太陽能電池板追日系統(tǒng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3351太陽能電池板追日系統(tǒng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)案例 1316371.1伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì) 1305031.2模擬量采集模塊參數(shù)設(shè)置 630051.3模糊PID算法仿真運(yùn)行設(shè)計(jì) 81.1伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)這種基于PLC的太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)時(shí)，采用了toda制造的ASD-A2-L系列伺服產(chǎn)品，toda伺服系統(tǒng)支持各種運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)功能，使工程人員能夠順利進(jìn)入系統(tǒng)，并具有循環(huán)控制功能，具有高精度的20位編碼器，這是精確定位所需的武器，加上ASDA軟軟件和高速監(jiān)測(cè)示波器，使得調(diào)試更容易實(shí)現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)充當(dāng)PLC輸出信號(hào)的實(shí)現(xiàn)操作，即接收PLC發(fā)送的伺服信號(hào)后，伺服系統(tǒng)向伺服電動(dòng)機(jī)提供能量，伺服電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁后，伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子處于狀態(tài)伺服驅(qū)動(dòng)器收到脈沖和方向信號(hào)后，根據(jù)參數(shù)配置情況(包括電子齒輪比、通信格式等參數(shù))輸出相應(yīng)的功率。1.1.1臺(tái)達(dá)伺服軟件在伺服驅(qū)動(dòng)器中可以配置的參數(shù)很多，有數(shù)百個(gè)。如果用戶需要配置更多參數(shù)，則使用伺服驅(qū)動(dòng)器上的控制面板可能非常耗時(shí)。臺(tái)達(dá)da擁有獨(dú)立開發(fā)的伺服服務(wù)器軟件。用戶可以通過ASDA-Soft更改參數(shù)。圖4-1臺(tái)達(dá)伺服軟件當(dāng)伺服電機(jī)離開工廠時(shí)，伺服電機(jī)的參數(shù)會(huì)設(shè)定為「禁止移動(dòng)」?fàn)顟B(tài)。因此，如果要移動(dòng)新的從屬關(guān)系，必須首先建立參數(shù)，如電子齒輪比、運(yùn)動(dòng)指令源信息等。伺服驅(qū)動(dòng)器軟件如圖4-1所示。1.1.2臺(tái)達(dá)伺服與軟件通訊設(shè)計(jì)工作站伺服軟件采用ASDA_SOFT_V5.1.1.0版軟件。伺服軟件信息如圖4-2所示。必須先使用USB通訊線路將電腦連接至伺服系統(tǒng)，然后開啟軟體。登錄窗口將自動(dòng)彈出。默認(rèn)情況下，軟件通過usb連接到從屬關(guān)系。因此，必須直接單擊“開始自動(dòng)檢測(cè)”按鈕，軟件將自動(dòng)檢測(cè)連接的約束類型。在線頁面如圖4-3所示。此時(shí)，工作站伺服與軟件之間的通信已解決。圖4-2伺服軟件信息圖4-3聯(lián)機(jī)頁面1.1.3臺(tái)達(dá)伺服的參數(shù)設(shè)置本設(shè)計(jì)中使用的臺(tái)達(dá)a2-l單元為位置、速度和轉(zhuǎn)矩提供了三種基本操作模式，并且可以使用單個(gè)命令模式，即固定在一種命令模式下或選擇使用混合模式進(jìn)行控制，因此臺(tái)達(dá)伺服單元總共可以在11種模式下運(yùn)行，其中包括查找模式(內(nèi)部注冊(cè)表項(xiàng))Pr代碼、速度模式、s代碼模式、速度模式(無模擬項(xiàng))、Sz代碼模式、轉(zhuǎn)矩模式、t模式、轉(zhuǎn)矩模式(無模擬項(xiàng))、Tz代碼、五種混合模式在此處未進(jìn)行說明，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)不適用，而是使用pt模式，即驅(qū)動(dòng)器接受控制電機(jī)到目標(biāo)位置，定位指令通過端子輸入，信號(hào)類型為脈沖。