舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： _ 日 期： 2017.6.14 電子信息工程學(xué)院太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)院（直屬系）：電子信息工程學(xué)院 時(shí)間：2017年3月1日學(xué) 生 姓 名指 導(dǎo) 教 師設(shè)計(jì)（論文）題目舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要研究內(nèi)容 掌握PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，掌握PLC的編程方法，利用PLC實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。研究方法原理設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)(或研究目標(biāo))1、掌握PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。2、完成控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，給出控制系統(tǒng)原理圖。3、完成控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，編制控制程序。教研室意見教研室主任（專業(yè)負(fù)責(zé)人）簽字： 年 月 日 說明：一式兩份，一份裝訂入學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)，一份交學(xué)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(shè)計(jì)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(diǎn)5 2.2.2 PLC控制的特點(diǎn)6 2.3系統(tǒng)建模6 2.4控制升降舞臺(tái)的電機(jī)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(tái)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(shè)計(jì)14 3.1系統(tǒng)整體概述14 3.2 控制器的選擇15 3.3舞臺(tái)燈的選型16 3.4變頻器的選擇17 3.5舞臺(tái)燈光的 I/O 地址分配表17 3.6舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)電氣原理圖19第4章 軟件設(shè)計(jì)24 4.1 step7介紹24 4.2程序流程圖24 4.3程序設(shè)計(jì)26 4.4 PID控制的設(shè)計(jì)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(tái)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(xiàn)41附錄42I太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)摘要為了解決解決過去簡單機(jī)械式的舞臺(tái)燈光控制方式的效率低和效果差的問題和升降舞臺(tái)無法同步升降而導(dǎo)致演出事故時(shí)有發(fā)生的問題。本文設(shè)計(jì)了一種基于西門子s7-200的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)中，針對舞臺(tái)燈數(shù)量較多，且閃爍效果多變的特點(diǎn)。結(jié)合PLC控制的優(yōu)點(diǎn)，通過PLC的多種程序指令實(shí)現(xiàn)對舞臺(tái)上28盞燈亮滅的控制。通過對時(shí)間繼電器的控制來實(shí)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(tái)燈光有規(guī)律的亮滅，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。其次，針對升降舞臺(tái)同步控制系統(tǒng)大慣性、非線性、時(shí)變性等特點(diǎn)，結(jié)合常規(guī)PID控制的優(yōu)點(diǎn)，提出了PID控制算法用于升降舞臺(tái)系統(tǒng)的同步控制。通過MATLAB仿真證明采用PID控制算法能達(dá)到系統(tǒng)同步性、快速性、穩(wěn)定性的要求。 關(guān)鍵詞：舞臺(tái)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(xué)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(qiáng)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(shí)際生活中的應(yīng)用越來越廣泛。在這個(gè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)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(shí)也提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，減少了系統(tǒng)出錯(cuò)的幾率。本論文設(shè)計(jì)了一個(gè)舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)，它多用于宴會(huì)廳，酒吧等場所。系統(tǒng)采用PLC控制的方法，最終實(shí)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(dòng)化控制領(lǐng)域，PLC始終都占有一席之地，為許許多多的自動(dòng)化系統(tǒng)提供了可靠穩(wěn)定的控制。它可操作性強(qiáng)，不但可以使得很多復(fù)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(dāng)下大的市場環(huán)境。 舞臺(tái)燈光是根據(jù)舞臺(tái)藝術(shù)演出的法則和特定的表演需求而設(shè)計(jì)的。其目的在于配合各種表演藝術(shù)來營造烘托出相應(yīng)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(huì)廳歌劇院的場所的要求越來越高。