基于PLC的升降舞台同步模糊控制系统研究.pdf

9 8 _ [ 业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第 3期 基 于 P L C 的升降舞 台同步模 糊控制 系统研 究 袁溪泽 ， 齐向东 太原科技 大学 电子信 息工程学院， 太原 0 3 0 0 2 4 摘要 以现代舞 台升降系统为研 究对 象， 分析 了传统升 降舞 台运行 不同步的主要 原 因以及弊 端 ， 提 出了在“ 主从 同步” 方式下结合模糊控制理论 ， 将专家的控制 经验及推理过程纳入 系统 当中， 以实时变化的各升降舞 台速度信息为反馈 ， 利用 P L C与计算机之间的通讯链接技术及简洁的软硬 件 ， 实现 4台电动机分别拖动 4个升降舞台的控制策略 ， 完成升 降舞 台的高精度 同步控制， 满足 了 舞 台演 出的需要。仿真结果与工程应用均表明， 这种控制 系统很好 的实现 了多电机升 降舞 台的高 精度同步控制。 关 键词 升 降舞 台； P L C ； 同步控 制 ； 模 糊控 制 中图分类号 T P 2 7 3 ． 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 2 0 3 0 0 9 8 0 4 PLC- ba s e d f uz z y c o nt r o l s y s t e m s y n c hr o ni z e d mo v e me nt s o f t he s t a g e Y U A N X i z e ， Q 1 X i a n g d o n g D e p a r t m e n t o f E l e c t r o n i c I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ，T a i y u a n U n iv e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4， C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e t a k e s t h e m o d e r n s t a g e l i ft i n g s y s t e m a s t h e o b j e c t o f s t u d y ， h a s a n a l y z e d t h e t r a d i t i o n a l l i f t i n g s t a g e o p e r a t i o n n o t s y n c h r o ni z e d wi t h t h e ma i n r e a s o n a n d ma l pr a c t i c e，p u t f o r wa r d t he “ ma s t e r s l a v e s y n c h r o n i z a t i o n”mo d e b y c o mbi n i n g t h e f u z z y c o n t r o l t h e o r y，pu t s t he e x pe r t e x p e r i e nc e o f c o n t r o l a n d r e a s o n i n g p r o c e s s i n t o t h e s y s t e m ，p r o v i d e s t h e r e a l v a r i a t i o n o f e a c h l i f t i ng s t a g e s p e e d i n for ma t i o n f o r f e e d ba c k，u s i n g PL C a n d c o mp u t e r c o mmu ni c a t i o n l i n k t e c h no l o g y a n d s i mp l e h a r d wa r e a n d s o f t wa r e，r e a