圖4-4電子齒輪比示意圖圖4-5絲桿伺服單位的另一個(gè)重要參數(shù)是電子齒輪比，其電子齒輪比示意圖如圖4-4所示，其中f1是脈沖輸入數(shù)-以上N是電子齒輪比的分子，m是電子齒輪比的分母從而可以計(jì)算驅(qū)動(dòng)與實(shí)際位置之間的關(guān)系，并在本設(shè)計(jì)中使用伺服驅(qū)動(dòng)螺釘。桿的引導(dǎo)長度為16mm，因此伺服旋轉(zhuǎn)一個(gè)塔，桿向前或向后移動(dòng)16mm，但如果電子齒輪較大，則精度可能降低，伺服電機(jī)可能會(huì)產(chǎn)生劇烈沖擊。如果電子齒輪太小，可能導(dǎo)致反應(yīng)速度慢和時(shí)間效率差。因此，在編寫電子齒輪比時(shí)，需要尋找一個(gè)相對(duì)速度平衡和精度值。在此設(shè)計(jì)中進(jìn)行測(cè)試后，當(dāng)電子齒輪比設(shè)定為1/1000時(shí)，效果最佳。圖4-6參數(shù)編輯頁面進(jìn)入軟件并聯(lián)機(jī)后，單擊上面的參數(shù)功能菜單中的參數(shù)編輯器選項(xiàng)進(jìn)行參數(shù)編輯。有關(guān)在伺服軟件中編輯參數(shù)的信息，請(qǐng)參閱圖4-6。此頁面可讓使用者根據(jù)每個(gè)參數(shù)后面的注解來了解參數(shù)的作用，例如:P0-00表示韌體版本，P1-00表示外部脈沖波型式設(shè)定，如果使用者不了解注解內(nèi)容，也可以連按兩下注解來快速檢視它將被放置在用戶所需的搜索位置，以方便用戶訪問，并且“編輯伺服參數(shù)”頁還包括諸如參數(shù)比較、參數(shù)下載、參數(shù)下載、打印等功能如圖4-7所示，是“設(shè)置伺服參數(shù)”向?qū)У捻撁?。?dāng)用戶不知道如何設(shè)置參數(shù)時(shí)，可以雙擊參數(shù)值輸入框來喚醒。在參數(shù)設(shè)置向?qū)е?，可以選擇快速設(shè)置所需的功能和參數(shù)。例如，如果希望DI3伺服是一個(gè)電源開關(guān)，并且是一個(gè)常開開關(guān)，則需要如下圖所示輕松設(shè)置。選取參數(shù)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在參數(shù)輸入欄中指定它。

圖4-7參數(shù)設(shè)定助手圖4-8參數(shù)導(dǎo)入導(dǎo)出窗口在本設(shè)計(jì)中，兩個(gè)伺服站分別用作太陽能板的仰角和方位角的能量源，兩個(gè)伺服站電機(jī)相同，因此必須將相同的參數(shù)寫入伺服盤兩次，因此需要在中分別建立兩個(gè)伺服站但是，臺(tái)達(dá)da伺服軟件附帶參數(shù)導(dǎo)入和導(dǎo)出功能，可以執(zhí)行全局備份和恢復(fù)操作，即現(xiàn)在可以備份和歸檔相同的參數(shù)，然后執(zhí)行批量參數(shù)恢復(fù)操作。參數(shù)導(dǎo)入和導(dǎo)出窗口如圖4-8所示。1.2模擬量采集模塊參數(shù)設(shè)置1.1.1模擬量采集模塊拓?fù)潢P(guān)系仿真量采集模塊類通過RS-485相互連接，實(shí)現(xiàn)更多仿真量信息的同步采集。仿真量采集模塊可以連接的產(chǎn)品有傳感器、溫度計(jì)/壓力表、孔徑量、閥門數(shù)據(jù)等。仿真土方量采集拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如4-9所示。圖4-9模擬量采集拓?fù)鋱D1.1.2模擬量采集模塊參數(shù)配置本節(jié)介紹如何設(shè)置模擬數(shù)量參數(shù)，參數(shù)設(shè)置界面如圖4-10所示。