從運(yùn)用方面來說，我國在舞臺(tái)燈光的美觀設(shè)計(jì)上的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，只是在舞臺(tái)燈光系統(tǒng)的實(shí)際控制方面稍有欠缺。 伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)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(jìn)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(shí)的安全系數(shù)。 在國際潮流和科技的推動(dòng)下，舞臺(tái)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(diǎn)的基礎(chǔ)上，舞臺(tái)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(shí)隨著自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，舞臺(tái)燈光系統(tǒng)的自動(dòng)化程度也日益提高。 在升降舞臺(tái)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(gè)無法完全解決的難題。由于升降舞臺(tái)的控制的不嚴(yán)謹(jǐn)性，演出事故也是時(shí)有發(fā)生。例如旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)的失控，導(dǎo)致在演出結(jié)束時(shí)演員無法正面對觀眾。還有，由于多塊升降舞臺(tái)的的不同步性，導(dǎo)致在某一平面時(shí)多塊升降臺(tái)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(shí)現(xiàn)舞臺(tái)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(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)化的舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)，可以用于酒吧或者宴會(huì)廳的閃爍燈。所謂自動(dòng)化就是指不需要人過多的干預(yù)就能夠自動(dòng)的配合舞臺(tái)氛圍或者場景的需要來達(dá)到控制一些燈的亮暗以及它們的閃爍頻率的目的。本次設(shè)計(jì)通過PLC的控制，使舞臺(tái)燈光的亮暗閃爍更加自動(dòng)化和多樣化。我首先選擇了PLC的型號(hào)，我選取了西門子S7-200系列的CPU226可編程控制器。然后進(jìn)行了輸入和輸出的分析。在進(jìn)行完這些準(zhǔn)備工作后，我開始對舞臺(tái)燈進(jìn)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(tái)電機(jī)帶動(dòng)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(gè)橢圓形光道上，每個(gè)光道由大到小依次嵌套，并且每個(gè)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(tái)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(shí)，考慮到所選用的CPU輸出點(diǎn)不夠，所以我增加了三個(gè)拓展模塊來滿足我的設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)還帶有舞臺(tái)升降的部分以及還帶有風(fēng)扇泡泡機(jī)和煙霧機(jī)。在升降舞臺(tái)部分包括兩塊獨(dú)立的升降臺(tái)，為了安全起見，在起降時(shí)應(yīng)當(dāng)達(dá)到同步起降的效果。在需要時(shí)，按下相應(yīng)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(shè)計(jì)方案，主要介紹了系統(tǒng)控制方案的選擇、舞臺(tái)燈光的工藝要求以及舞臺(tái)升降舞臺(tái)的同步控制方法，還有控制升降舞臺(tái)的電機(jī)的調(diào)速方法。第3章是系統(tǒng)整體的硬件設(shè)計(jì)，對PLC的型號(hào)選擇、CPU的型號(hào)的選擇、舞臺(tái)燈的選型進(jìn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案本章節(jié)主要介紹了舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。主要包括舞臺(tái)燈光的空間布局和其工藝要求。為了安全，還增加了擴(kuò)聲系統(tǒng)的配電要求。最后介紹了升降舞臺(tái)部分的設(shè)計(jì)思路以及控制方法。2.1系統(tǒng)的功能需求分析舞臺(tái)燈光的設(shè)計(jì)宗旨是配合舞臺(tái)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(tái)燈光的空間布置要科學(xué)實(shí)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(shí)還控制舞臺(tái)升降、開啟煙霧機(jī)和風(fēng)扇泡泡機(jī)來配合燈光營造表演氛圍。1.頂光系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)橢圓形光道上。每個(gè)光道由8 盞燈組成。中間光道的8盞燈依次為L1-L8，設(shè)定為常亮燈，作為舞臺(tái)的主要光源。內(nèi)光道由L9-L16組成，外光道由L17-L24構(gòu)成，設(shè)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(shè)計(jì)配置需求 舞臺(tái)正上方的前后左右四個(gè)位置分別安裝一個(gè)旋轉(zhuǎn)彩燈。每個(gè)旋轉(zhuǎn)彩燈分別由一臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)。由于旋轉(zhuǎn)彩燈的所需功率較小，所以這里選擇YS-7134型號(hào)的電機(jī)。