弱。如圖2.3就是并行控制的示意圖。圖2.3并行控制示意圖另一種是主從控制，它是將兩臺電機分為主電機和從電機。主電機的輸出值就是從電機的輸入值。也就是說從電機的輸出可以跟隨主電機的輸出來進行調(diào)整。而從電機的輸出不會影響主電機，這樣安全性和整體性都大大提高。如圖2.4就是主從控制的示意圖。所以選擇主從控制的方式更加能夠保證系統(tǒng)的整體性和同步性，從而提高安全性。圖2.4主從控制示意圖現(xiàn)代升降舞臺系統(tǒng)中，由于舞臺運動過程中存在負載不均勻 ，摩擦阻力大小不一等因素，因此舞臺同步控制是一個復雜、時變動態(tài)過程，存在非線性、大慣性的特征。傳統(tǒng) PID 控制算法簡單，可靠性較高，應用設計簡便，應用廣泛，對于確定數(shù)學模型的系統(tǒng)可以獲得最好的控制效果。所以PID控制在舞臺同步控制方面仍然占有一席之地。在本次設計中采用PID控制來實現(xiàn)兩塊升降臺的同步升降。2.6系統(tǒng)的輸入輸出分析針對上述中的對控制方案的描述，現(xiàn)總結(jié)得出系統(tǒng)的輸入輸出。系統(tǒng)共有8個輸入，29個輸出。輸入分別為啟動按鈕，停止按鈕，舞臺上升按鈕，舞臺上減速按鈕，舞臺上停止按鈕，舞臺下降按鈕，舞臺下停止按鈕，舞臺下減速按鈕。輸出為各個舞臺燈的亮暗和帶動升降舞臺，旋轉(zhuǎn)彩燈和風扇泡泡機的各個電機的變頻啟動和工頻運行。 綜上所述本章總體介紹了舞臺燈光控制系統(tǒng)的設計思路。分別對燈光控制系統(tǒng)部分以及升降舞臺部分的設計思路以及設計需求做了介紹。在舞臺燈的空間布局完成后，我初步選擇了一套閃爍燈的閃爍方案。在升降舞臺部分，我選擇了主從控制的控制思路，運用PID來達到兩塊升降臺同步控制的效果。在升降舞臺的調(diào)速上，為了提高電機的輸出效率，我選擇了恒壓頻比的調(diào)速方式。最后對系統(tǒng)整體的輸入輸出做了分析，第3章 硬件設計 本章節(jié)討論了硬件的選型。主要包括PLC的選型，CPU的選型，舞臺燈光的選擇以及變頻器的選擇。本章節(jié)還給出了舞臺燈光的I/O表和電氣原理圖，并分別對其做出了一定的解釋。3.1系統(tǒng)整體概述 系統(tǒng)總體分為輸入單元、輸出單元、和CPU。輸入單元由輸入按鈕，輸出按鈕組成。輸出單元由28盞燈和升降舞臺、煙霧機和風扇泡泡機組成。編寫的程序存放在存儲器中。 如圖3.1，當按下啟動按鈕時，PLC開始工作，CPU開始執(zhí)行相應的程序來控制某些繼電器的觸點的閉合或者斷開。此時控制旋轉(zhuǎn)彩燈的繼電器觸電閉合，控制燈L1-L7的繼電器觸電也閉合，所以常亮燈的8盞燈變亮。且會持續(xù)到停止按鈕按下。同時，如果演出需要，則可以開啟煙霧機制造煙霧，也可以開啟風扇泡泡機，共同配合燈光營造出特定的演出氛圍。最后還設置了急停按鈕。萬一出現(xiàn)意外情況，則可以按下急停按鈕，所有的繼電器觸電全部斷開，避免造成不必要的損失。圖3.1舞臺燈光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2 控制器的選擇目前市面上市場占有率較高的PLC品牌有三種，分別是西門子PLC，三菱PLC和歐姆龍PLC。三菱的優(yōu)勢在于離散控制和運動控制，三菱的指令豐富，有專用的定位指令，控制伺服和步進容易實現(xiàn)，要實現(xiàn)某些復雜的動作控制也是三菱的強項，但是三菱PLC模擬量模塊價格較為昂貴，程序也較為復雜。歐姆龍PLC使用較為方便，價格較低。適合小型系統(tǒng)的控制，但是其穩(wěn)定性欠佳。西門子PLC價格適中抗干擾能力比較強，也比較耐用，維護率，損壞率比較低。最重要的是西門子的模擬量模塊價格便宜，程序簡單。而本文中對大量彩燈的控制均為模擬量。所以綜合考慮后，我選擇了西門子品牌的PLC。而S7系列的PLC又是西門子PLC中最為經(jīng)典的，所以我選擇西門子S7系列的PLC。