此參數(shù)配置頁用于配置模擬捕獲模塊與PLC的通信參數(shù)，如波特率、校驗(yàn)方法、站編號(hào)地址等，并使用軟件對(duì)每個(gè)模擬捕獲通道的值進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。圖4-10參數(shù)配置界面圖4-11數(shù)據(jù)監(jiān)控工具窗口使用串行端口將模擬捕獲模塊連接到計(jì)算機(jī)后，即可設(shè)置參數(shù)。模擬捕獲模塊與PLC之間的通信格式在此處定義如下:RTU、波特率19200、8位數(shù)據(jù)、無校驗(yàn)、2位停止。因此，當(dāng)PLC以此通信格式與模擬通信時(shí)，它可以正常地與信息交互，以便PLC能夠處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)監(jiān)控工具窗口如圖4-11所示。1.1.3模擬量采集模塊測(cè)試根據(jù)模擬量采集模塊的要求連接其電源線和傳感器線路測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化情況可由軟件監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果如圖4-12所示?？梢婋妷罕頊y(cè)試得到的電壓為1.00V，數(shù)據(jù)采集模塊返回的測(cè)量值為1.00V，因此可以得出兩個(gè)結(jié)論:第一次測(cè)試時(shí)沒有布線問題。你可以得到將數(shù)據(jù)傳回上級(jí)機(jī)器的效果。其次，可以保證模擬量采集模塊的精度，誤差率接近0%。因此，可以非常準(zhǔn)確地區(qū)分和報(bào)告四個(gè)照明傳感器返回的8通道模擬數(shù)量。圖4-12數(shù)據(jù)測(cè)試圖1.3模糊PID算法仿真運(yùn)行設(shè)計(jì)模糊控制不需要得到控制目標(biāo)的精確模型，它是基于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋信息和定義的模糊控制規(guī)則，推理結(jié)果被正確地處理為控制器的控制輸出，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化不是很敏感，它除了一段時(shí)間以來模糊控制的范圍迅速擴(kuò)大之外，提出和實(shí)施的混合控制器越來越多，模糊控制也越來越多，目前與其他控制理論相結(jié)合的新控制戰(zhàn)略也越來越成熟。模糊規(guī)則的獨(dú)特特性使系統(tǒng)能夠在線修正參數(shù)，從而具有適應(yīng)能力，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能。MATLAB是包含許多計(jì)算算法的數(shù)學(xué)軟件。它包括兩個(gè)部分:MATLAB和SimuliNk，它們可以執(zhí)行算法編程和仿真，可用于算法開發(fā)和數(shù)據(jù)公式可視化。MATLAB擁有600多種數(shù)學(xué)計(jì)算功能，可用于600多個(gè)項(xiàng)目，并且可以輕松執(zhí)行用戶所需的所有計(jì)算功能。圖4-13模擬PID模型俯仰角度曲線圖圖4-14模擬PID模型橫側(cè)曲線圖編寫PLC程序之前，首先在該系統(tǒng)中使用MATLAB軟件仿真PID，輸入量為四個(gè)照射角傳感器的平均值，輸入量為驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)的增減量。將橫向輸入添加到軟件環(huán)境中。仿真PID模型的橫向角度曲線如圖4-13所示。此時(shí)，觀察圖4-14中模擬PID模型的輸出曲線。由此可見，模擬PID模型在引入擾動(dòng)后反應(yīng)迅速，輸出量達(dá)到35，太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償，最后偏差值變?yōu)?