l i z e s t he 4 mo t o r s r e s pe c t i v e l y d r i v e f o u r s t a g e c o n t r o l s t r a t e g y，c o mp l e t e s t h e l i f t i n g s t a g e h i g h p r e c i s i o n s y n c hr o no us c o n t r o l ，t o me e t t h e ne e d s o f t he s t a g e p e r f o r ma n c e ．S i mu l a t i o n r e s u l t s a nd e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s ho w t ha t ，t he c o nt r o l s y s t e m t o a c hi e v e mu l t i p l e mo t o r l i f t i n g s t a g e h i g h p r e c i s i o n s y nc h r o n o u s c o n t r o 1 ． Ke y wo r d s l i fti n g s t a g e， PLC， s y n c hr o ni z a t i o n c o n t r o l ， f u z z y c o nt r o l 0 引言 随着我国文化艺术事业的发展和人 民艺术欣赏 力的不断提高 ， 各种剧场 、 娱乐厅 、 展示厅 、 会议室 、 体育馆等场所除了演 出形式不断创新外 ， 对舞 台机 械设备的功能 、 性能 、 品种 、 结构等也提出了越来越 高 的要求。 目前 ， 大型智能舞 台控制系统 已经形成 了集 网络化 、 自动化 、 智能化为一体的先进的控制方 式 。控制系统除了拥有定位 、 调速等基本功能之外 ， 还要求其对机械设备提供便捷多样 的操作方式和有 效的监管手段 。现代舞 台控制系统研究重点之一是 如何提高 系统 可靠性和安全性 。如在剧 场演 出 收稿 日期 2 0 1 20 2 0 9 作者简介 袁溪泽 1 9 8 7 ， 男 ， 山东淄博 人 ， 硕士 生 ， 主要从 事智 能拖动控制 ， 工业智能化控制等方 向的研究 。 中， 大型转 台失控就会导致演员在转台停下 时不能 面对观众 ； 电动吊杆失控砸伤演员 ； 本来应该在同一 水平面的多个升降台在定位后有一定高度差导致演 员发生磕绊现象 ， 造成人身伤害 ； 另外 由于负载不均 匀 、 摩擦阻力不等 、 液压马达制造质量及结构上的差 异 ， 将导致升降舞台行程出现错误 ， 从而引起台面框 架的倾斜 、 变形。因此实现舞 台同步控制可以说 是 舞台安全可靠性 的核 心问题 。该文提 出了升 降 舞台同步控制误差△ ≤3 0 m m 的控制标准 ， 此标准 下不仅能够保证观众不会产生视觉误差 ， 同时能够 有效满足舞台演 出的需要 。 1 系统分析 从智能舞台同步系统的实际要求出发， 该文研究 设计了基于P L C的智能舞台同步模糊控制系统， 主要 2 0 1 2年第 3期 T业仪表与 自动化装置 9 9 包括同步控制方案、 模糊控制 、 P L C控制设计等内容。 系统运用 P L C技术并 结合 模糊控制原 理构成 智能舞 台同步控制系统 ， 系统由中央控制部分 、 输入 部分 、 输 出部分 、 位置检测部分和通讯部分 5大块组 成。电动机与卷扬机相连拉动钢丝绳 ， 钢丝绳 拉动 升降装置等一系列动作实现舞台升降装置 的升 降。 通过 P L C控制 4台三相异步电机 的旋转 ， 经过实时 采集 的速度信号反馈给模糊控制 系统 ， 经过分析 比 较得 出控制量后提供给变频器 ， 从而控制电机运转 ， 纠正偏差， 保证 4台电机的同步运行 。智能舞 台同 步控制系统的总体结构框 图如图 1所示 。 冈 1 智能舞台同步控制系统总体结构框图 1 ． 