1、S7-300S7-300針對適用于低性能且結(jié)構(gòu)模塊化的中小型控制系統(tǒng)，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)高度模塊化，很容易就可以實現(xiàn)配置分布化，不論從電磁兼容性還是抗震沖擊性能上其性價比都非常高，這也是它被廣泛應用于眾多的工業(yè)控制領(lǐng)域的原因。另外它也可在很多不同的CPU模塊中選擇使用，擴展模塊更是多達32個模塊。這使得它變的很強大。2、SIMATIC S7-400(產(chǎn)于德國西門子公司）S7-400 PLC的性能偏中、高檔，廣泛應用于機械行業(yè)，它較S7-200和S7-300而言處理速度快，通訊能力更強，采用免風扇的模塊化形式，保證了其安全可靠性，多種CPU、通用功能模塊使得S7-400 PLC可以根據(jù)不同的需求組合成不同的系統(tǒng)。還有一個特出的優(yōu)點是其只需要增加少許的模塊即可在控制系統(tǒng)的范圍變大的時候使系統(tǒng)滿足其需求。3、S7-200S7-200 PLC是小型化的PLC種類，它適用性強，與自動化檢測和控制有關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域都將S7-200 PLC廣泛的應用其中，性價比高，在各種行業(yè)、場合中都能自動檢驗、監(jiān)測并控制，它的功能很強大，不管是單機運行還是以網(wǎng)絡形式運行都能夠?qū)碗s的控制完成，安全性、可靠性都很高，另外它的內(nèi)容簡單，很容易掌握并操作，豐富的指令集、內(nèi)置集成功能、擴展模塊以及超強的通訊能力更是讓這個產(chǎn)品實用無比。對三種不同的PLC進行比較，S7-300PLC和S7-400PLC的CPU模塊、通信模塊等等都適用于本系統(tǒng)。但結(jié)合實驗室以及設備的型號特點，需要昂貴的經(jīng)費支持。因此其設備控制的需求不高，性價比反而較低。而S7-200不僅完全符合應用要求，性價比還很高。最終選取S7-200PLC作為核心控制處理器。文章中所使用的是來自西門子(SIEMENS)S7-200系列CPU226可編程控制器。在本次設計中，一個輸出點控制一盞燈，CPU226只有16個輸出，所以需要增加擴展模塊。西門子(SIEMENS)S7-200系列CPU226在編程環(huán)境等方面，它不僅具備了以往的小型PLC所具有的功能，盡可能使安裝空間最小化，并實現(xiàn)了具有10點-100點輸入輸出點數(shù)的彈性構(gòu)成。而且還可連接可編程控制終端。表3.1 CPU22X(CPU226)主要技術(shù)指標表型號CPU226程序/字4096用戶數(shù)據(jù)/字2560用戶儲存器類型EEFPROM本機I/O24入/16出數(shù)字量I/O映像區(qū)大小/bit256最大模擬量輸入輸出32入/32出I/O映像寄存器/bit1281/和1280順序控制繼電器/bit2563.3舞臺燈的選型 舞臺的燈光排布分為3個橢圓形的光道。其中為舞臺提供基本照明功能的是作為舞臺主燈光的中間光道的8盞燈L1-L8。主燈光的作用除了提供基本的照明外還要能夠正面勾勒演員輪廓和突出演員的表情。所以L1-L8我選取4臺2KW的聚光燈和4臺2KW的回光燈。聚光燈投射距離遠，可以突出演員的輪廓，回光燈投射角度大，可以形成大的舞臺光斑，提高舞臺亮度并且增加美感。 在三條光道最里側(cè)的光道上的8盞燈，主要負責對演員上方的區(qū)域和其他的一些舞臺場景進行照亮，所以我選擇4臺2KW的聚光燈和4臺2KW的柔光燈，并且交錯放置。柔光燈光照強度較弱，可以凸顯出演員衣著和其他場景的顏色。 在環(huán)形光道最外側(cè)的8盞燈因為位置靠近外圍，所以為側(cè)光燈。用于制造一些影音區(qū)域來烘托一定的氛圍。這里我選用2KW散光燈4臺和2KW回光燈4臺。 旋轉(zhuǎn)彩燈則在舞臺正上方的前后左右四個方位各安裝一個。旋轉(zhuǎn)彩燈使用工作電壓為220V，功率為10W的LED旋轉(zhuǎn)彩燈。