，達(dá)到最大發(fā)電速度。在處理模擬PID模型的整個(gè)過程中，系統(tǒng)反應(yīng)迅速、準(zhǔn)確、穩(wěn)健。1.1.1PLC程序設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)計(jì)劃構(gòu)建一個(gè)水平坐標(biāo)系，即一個(gè)基于地平面的坐標(biāo)系，作為水平基準(zhǔn)，垂直于地平面作為垂直面，并基于地平線與垂直面的交點(diǎn)，如圖4-15所示。由于天體的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，物體的偏轉(zhuǎn)坐標(biāo)隨時(shí)間變化，太陽的位置主要由高度角度和太陽方位角之間具有垂直關(guān)系的兩個(gè)角度或弧決定。圖4-15水平坐標(biāo)系1.1.2PLC程序流程圖圖4-16PLC程序流程圖PLC程序流程圖如4-16所示。系統(tǒng)通電后，初始化相關(guān)參數(shù)，清除注冊(cè)表中的數(shù)據(jù)，并開始將正向脈沖發(fā)送給仰角和方位角伺服，直到機(jī)構(gòu)到達(dá)極限為止，此時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，然后在所有初始化機(jī)構(gòu)后，PLC實(shí)時(shí)獲取四個(gè)照明傳感器返回的模擬8通路幅值，并將其與設(shè)定值進(jìn)行比較。如果當(dāng)前x或y光照角度方向數(shù)據(jù)偏離設(shè)定值，則系統(tǒng)立即執(zhí)行模擬PID操作，輸出信號(hào)被傳遞到伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，最終結(jié)果是也就是說，太陽能電池板表面將始終垂直于日光，從而在單位時(shí)間內(nèi)接收更多陽光，提高轉(zhuǎn)換效率，釋放更多電能，并為用戶帶來益處。此外，在正常運(yùn)行模式下，系統(tǒng)在伺服電動(dòng)機(jī)每次運(yùn)動(dòng)前都會(huì)進(jìn)行人體傳感器掃描，以確定設(shè)備工作范圍內(nèi)是否有人，確定環(huán)境是否安全，系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，如果不安全，則輸出信號(hào)1.1.3PLC梯形圖程序在本設(shè)計(jì)中使用的控制器是西門子S7-200系列PLC，PLC具有高性能、高可靠性的特點(diǎn)，編程軟件是step7-microwiNp9，其軟件接口如圖4-17所示。在該P(yáng)LC程序中，它主要分為仿真數(shù)量的讀取、計(jì)算、保護(hù)和驅(qū)動(dòng)程序的四個(gè)部分。圖4-17編程軟件界面根據(jù)控制要求和流程圖，編寫梯形圖程序，在本次程序中首先需要將8路模擬量的數(shù)值通過MODBUS讀取到PLC中，模擬量讀取程序塊如圖4-18所示。圖4-18模擬量讀取程序塊在此設(shè)計(jì)中，模擬量存儲(chǔ)在VW100-VW107中，用于程序間操作，例如確定是否應(yīng)啟用低功耗模式。角度計(jì)算程序塊如圖4-19所示。程序塊執(zhí)行的功能是對(duì)返回的仿真數(shù)量值執(zhí)行分析計(jì)算，查找最新的位置信息，并確保返回的仿真值正確。對(duì)角線傳感器返回的模擬值必須不同于或少于100個(gè)單位。如果超過此值，則視為傳感器異常，系統(tǒng)將關(guān)閉并發(fā)送警報(bào)，提醒用戶系統(tǒng)存在異常。必須請(qǐng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)處理。圖4-19角度計(jì)算程序塊系統(tǒng)保護(hù)程序塊如圖4-20所示，該程序塊利用輸入輸出信號(hào)形成自鎖定電路，使線圈充當(dāng)輸入信號(hào)并鎖定，按下啟動(dòng)按鈕后即使松開按鈕，系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)行