通過對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制來控制旋轉(zhuǎn)彩燈的轉(zhuǎn)速。四個(gè)電機(jī)由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)。這樣可以保證四個(gè)旋轉(zhuǎn)彩燈的同步性，以達(dá)到美觀的效果。3.燈光換色器設(shè)計(jì)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(tái)表演的多樣性。4.升降舞臺(tái)的設(shè)計(jì)配置需求升降舞臺(tái)的整個(gè)行程為舞臺(tái)平面下2m到舞臺(tái)平面上1m。整個(gè)升降舞臺(tái)由兩個(gè)單獨(dú)的平行升降臺(tái)構(gòu)成，如圖2.2所示。兩塊升降臺(tái)分別通過兩臺(tái)電機(jī)來拖動(dòng)。這里電機(jī)選擇Y180M-2型三相異步電機(jī)，該型號(hào)電機(jī)效率高、節(jié)能好、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動(dòng)小、運(yùn)行安全可靠。電機(jī)主軸通過減速器與柔性齒輪條的結(jié)合，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)槲枧_(tái)的上升與下降。 升降臺(tái)2 升降臺(tái)1圖2.2升降舞臺(tái)俯視圖5.音響系統(tǒng)供電配置需求燈光和音響是舞臺(tái)表演的兩大重要組成部分。對于舞臺(tái)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(kuò)聲系統(tǒng)的配電提出以下要求： 音響擴(kuò)聲系統(tǒng)的配電與舞臺(tái)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(kuò)聲系統(tǒng)和舞臺(tái)燈光系統(tǒng)也應(yīng)當(dāng)獨(dú)立使用。擴(kuò)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(dòng)切換。為了防止電磁干擾，電力管線與音響管線應(yīng)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(diǎn) 如今繼電器已經(jīng)應(yīng)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?yàn)槠淇刂品绞絾我?，所以更加的容易?shí)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(shí)現(xiàn)的。當(dāng)控制系統(tǒng)較大或者系統(tǒng)的輸出較多時(shí)，繼電器控制的接線就會(huì)非常復(fù)雜，占用的資源也較多。當(dāng)系統(tǒng)形成后，很難對系統(tǒng)的功能進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)的可擴(kuò)展性受到很大的限制。同時(shí)，由于系統(tǒng)的觸點(diǎn)和連線較多，所以給后期對系統(tǒng)的維護(hù)和維修都帶來了極大的不便。2.2.2 PLC控制的特點(diǎn)PLC即為可編程邏輯控制器的簡稱。PLC控制具備以下優(yōu)點(diǎn)1、功能強(qiáng)大，實(shí)用性高。2、穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。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(hù)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(dú)立，當(dāng)用戶選擇了一種PLC后，必須選擇相應(yīng)的控制規(guī)則，學(xué)習(xí)相應(yīng)的語言。 本控制系統(tǒng)輸出點(diǎn)較多，如果使用繼電器控制則浪費(fèi)成本并且在多個(gè)輸出同時(shí)工作的情況下，控制過程較為繁冗，還會(huì)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(shí)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(jī)數(shù)學(xué)模型的建立：異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為： (2.1)式中：m相數(shù)，一般取m=3；p電機(jī)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(jī)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(shí)際轉(zhuǎn)速r/min；電機(jī)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(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)明的各個(gè)額定參數(shù)：功率，電壓，轉(zhuǎn)速，可計(jì)算出 ; 將結(jié)果帶入式（2.3），可推導(dǎo)出未知數(shù): (2.6)進(jìn)而可得的值。由電機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程： （2.7）式中：工作機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N.m；電動(dòng)機(jī)及負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.；轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)傳遞函數(shù)近似為： （2.10） 2.4控制升降舞臺(tái)的電機(jī)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(tái)通過電機(jī)來帶動(dòng)，所以要想控制舞臺(tái)的同步升降，只要控制了電機(jī)轉(zhuǎn)速的同步性就可以控制升降舞臺(tái)的同步性?？刂齐姍C(jī)的轉(zhuǎn)速就涉及到電機(jī)的調(diào)速。