3.4變頻器的選擇在本文中，升降舞臺以及旋轉(zhuǎn)彩燈部分均需要電機來帶動。而電機的調(diào)速部分則由變頻器來完成。我選擇PLC同屬西門子公司的MICROMASTER 440變頻器。該變頻器具有安全系數(shù)高。穩(wěn)定性能好的特點?？梢詫崿F(xiàn)多種參數(shù)設定的自由切換。并且自身保護功能完善，可進行電壓及欠電壓保護、變頻器過熱保護、接地故障保護、短路保護和PTC/KTY電動機過載保護等。圖3.2是MICROMASTER 440變頻器的示意圖圖3.2MM440變頻器示意圖3.5舞臺燈光的 I/O 地址分配表（1）輸入表3.2舞臺燈光的輸入序號名稱輸入點1啟動按鈕I0.02停止按鈕I0.13舞臺上停止I0.34舞臺上減速I0.45舞臺下停止I0.56舞臺下減速I0.67舞臺上升I0.78舞臺下降I1.0（2）輸出表3.3舞臺燈光的輸出序號名稱輸出點1Q0.0L1燈2Q0.1L2燈3Q0.2L3燈4Q0.3L4燈5Q0.4L5燈6Q0.5L6燈7Q0.6L7燈8Q0.7L8燈9Q1.0L9燈10Q1.1L10燈11Q1.2L11燈12Q1.3L12燈13Q1.4L13燈14Q1.5L14燈15Q1.6L15燈16Q1.7L16燈17Q2.0L17燈18Q2.1L18燈19Q2.2L19燈20Q2.3L20燈21Q2.4L21燈22Q2.5L22燈23Q2.6L23燈23Q2.7L24燈23Q3.0L25燈24Q3.1L26燈25Q3.2L27燈26Q3.3L28燈27Q3.4M1變頻啟動28Q3.5M1工頻運行29Q3.6M2變頻啟動30Q3.7M2工頻運行31Q4.0M3變頻啟動32Q4.1M3工頻運行33Q4.2M4變頻啟動34Q4.3M4工頻運行35Q4.4M5變頻啟動36Q4.5M5工頻運行37Q4.6煙霧機38Q4.7風扇泡泡機39Q5.1舞臺停止本控制系統(tǒng)的輸出分配如表3.4所示，我設計的舞臺燈具共28盞，CPU226的輸出點共有十六個，一個輸出點控制一盞燈的亮滅明顯是不夠用的。于是我就想到了添加擴展模塊。這樣可以使得每一個彩燈都可以獨立工作，使煙霧機與風扇泡泡機也可以獨立工作互不影響，提高系統(tǒng)的安全性。3.6舞臺燈光控制系統(tǒng)電氣原理圖圖3.3所示是變頻一個變頻器帶動四個電機在一定轉(zhuǎn)速下運行，這四個電機均為變頻啟動。M1-M4控制驅(qū)動旋轉(zhuǎn)彩燈L24-L28的旋轉(zhuǎn)。圖3.4所示的是一個變頻器帶動舞臺升降的電機轉(zhuǎn)動以及帶動風扇泡泡機和煙霧機工作的電機。其中M5驅(qū)動升降舞臺的運行，M6帶動風扇泡泡機的運行，M7帶動煙霧機的運行圖3.5顯示的是彩燈與西門子PLC的連接方式。PLC電源使用直流24V電源。輸出點Q0.0-Q0.7連接常亮燈L1-L8，Q1.0-Q1.7連接閃爍燈L9-L16。輸入點SB1是啟動按鈕，SB2是停止按鈕，SB8控制舞臺上升，SB9控制舞臺下降，SB10控制舞臺停止。LS1是控制舞臺上升停止的點，LS2是控制舞臺下降停止的點，LS3是控制舞臺上升時的減速點，LS4是控制舞臺下降時的減速點。圖3.6是拓展模塊，同樣接直流24v的電源。輸出點Q2.0-Q2.3接閃爍燈L17-L20，Q2.4-Q2.7接閃爍燈L21-L24.圖3.3旋轉(zhuǎn)彩燈電機部分原理圖圖3.4升降舞臺、煙霧機、風扇泡泡機部分原理圖圖3.5PLC輸入輸出部分原理圖圖3.7也是擴展模塊，其中輸出點Q3.0-Q3.3接旋轉(zhuǎn)彩燈L25-L28。開關(guān)K1是M1電機變頻啟動，K2是控制M1電機工頻運行。開關(guān)K3是M2電機變頻啟動，K4是控制M2電機工頻運行。圖3.8也為拓展模塊，開關(guān)K5是M3電機變頻啟動，K6是控制M3電機工頻運行。開關(guān)K7是M4電機變頻啟動，K8是控制M4電機工頻運行。開關(guān)K9是M5電機變頻啟動，K10是控制M5電機工頻運行。