1 同步方案在系统中的应用 随着科学技术 的进步 ， 现代舞台技术正在发生 日新月异的变化 ， 在有限的舞 台里创造 了更 多的发 展空间， 并给舞台演艺人员提供 了更美更广阔的表 演场地。同时 ， 人们对舞 台艺术效果追求完美 的要 求 ， 使得舞台机械 自动化设备不仅要运行稳定 、 定位 准确 、 同步运行精度高 、 噪音低 ， 而且在运行速度 、 空 间位置变化上要实现丰富多彩 ， 操作上更加方便 、 灵 活 ， 使推 、 拉 、 升 、 降、 转的各种功能组合变化更加迅 速 、 便捷 ， 形成机械与艺术的完美结合 ， 因此对 多电 机舞 台的同步控制提 出了更高的要求。 多 电机 同步控制有两种控制方式 机械控制和 电控制。早期的同步控制系统 中， 多采用机械 同步 控制模式 ， 通过机械结构的连接传动， 来实现多轴 同 步 ， 这种方式灵活性差 ， 不容易改 动， 机械传 动的间 隙引起的误差 ， 无法满足高精度同步的要求 ， 但是由 于控制方式 比较简单 ， 所 以在对控制精度要求不高 且机械设施相对固定的场合下应用广泛 。随着电机 控制技术的成熟和完善 ， 同步驱动使 用多台电机驱 动方式 ， 即所谓的电控制方式 ， 每轴都使用一 台电机 及其控制器进行驱动 。 1 ． 2 P L C在 系统 中的应用 实现智能舞 台同步控制 系统 的控制任务 ， 需要 有很高的灵活性。P L C是传统的继电器技术和计算 机技术相结合 的产 物 ， 有 各种型号 ， 可根据不 同任 务 ， 用不同类型的输入输 出模块组成控制装置 ， 所以 在工业控制方面比一般 的继 电器控制线路或通用计 算机具有优越性。 P L C具有可靠性高、 抗干扰能力强的特点 ， 可满 足智能舞台同步系统对控制设备可靠性、 稳定性 的 要求。它还具有完善 的 自诊断功能 ， 能及时诊 断出 控制系统 的软硬件故障 J ， 保证 了 P L C控制系统对 舞台同步控制的安全性。另外 ， P L C具有很强的网 络功能 ， 能做到远程控制 、 进行 P L C内部通 讯 以及 与上位机进行 通讯 ， 能够 完善对 智 能舞 台的实 时 控制 。 1 ． 3模糊控制在系统中的应用 智能舞台同步控制系统是一种非线性 、 时变、 滞 后 的系统。模糊控 制技术作为智 能控 制的重要分 支 ， 其专家规则式 的控制方式为 系统提供 了一种较 为理想的控制策略 ， 有效解 决了系统非线性 、 多参 数 、 强耦合等难点 。 模糊 控制基于一种规则的控制 ， 采用语 言型控 制规则 ， 不需要建立被控对象的精确数学模型， 适合 处理舞台升降同步系统 的复杂性和时变性 ， 而且通 过模拟人工控制的过程和方法 ， 有效实现对舞 台同 步系统的实时控制 ， 同时保证 了舞台同步系统的高 精度性 、 稳定性和快速性。其模糊控制 系统结构框 图如 图 2所示 。 图 2 模糊控制系统的基本结构 2 系统设计 2 ． 1 同步方案设计 多台电动机的同步控制可以分为 2种形式 第一种是基 于 同一 给定 信号 的 “ 并联 方式 ” 。 这种控制方式是各调速系统采用 同一给定信号， 此 种方法线路简单 ， 容易实现， 在启动和停止阶段的同 步 l生较好 ， 但外界的扰动会严重影 响各个单元的同 步状态。图 3是 以两 电机 为例 的 “ 并 联 方式 ” 示 意 图 。 图3 2台电机并联运行方式 另一种是 “ 主从方 式”， 同样 以 2个 电动 机控 l 0 0 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 2年第 3 期 制为例 ， “ 主从方式” 的基本结构如 图4所示 。2个 电动机一个做主 电动机 ， 另外一个为从 电动机 ， 在 这种情况下 ， 主 电动机 的输 出值 作为从 电动机 的 输入值 。因此 ， 从 电动机 能够反 映并 跟随 任何 加 在主电机上 的速度 指令 、 位 置命 令 或主 电动机 的 负载扰动 。从 电动机 的负载 发生变化不会对 主 电 动机产生影响。 图 4 2台 电机主从运行方式 由此选用“ 主从方式 ” 的同步控制策 略， 从而有 效保证系统的稳定性和高精度的同步性 ， 进而使升 降舞台的同步性更好 的满足舞台演出的各种需要 。 