變頻調(diào)速是常用的電機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)平滑調(diào)速方法，改變電機(jī)電源來改變其轉(zhuǎn)速。 在變頻調(diào)速領(lǐng)域，異步電機(jī)在調(diào)速時(shí)保持恒定的轉(zhuǎn)差功率，其效率高、動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(jī)學(xué)理論知識(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速公式： （2.14）式中：同步轉(zhuǎn)速，r/min；n機(jī)械轉(zhuǎn)速；定子電源頻率，Hz；P電機(jī)的極對數(shù)；S轉(zhuǎn)差率。由公式(2.14)可知，要使電機(jī)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(shí)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(huì)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(yīng)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。 2.4.2變頻調(diào)速的方式由電機(jī)學(xué)可知： （2.15） 式中： 定子每相繞組感應(yīng)電動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下： （2.17）式中： 異步電機(jī)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩M也會(huì)減小，最終使電機(jī)的效率變低，同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩也受到影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)；所以在大多數(shù)情況下會(huì)選擇恒壓頻比控制。在電機(jī)調(diào)速的時(shí)候，一般情況下應(yīng)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(jī)鐵心存在很大的浪費(fèi)，沒有資源的合理有效應(yīng)用；但假若一味提高磁通量，那么鐵心會(huì)飽和，甚至電機(jī)會(huì)因?yàn)槔@組過熱而被燒壞。直流電動(dòng)機(jī)有獨(dú)立的勵(lì)磁系統(tǒng)，所以要保持磁通恒定主要以補(bǔ)償電樞反應(yīng)的方式來實(shí)現(xiàn)。不同的是，異步電機(jī)中的磁通是由定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)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(yīng)電動(dòng)勢的大小： （2.18）但是，由于感應(yīng)電動(dòng)勢的調(diào)節(jié)比較困難，所以當(dāng)電動(dòng)勢處于較大的值時(shí)，定子壓降可以忽略，此時(shí)，故： （2.19） 以上即為恒壓頻比控制。2.5升降舞臺(tái)的控制方法升降舞臺(tái)通過電機(jī)來帶動(dòng)。一般的升降舞臺(tái)的升降速度大約為1m/S.對電機(jī)啟動(dòng)加速時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，來控制電機(jī)的加速時(shí)間，進(jìn)而控制舞臺(tái)的上升時(shí)的加速時(shí)間。在舞臺(tái)停止時(shí)，還應(yīng)當(dāng)設(shè)置減速點(diǎn)，當(dāng)舞臺(tái)上升到減速點(diǎn)位置時(shí)，舞臺(tái)開始減速，到達(dá)停止點(diǎn)時(shí)（即限位開關(guān)），舞臺(tái)停止上升。這里加速時(shí)間設(shè)置為電機(jī)啟動(dòng)后，速度在0.5s內(nèi)達(dá)到1000r/min然后保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)減速點(diǎn)，速度時(shí)在0.5s內(nèi)轉(zhuǎn)速變?yōu)?。按下下降按鈕時(shí)，舞臺(tái)開始下降，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在0.5s內(nèi)達(dá)到1000r/min，到達(dá)減速點(diǎn)時(shí)，舞臺(tái)開始減速，達(dá)到停止點(diǎn)時(shí)，舞臺(tái)停止下降。這里的電機(jī)以及旋轉(zhuǎn)彩燈所用到的電機(jī)啟動(dòng)方式均為變頻啟動(dòng)，這樣可以節(jié)約能源，減少大電流對繞組的沖擊，延長電機(jī)的壽命。為了安全起見，升降舞臺(tái)的兩塊升降臺(tái)應(yīng)當(dāng)達(dá)到同步控制的效果。這里我選擇同步控制誤差小于30mm的標(biāo)準(zhǔn)，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(tái)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(tái)電機(jī)采取并聯(lián)的方式，各個(gè)升降臺(tái)的調(diào)速系統(tǒng)都接受相同的信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方式容易實(shí)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(tái)電機(jī)分為主電機(jī)和從電機(jī)。主電機(jī)的輸出值就是從電機(jī)的輸入值。也就是說從電機(jī)的輸出可以跟隨主電機(jī)的輸出來進(jìn)行調(diào)整。而從電機(jī)的輸出不會(huì)影響主電機(jī)，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(tái)系統(tǒng)中，由于舞臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中存在負(fù)載不均勻 ，摩擦阻力大小不一等因素，因此舞臺(tái)同步控制是一個(gè)復(fù)雜、時(shí)變動(dòng)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(yīng)用設(shè)計(jì)簡便，應(yīng)用廣泛，對于確定數(shù)學(xué)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(tái)同步控制方面仍然占有一席之地。