K11是控制煙霧機的開關(guān)，K12是控制風扇泡泡機的開關(guān)。圖3.6拓展模塊原理圖1圖3.7拓展模塊原理圖2圖3.8拓展模塊原理圖3 綜上所述，本章節(jié)重點介紹了舞臺燈光控制系統(tǒng)硬件部分的的設計，主要介紹了各部分的主要工作原理和實現(xiàn)的功能以及電氣原理圖。有了硬件的基礎(chǔ)，通過程序等軟件的制作才能更好地實現(xiàn)所需要的效果。22第4章 軟件設計 本章節(jié)是舞臺燈光控制系統(tǒng)的軟件設計部分。首先對step7軟件的功能做了一定的介紹，然后給出了整體的程序流程圖和一些模塊的程序設計。4.1 step7介紹STEP7作為西門子的主要軟件部分，運用于可編程控制中。STEP7的作用不僅僅能實現(xiàn)硬件部分工作，更能使整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)通信運行。STEP7軟件工具包括SIMATIC管理器、符號編輯器、硬件診斷、編程語言、硬件配置、網(wǎng)絡配置。以下對這些工具進行詳細的描述。SIMATIC作用是管理控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)以及程序。符號編輯器管理著控制系統(tǒng)中的文字符號，存儲器等的模塊符號就是它給標注并識別的。硬件診斷工具顧名思義管理著控制系統(tǒng)的整體運行的狀態(tài)，如果有些模塊出現(xiàn)了故障等情況，就可以打開硬件診斷工具來清楚的看到到底是哪里出了問題，這樣才能解決掉故障使系統(tǒng)能繼續(xù)正常工作。編程語言是我們最熟悉的工具模塊，包括梯形圖、語言句以及功能模塊圖。其中，梯形圖最大的優(yōu)點在于簡單易懂，在開關(guān)控制部分尤其加大對它的使用度。語言句作為編程語言的文本指示來編寫系統(tǒng)需要的一步步程序。而功能圖同梯形圖一樣也是系統(tǒng)的圖形表示方法。硬件配置工具運用于對I/O口等參數(shù)的分配。網(wǎng)絡配置工具主要控制著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。4.2程序流程圖如圖4.6為舞臺燈光控制系統(tǒng)的流程圖。本系統(tǒng)由28組燈組成，分別由PLC 的輸出端口 Q0.0-Q0.7、Q1.0-Q1.7、Q2.0-Q2.7以及Q3.0-Q3.3控制。按下啟動按鈕SB1后，旋轉(zhuǎn)彩燈L25-L28開始亮起并且開始旋轉(zhuǎn)。由Q0.0-Q0.7控制的燈L1-L8 亮，作為舞臺的主光源，一直保持亮的狀態(tài)。0.5秒后，由Q1.0、Q1.1控制的燈 L9、L10 亮0.5秒，然后由 Q1.4、Q1.5、Q1.6和Q1.7 控制的燈L13-L16亮0.5秒；然后，由Q1.2和Q1.3控制的燈L11、L12亮0.5 秒；然后由Q1.6和Q1.7以及Q2.0和Q2.1控制的燈L15-L18亮0.5秒；然后，由 Q1.4和Q1.5控制的燈L13、L14亮0.5秒；然后由Q2.0、Q2.1、Q2.2、Q2.3和Q2.4控制的燈L17-L20亮 0.5 秒；然后，由Q1.6和Q1.7控制的燈L15、L16亮0.5秒；然后由Q2.2、Q2.3、Q2.4和Q2.5控制的燈L19-L22 亮 0.5 秒；然后，由Q2.0和Q2.1控制的燈L17、L18 亮燈0.5秒；然后由Q1.8、Q1.9、Q2.0和 Q2.1控制的燈L21-L24 亮燈0.5 秒；然后，由Q2.2和Q2.3控制的燈L19、L20亮燈0.5秒；然后由Q2.6、Q2.7和Q1.0、Q1.1控制的燈L23、L24、L9、L10亮燈0.5秒；然后，由Q2.4和Q2.5控制的燈L21、L22 亮燈0.5秒；然后由Q1.0和Q1.1、Q1.2、Q1.3控制的燈L9-L12亮燈0.5秒；然后，由Q2.6、Q2.7控制的燈 L23、L24亮燈0.5秒；然后由Q1.2、Q1.3、Q1.4和Q1.5控制的燈L11-L14亮燈。