2 ． 2 P L C控 制设 计 P L C是智能舞台同步系统 的“ 大脑”， 主要完成 对升降舞 台位置和速度信号 的采样 、 处理以及实现 与上位机通讯 的功能。系统采用西门子 S 7 2 0 0系 列 P L C作为控制器 。 。 检测装 置主要完成对升降舞台速度 的检测 ， 通 过对升降舞台速度 的检测 ， 给 P L C提供合理的协调 控制依据。输 出部分 由模糊控制器输出控制信号 ， 对多电机升降舞 台进行协调控制。 智能舞台同步系统与上位机 的联 网通讯 由 s 7 2 2 6 P L C的 R S一 2 3 2通讯 口实现 ， 并采用互相一 致的组态数据以及通讯协议 ， 以实现与上位机的稳 定 ， 快速通讯。 逻辑控制部分能够控制设备 的启停以及对相关 故障进行处理。系统部分采用连 锁控制和单机控 制 ， 不仅可以实现单个升降舞台的动作 ， 而且在演出 过程 中若出现紧急事故可以实现及时制动保护 ， 以 保证演员的人身安全 。 2 ． 3 模 糊控 制 方案设 计 在大型升降舞台中， 多采用大功率的三相异步 电动机 。针对 4个 升降舞 台要达 到位置 同步 的要 求 ， 就升降舞 台的上升过程做研究 ， 升降舞台由于负 载不均匀和摩擦阻力不等会产生不同的负载变化， 直接反应到电动机的负载电流变化上。因此做仿真 时， 控制 目标就简化为在 同一给定速度下， 相 同时间 内 4台电机 的转动位移相差值接近为零 。 根据实际舞台同步控制要求 ， 对其控制信号进 行模糊化 。输入变量 为速度偏差 E和偏差变化率 E C， 输出控制变量为 U 。变量 的模糊语言根据生产 工艺要求和实际专家操作经验所 得 ， 选取它们 的模 糊子集为 E{ N B， N M， N S ， 0， P S ， P M， P B} ； E C{ N B， N M， N S ， 0， P S ， P M， P B} ； U{ N B， N M， N S ， 0 ， P S ， P M， P B} 。 图 5 模糊子集不意 图 子集 中元 素分别代表负大 、 负中 、 负小 、 零 、 正 小 、 正中、 正大 ， 把他们的论域化为 1 3个等级如下 E的模糊论域取 [～5 ， 一 4， 一3 ， 一2 ， 一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4， 5 ] ； E C的模糊论域取 [一5 ， 一4， 一3 ， 一2， 一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ] ； U的模糊论域取 [一5 ， 一 4， 一 3 ， 一2 ， 一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4， 5 ] 。 隶属度 函数 的形状有很多种 ， 高斯分布 、 三角形 分布 、 正态分布等 ， 由于人们对事物 的感觉往往是与 正态分布的特点相似 ， 所 以隶属度函数采用正态分 布 ， 即把 3 个模糊变量速度误差 E、 速度误差变化率 E C和输出 U看成 是正态分布的 ， 那 么它们 3个模 糊子集的赋值表可用正态分布的隶属 函数得到 ， 根 据现场经验及专家操作经验总结 出模糊控制规则 ， 模糊系统的模糊关系为 I f E a n d E C t h e n U， 则生成 模糊控制规则表 1 。 表 1 同步控制模糊规则表 U 、 EC rZ _ P M 阳 黔 船 雎 胯 B M S 0 S M B B M M S 0 S M B B M S O 0 S B B B M S 0 0 Ⅲ 2 0 1 2年第 3期 工业仪表与 自动化装置 1 0 1 在空载隋况下 ， 采用 4台相同的三相异步电动机进 行仿真， 电机参数为 1 0 k W， 2 2 0 V， 5 5 A， 1 0 0 0 r ／ ra i n ， 5 0 H z 。图6为模糊控制下的4台电机的速度曲线。 主～ ～ ～ 乏 从 电 机 I ’ 一 电 f ＼ 机 从电 机l ■ 从电 机2 r’ 。 