在本次設(shè)計(jì)中采用PID控制來實(shí)現(xiàn)兩塊升降臺(tái)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(gè)輸入，29個(gè)輸出。輸入分別為啟動(dòng)按鈕，停止按鈕，舞臺(tái)上升按鈕，舞臺(tái)上減速按鈕，舞臺(tái)上停止按鈕，舞臺(tái)下降按鈕，舞臺(tái)下停止按鈕，舞臺(tái)下減速按鈕。輸出為各個(gè)舞臺(tái)燈的亮暗和帶動(dòng)升降舞臺(tái)，旋轉(zhuǎn)彩燈和風(fēng)扇泡泡機(jī)的各個(gè)電機(jī)的變頻啟動(dòng)和工頻運(yùn)行。 綜上所述本章總體介紹了舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。分別對燈光控制系統(tǒng)部分以及升降舞臺(tái)部分的設(shè)計(jì)思路以及設(shè)計(jì)需求做了介紹。在舞臺(tái)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(tái)部分，我選擇了主從控制的控制思路，運(yùn)用PID來達(dá)到兩塊升降臺(tái)同步控制的效果。在升降舞臺(tái)的調(diào)速上，為了提高電機(jī)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(shè)計(jì) 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(tái)燈光的選擇以及變頻器的選擇。本章節(jié)還給出了舞臺(tái)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(tái)、煙霧機(jī)和風(fēng)扇泡泡機(jī)組成。編寫的程序存放在存儲(chǔ)器中。 如圖3.1，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，PLC開始工作，CPU開始執(zhí)行相應(yīng)的程序來控制某些繼電器的觸點(diǎn)的閉合或者斷開。此時(shí)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(huì)持續(xù)到停止按鈕按下。同時(shí)，如果演出需要，則可以開啟煙霧機(jī)制造煙霧，也可以開啟風(fēng)扇泡泡機(jī)，共同配合燈光營造出特定的演出氛圍。最后還設(shè)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(tái)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(yùn)動(dòng)控制，三菱的指令豐富，有專用的定位指令，控制伺服和步進(jìn)容易實(shí)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)某些復(fù)雜的動(dòng)作控制也是三菱的強(qiáng)項(xiàng)，但是三菱PLC模擬量模塊價(jià)格較為昂貴，程序也較為復(fù)雜。歐姆龍PLC使用較為方便，價(jià)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(jià)格適中抗干擾能力比較強(qiáng)，也比較耐用，維護(hù)率，損壞率比較低。最重要的是西門子的模擬量模塊價(jià)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)高度模塊化，很容易就可以實(shí)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(jià)比都非常高，這也是它被廣泛應(yīng)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(kuò)展模塊更是多達(dá)32個(gè)模塊。這使得它變的很強(qiáng)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(yīng)用于機(jī)械行業(yè)，它較S7-200和S7-300而言處理速度快，通訊能力更強(qiáng)，采用免風(fēng)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(gè)特出的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(qiáng)，與自動(dòng)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(yīng)用其中，性價(jià)比高，在各種行業(yè)、場合中都能自動(dòng)檢驗(yàn)、監(jiān)測并控制，它的功能很強(qiáng)大，不管是單機(jī)運(yùn)行還是以網(wǎng)絡(luò)形式運(yùn)行都能夠?qū)?fù)雜的控制完成，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(kuò)展模塊以及超強(qiáng)的通訊能力更是讓這個(gè)產(chǎn)品實(shí)用無比。對三種不同的PLC進(jìn)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(shí)驗(yàn)室以及設(shè)備的型號(hào)特點(diǎn)，需要昂貴的經(jīng)費(fèi)支持。因此其設(shè)備控制的需求不高，性價(jià)比反而較低。而S7-200不僅完全符合應(yīng)用要求，性價(jià)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(shè)計(jì)中，一個(gè)輸出點(diǎn)控制一盞燈，CPU226只有16個(gè)輸出，所以需要增加擴(kuò)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(shí)現(xiàn)了具有10點(diǎn)-100點(diǎn)輸入輸出點(diǎn)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(biāo)表型號(hào)CPU226程序/字4096用戶數(shù)據(jù)/字2560用戶儲(chǔ)存器類型EEFPROM本機(jī)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(tái)燈的選型 舞臺(tái)的燈光排布分為3個(gè)橢圓形的光道。