然后從頭開始循環(huán)直到按下SB2停止按鈕后，所有燈都熄滅。該設計的舞臺燈分為常亮燈和閃爍燈，給人們帶來了一場視覺盛宴也滿足了人們的審美心理的需要，使舞臺背景空間最大限度地利用了PLC的價值，并達到使用功能和審美功能的統(tǒng)一。舞臺燈光控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖4.1。圖4.1閃爍燈工藝流程圖4.3程序設計（1）主程序設計圖4.2主程序 圖4.7所示為主程序部分，分別初始化調(diào)用升降舞臺和的光控制部分的子程序。（2）旋轉(zhuǎn)彩燈啟動圖4.3旋轉(zhuǎn)彩燈部分程序 按下開始按鈕，同時輸出點Q3.4為控制旋轉(zhuǎn)彩燈L25的電機M1開始變頻啟動，輸出點Q3.6為控制旋轉(zhuǎn)彩燈L26的電機M2開始變頻啟動，輸出點Q4.0為控制旋轉(zhuǎn)彩燈L27的電機M3開始變頻啟動，輸出點Q4.2為控制旋轉(zhuǎn)彩燈L28的電機M4開始變頻啟動這里啟動加速時間為3秒鐘。（3）旋轉(zhuǎn)彩燈的電機切換到工頻運行圖4.4燈光部分程序1 如圖4.9所示，當啟動結(jié)束后，M1-M4開始以工作頻率開始運行。輸出點為Q3.5,Q3.7，Q4.1，Q4.3。（4）按下啟動按鈕后，0.5秒后L9-L10亮圖4.5燈光部分程序2 如圖4.10所示，按下啟動按鈕，輸出點Q1.0和Q1.1控制的L9和L10開始點亮0.5秒。（5）0.5秒后L13-L16燈亮圖4.6燈光部分程序3 如圖4.11所示，Q1.0和Q1.1控制的L9和L10熄滅，Q0.14-Q1.7控制的燈L13-L16開始點亮0.5秒。（7）舞臺升降部分圖4.7舞臺升降部分程序 如圖4.12是舞臺升降部分。I0.7為舞臺上升的控制輸入，按下I0.7后，帶動舞臺上升的電機M5開始變頻啟動。在變頻啟動結(jié)束后，輸出Q4.5，即M5工頻運行。運行到減速點時，輸入I0.5，M5開始減速，直到到達停止點，舞臺停止，輸出Q5.1。（8）循環(huán)部分圖4.8循環(huán)部分程序 如圖4.13為循環(huán)部分程序，首先在此對彩燈部分程序初始化，然后開始循環(huán)。4.4 PID控制的設計由上文可知：三相異步電機的數(shù)學模型為 該升降舞臺同步控制系統(tǒng)的電機采用 Y180M-2 型三相異步電機，該型號電機效率高、節(jié)能好、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動小、運行安全可靠其參數(shù)為：額定功率；極對數(shù)p =1；額定轉(zhuǎn)速=2940r/min；額定電壓=380 V；額定電流=41.5 A；工頻=50Hz；額定轉(zhuǎn)矩=71.463 N /m；轉(zhuǎn)動慣量=0.075kg/。將和P帶入公式（2.3）可得： （4.1）將額定轉(zhuǎn)速和求出的同步轉(zhuǎn)速代入公式(2.11)可得： （4.2）將額定電壓、電機極對數(shù)p、額定轉(zhuǎn)矩、工頻、轉(zhuǎn)差率s 代入公式(2.23)可得： (4.3)將以上求出的額定電壓、電機極對數(shù)p、轉(zhuǎn)子每相電阻、工頻代入變頻調(diào)速增益公式可得： （4.4）將計算出的變頻調(diào)速增益以及電機銘牌的參數(shù)代入公式(2.27)，可得到電機的傳遞函數(shù)為： （4.5）變頻器的輸入是控制電壓，得到相應的電源頻率和電機定子的相電壓,與與的關(guān)系為；因此： （4.6）變頻器加速時間設置成0.5s，得到其傳遞函數(shù)為： （4.7）4.4.1PID參數(shù)整定在MATLAB SIMULINK仿真平臺下，如圖4.9采用主從同步控制方式，建立二電機同步控制結(jié)構(gòu)，首先采用常規(guī)PID控制算法。通過運用PID試湊法整定參數(shù)，該方法原則為：對參數(shù)調(diào)整實行先比例、后積分，再微分的整定步驟。