一 l l r 0 1 2 3 4 5 6 图 6 4台电机同步速度跟踪 曲线 由上 图仿真曲线 可以看 出， 主电机能够较快的 跟踪系统给定速度 ， 而 3台从 电机也能迅速 的跟随 主电机 的速度 ， 从而达到 良好的同步要求 。 P L C实现模糊控制部分程序如下 初始化 LD SM0． O M 0VW 8 2． VW 0 M0VW 0． VW 2 0 2 MOVW 0， VW40 4 M0VW 0． VW40 6 MOVW 0， VW40 8 填表 LD S M0． 0 EU A 1 T r 1 2， V W4 填第 1 个数据 A 1 T r 1 2 ， V W0 填第 2个数据 A 1 T I 1 1 2， V W0 填第 3个数据 A 1 T r 1 2 ， V W0 填第 4个数据 A r兀1 0 ， V WO 填第 8 1个数据 LD S M0． 0 M0VW 7． VW 1 06 I VW 1 0 2． VW 1 06 I VW 1 0 4． VW 1 06 查表 L D S M0． 0 F ND VW2． VW 1 0 4． VW 1 0 6 3 结束语 该舞 台智能同步控制系统稳定性好 、 可靠性高 、 快速性好 ， 结合模糊控制的方法 ， 很好的实现了对升 降舞台的同步控制 ， 提高 了舞 台同步控制的精度 和 响应的快速性。此外 ， 系统 的联 网通讯能力强 ， 可以 采用 V B编程进行现场监控 ， 方便实现数据 的采集 与监控 。该智能舞台同步系统能够更好的满足现代 舞台演出的各种需要 ， 增加 了演出的场景变化 ， 丰富 了演出效果 ， 具有 明显的经济及社会效益。 参考 文献 [ 1 ] 徐邦荃 ．多电机同步传动控制系统分析[ J ] ．自动控 制技术 ， 2 0 0 3 ， 2 2 1 2 1 2 4 ． [ 2 ] 段慧文 ．现代舞台机械的控制系统[ J ] ．演艺设备与 科技 ， 2 0 0 5 4 4 5 ， 4 9 ． [ 3 ] 范岩 ．多电机同步控制策略的改进[ J ] ．机电工程， 2 0 0 7 ， 2 4 6 6 56 6 ， 8 2 ． ． 『 4] S i e m e n s A G ． S i m a t i c S 7 2 0 0可编 程控 制器 手册 [ z] ． 北京 西门子电气传动有限公司， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 章卫国， 杨向忠 ． 模糊控制理论与应用[ M] ．西安 西 北工业大学出版社， 2 0 0 4 3 4 3 8 1 2 51 2 7 ． [ 6 ] 唐忠华， 金太东 ， 卢世坤 ， 等 ．基于 s 72 0 0 P L C水厂 自控系统设计 [ J ] ．电子设 计工程 ， 2 0 1 1 1 6 8 68 8 ． 我国仪器仪表 业未来发展 的主攻方 向 仪器仪表行业未来的发展主攻方向主要包括 5个方面 1 加强科学仪器的原始创新， 重点围绕国 家重大前沿科学需求 ， 开展新原理、 新技术 、 新方法的研究 ， 力争实现前沿科学仪器设备的重大突破与 跨越 ； 2 加强集成创新 ， 着力开展前沿重大科学仪器设备、 通用仪器设备、 专用仪器设备中具有产业竞 争力的仪器设备开发， 同时加强科学仪器设备核心关键部件和配套系统的开发和应用 ； 3 注重对现有 商品化科学仪器设备的消化吸收再创新， 开发 出一批具有 自主知识产权 的科学仪器设备 ， 提升下游科 学仪器设备的综合使用效益； 4 加强具有 自主知识产权的科学仪器设备的应用和示范； 5 继续推进科 学仪器设备产业化基地建设。为了促进科学仪器设备 自主创新能力的提高， 我国加大了科学仪器设备 研发投入 ， 设立科学仪器专项经费 ， 重点支持原创性科研仪器设备的研制和具有一定应用前景的重大 科学仪器设备产品的开发应用。 摘引自 h ttp ／ ／ in f o ． e d u ． h c 3 6 0 ． c o m ／ 2 0 1 2 ／ 0 5 ／ 2 1 1 0 0 5 5 2 0 3 8 4 ． s h tm O 9 8 7 6 5 4 3 2 t 0 O O O 0 O O O O 0