其中為舞臺(tái)提供基本照明功能的是作為舞臺(tái)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(tái)2KW的聚光燈和4臺(tái)2KW的回光燈。聚光燈投射距離遠(yuǎn)，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(tái)光斑，提高舞臺(tái)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(fù)責(zé)對演員上方的區(qū)域和其他的一些舞臺(tái)場景進(jìn)行照亮，所以我選擇4臺(tái)2KW的聚光燈和4臺(tái)2KW的柔光燈，并且交錯(cuò)放置。柔光燈光照強(qiáng)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?yàn)槲恢每拷鈬?，所以為?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(tái)和2KW回光燈4臺(tái)。 旋轉(zhuǎn)彩燈則在舞臺(tái)正上方的前后左右四個(gè)方位各安裝一個(gè)。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(tái)以及旋轉(zhuǎn)彩燈部分均需要電機(jī)來帶動(dòng)。而電機(jī)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(diǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)多種參數(shù)設(shè)定的自由切換。并且自身保護(hù)功能完善，可進(jìn)行電壓及欠電壓保護(hù)、變頻器過熱保護(hù)、接地故障保護(hù)、短路保護(hù)和PTC/KTY電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)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(tái)燈光的 I/O 地址分配表（1）輸入表3.2舞臺(tái)燈光的輸入序號(hào)名稱輸入點(diǎn)1啟動(dòng)按鈕I0.02停止按鈕I0.13舞臺(tái)上停止I0.34舞臺(tái)上減速I0.45舞臺(tái)下停止I0.56舞臺(tái)下減速I0.67舞臺(tái)上升I0.78舞臺(tái)下降I1.0（2）輸出表3.3舞臺(tái)燈光的輸出序號(hào)名稱輸出點(diǎn)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(dòng)28Q3.5M1工頻運(yùn)行29Q3.6M2變頻啟動(dòng)30Q3.7M2工頻運(yùn)行31Q4.0M3變頻啟動(dòng)32Q4.1M3工頻運(yùn)行33Q4.2M4變頻啟動(dòng)34Q4.3M4工頻運(yùn)行35Q4.4M5變頻啟動(dòng)36Q4.5M5工頻運(yùn)行37Q4.6煙霧機(jī)38Q4.7風(fēng)扇泡泡機(jī)39Q5.1舞臺(tái)停止本控制系統(tǒng)的輸出分配如表3.4所示，我設(shè)計(jì)的舞臺(tái)燈具共28盞，CPU226的輸出點(diǎn)共有十六個(gè)，一個(gè)輸出點(diǎn)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(kuò)展模塊。這樣可以使得每一個(gè)彩燈都可以獨(dú)立工作，使煙霧機(jī)與風(fēng)扇泡泡機(jī)也可以獨(dú)立工作互不影響，提高系統(tǒng)的安全性。3.6舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)電氣原理圖圖3.3所示是變頻一個(gè)變頻器帶動(dòng)四個(gè)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，這四個(gè)電機(jī)均為變頻啟動(dòng)。M1-M4控制驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)彩燈L24-L28的旋轉(zhuǎn)。圖3.4所示的是一個(gè)變頻器帶動(dòng)舞臺(tái)升降的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及帶動(dòng)風(fēng)扇泡泡機(jī)和煙霧機(jī)工作的電機(jī)。其中M5驅(qū)動(dòng)升降舞臺(tái)的運(yùn)行，M6帶動(dòng)風(fēng)扇泡泡機(jī)的運(yùn)行，M7帶動(dòng)煙霧機(jī)的運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)SB1是啟動(dòng)按鈕，SB2是停止按鈕，SB8控制舞臺(tái)上升，SB9控制舞臺(tái)下降，SB10控制舞臺(tái)停止。LS1是控制舞臺(tái)上升停止的點(diǎn)，LS2是控制舞臺(tái)下降停止的點(diǎn)，LS3是控制舞臺(tái)上升時(shí)的減速點(diǎn)，LS4是控制舞臺(tái)下降時(shí)的減速點(diǎn)。圖3.6是拓展模塊，同樣接直流24v的電源。輸出點(diǎn)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(jī)部分原理圖圖3.4升降舞臺(tái)、煙霧機(jī)、風(fēng)扇泡泡機(jī)部分原理圖圖3.5PLC輸入輸出部分原理圖圖3.7也是擴(kuò)展模塊，其中輸出點(diǎn)Q3.0-Q3.3接旋轉(zhuǎn)彩燈L25-L28。開關(guān)K1是M1電機(jī)變頻啟動(dòng)，K2是控制M1電機(jī)工頻運(yùn)行。開關(guān)K3是M2電機(jī)變頻啟動(dòng)，K4是控制M2電機(jī)工頻運(yùn)行。圖3.8也為拓展模塊，開關(guān)K5是M3電機(jī)變頻啟動(dòng)，K6是控制M3電機(jī)工頻運(yùn)行。開關(guān)K7是M4電機(jī)變頻啟動(dòng)，K8是控制M4電機(jī)工頻運(yùn)行。開關(guān)K9是M5電機(jī)變頻啟動(dòng)，K10是控制M5電機(jī)工頻運(yùn)行。K11是控制煙霧機(jī)的開關(guān)，K12是控制風(fēng)扇泡泡機(jī)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(diǎn)介紹了舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)硬件部分的的設(shè)計(jì)，主要介紹了各部分的主要工作原理和實(shí)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(shí)現(xiàn)所需要的效果。22第4章 軟件設(shè)計(jì) 本章節(jié)是舞臺(tái)燈光控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。4.1 step7介紹STEP7作為西門子的主要軟件部分，運(yùn)用于可編程控制中。STEP7的作用不僅僅能實(shí)現(xiàn)硬件部分工作，更能使整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信運(yùn)行。STEP7軟件工具包括SIMATIC管理器、符號(hào)編輯器、硬件診斷、編程語言、硬件配置、網(wǎng)絡(luò)配置。以下對這些工具進(jìn)行詳細(xì)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(hào)編輯器管理著控制系統(tǒng)中的文字符號(hào)，存儲(chǔ)器等的模塊符號(hào)就是它給標(biāo)注并識(shí)別的。硬件診斷工具顧名思義管理著控制系統(tǒng)的整體運(yùn)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(diǎn)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(yùn)用于對I/O口等參數(shù)的分配。網(wǎng)絡(luò)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(tái)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(dòng)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(tái)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(shè)計(jì)的舞臺(tái)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(tái)背景空間最大限度地利用了PLC的價(jià)值，并達(dá)到使用功能和審美功能的統(tǒng)一。舞臺(tái)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(shè)計(jì)（1）主程序設(shè)計(jì)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(tái)和的光控制部分的子程序。（2）旋轉(zhuǎn)彩燈啟動(dòng)圖4.3旋轉(zhuǎn)彩燈部分程序 按下開始按鈕，同時(shí)輸出點(diǎn)Q3.4為控制旋轉(zhuǎn)彩燈L25的電機(jī)M1開始變頻啟動(dòng)，輸出點(diǎn)Q3.6為控制旋轉(zhuǎn)彩燈L26的電機(jī)M2開始變頻啟動(dòng)，輸出點(diǎn)Q4.0為控制旋轉(zhuǎn)彩燈L27的電機(jī)M3開始變頻啟動(dòng)，輸出點(diǎn)Q4.2為控制旋轉(zhuǎn)彩燈L28的電機(jī)M4開始變頻啟動(dòng)這里啟動(dòng)加速時(shí)間為3秒鐘。（3）旋轉(zhuǎn)彩燈的電機(jī)切換到工頻運(yùn)行圖4.4燈光部分程序1 如圖4.9所示，當(dāng)啟動(dòng)結(jié)束后，M1-M4開始以工作頻率開始運(yùn)行。輸出點(diǎn)為Q3.5,Q3.7，Q4.1，Q4.3。（4）按下啟動(dòng)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(dòng)按鈕，輸出點(diǎn)Q1.0和Q1.1控制的L9和L10開始點(diǎn)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(diǎn)亮0.5秒。（7）舞臺(tái)升降部分圖4.7舞臺(tái)升降部分程序 如圖4.12是舞臺(tái)升降部分。I0.7為舞臺(tái)上升的控制輸入，按下I0.7后，帶動(dòng)舞臺(tái)上升的電機(jī)M5開始變頻啟動(dòng)。在變頻啟動(dòng)結(jié)束后，輸出Q4.5，即M5工頻運(yùn)行。運(yùn)行到減速點(diǎn)時(shí)，輸入I0.5，M5開始減速，直到到達(dá)停止點(diǎn)，舞臺(tái)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(shè)計(jì)由上文可知：三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為 該升降舞臺(tái)同步控制系統(tǒng)的電機(jī)采用 Y180M-2 型三相異步電機(jī)，該型號(hào)電機(jī)效率高、節(jié)能好、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動(dòng)小、運(yùn)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(dòng)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(jī)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(jī)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(jì)算出的變頻調(diào)速增益以及電機(jī)銘牌的參數(shù)代入公式(2.27)，可得到電機(jī)的傳遞函數(shù)為： （4.5）變頻器的輸入是控制電壓，得到相應(yīng)的電源頻率和電機(jī)定子的相電壓,與與的關(guān)系為；因此： （4.6）變頻器加速時(shí)間設(shè)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(tái)下，如圖4.9采用主從同步控制方式，建立二電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)，首先采用常規(guī)PID控制算法。通過運(yùn)用PID試湊法整定參數(shù)，該方法原則為：對參數(shù)調(diào)整實(shí)行先比例、后積分，再微分的整定步驟。