1绪论
1.1课题研究的背景及意义
多类型的生产设备在现代工业体系内为了实现多门类的生产工艺过程而存在，而且这些设备普遍的驱动模式都是电动机驱动模式。在完成各类工艺标准时，大部分生产机械都会进行电能到机械能的转换，然后通过机械运动来实现目标。然而工业科技的个性将更多的以工艺特点为基准的要求加到了生产机械和驱动电动机的身上，例如：要求电动机能够迅速启停和反向运作，或者要求电动机的运转速度会按照一定比例来执行，又或者要求电动机能够实现平稳的极限低速运转，或者要求电动机在启停稳定的要同时能够实现精准停车定位。以上这些多种多样的工业运转要求都需要电动机的控制和机械运转系统来完成。所以可以看出对系统的大多数驱动都要依靠对转速的控制来完成。直流电动机因为自身良好的启停特性和大范围速度调整较为平顺的特点，在快速或变速正向的电力拖动领域得到了很广泛的应用。
有鉴于此，本论文将直流拖动的控制系统作为重点探索和改进对象。从这一调速系统的长期发展趋势角度来说有着很好的现实意义。
1.2国内外研究现状
电力电子技术和电机运转控速相辅相成，共同发展。在两者的互相融合推动的过程中，电器传动控制日趋实现了现代化：也就是通过弱点模式来实现检测判读和控制指令发出，并通过强电来实现对电机的具体控制。由此可以得出结论：所谓的电气控制技术的现代化就是一种强弱电的结合。
在电机控制的发展早期，电动机的启停，双向旋转和分档位数控都是要通过电器本身来完成。但是科技的眼睛让电机所要具备的生产工艺准则越来越多：转速的稳定精准，不限档位的调速以及高速反转和定点停机等等。直流电机内部的电压控制和弱磁控速对于这些标准都可以做到很好的满足，这也是基于旋转变流机为电源的直流调速系统（Ward-Leonard，G-M）的最早来源。后来对于控速性能的不断高要求触发了电机型，磁性和电子型等多种放大器装置的诞生和反馈控制运用。到了上世纪中叶，控制供电直流调速机组系统的相关技术既实现了登峰造极，也暴露出了最多的问题。这样的系统战地太多，成本功效剪刀差小，在需要稳固低级的同时还会产生强烈的运作噪声，即使维修也会严重不便。这些都成为了限制其生产作用的短板。这也就催生了替代性的汞整流装置和闸流管等静止性变流装置，也就是所谓的例子传动控制系统的应用。可以认为操控的半导体晶闸管在1957年诞生，这让静止式可控整流装置在可靠性和工作效能上都有了很大的提升。并且引领了整个六十年代。基于晶闸管静止变流电源的直流调速系统即为电动机晶闸管调速系统（V-M）。不断发展的电子电力技术又在70年代催生了开关可控的新型全控式元件，包括门极可关断（GTO）和场效应（P-MOSFET）两类晶闸管以及大功率晶体管（GTR），这些全控式元件的出现，催生了通过脉冲宽度实现调控的高频次通断控制模式，也就发展出了PWM直流脉宽电动机调速系统。
1.3课题研究内容
本论文所设计的是一个以PLC为基石的，通过双极性可逆H型电路为电源的，通过脉冲宽度实现调速的双闭环直流调速系统。驱动电路有一定专属性，产品选择汤姆森公司的UAA4002型来设计和探讨直流电机调速系统，具体工作如下：
1、从理论上层面探讨双闭环控制的PWM直流电机调速系统。
2、探讨了现代化的PLC控制技术。
3、利用现有最先进的CAD绘图软件来完成整个系统电路的设计和描绘。
4、设计了基于PLC的调速系统控制模块。
2 PLC及组态软件的概述
2.1PLC简介
所谓的PLC，指代的是Programmable Logic Command，也就是可编程逻辑处理程序。其中的P为Programmable，中文意义为编程，代表了系统赋予我们的程序编写自主权，L为Logic，中文意义为逻辑，代表该系统拥有和计算一样强大的逻辑运算和处理能力。C为Command，中文意义为指令或处理。代表了系统可以对显示的工业生产设备及其运作过程实行控制。也就是说，PLC是基于计算机技术平台上产生的适应控制工业过程的新型装置，这是它区别继电器控制的最大亮点。其中C代表Controller中文意思是控制器，说明我们可以通过给他编写程序，通过它来控制电路设备，使整个设备系统按照我们的逻辑思路执行动作，从而达到我们预期的功能。
在二十世纪七十年代，随着工业的高速发展，工业的生产已经不能满足人们的需求，此时工业技术必须革新，传统的继电器控制装置系统必须被淘汰，研究开发人员以实际工业环境、生产应用为目的而设计开发的新型的控制器，由于它是在计算机的技术平台上开发的电子系统且具有数字运算操作的能力故命名为可编程逻辑控制器，英文名为PLC。
PLC的功能非常的强大，它的编程非常的简单，它的指令都是面向用户的，用户只要通过使用简单的开关量的编程指令就完全可以完美的实现由繁琐的继电器电路构成的控制系统的逻辑功能。同时还可以执行顺序控制程序，可以根据不同工艺的要求实现有条不紊的顺序执行控制功能，这在设备的控制中是最常用的功能。逻辑运算也是PLC的一大功能，它具有与计算机一样的逻辑功能，利用它的逻辑运算功能可以解决传统继电器控制装置中逻辑接线的麻烦，使我们的思路更加的清晰，接线更加的简单，给后期的设备维护、维修带来个极大地方便。PLC内部还设有定时器和计数器可以很方便的实现定时和计数的功能，这些通过软件中的定时和计数可以实现继电器控制系统中的定时器元件一样的功能，同时定时和计数的精度更高，不仅大大的降低了成本同时是定时精度大大的提高了。PLC不仅可以实现像继电器控制系统中对进行数字量的控制，而且还可以对继电器控制装置无法实现的模拟量进行控制，这一点是继电器控制电路无法完成的，可以控制各种各样的工业过程，同时PLC输入和输出外部端子上有晶闸管、晶体管和继电器三种，我们常用的是前两种，继电器型的可以直接和220V输出设备连接，而晶体管型的只能连接直流型输出设备，但晶体管型的PLC可以输出高速脉冲用来控制伺服和步进电机。
2.2 PLC特点
PLC系统受到广泛关注，完全是因为其多种类型的强大能力。这里主要提出PLC众多特点中的几个：
（1）强大的抗干扰能力和可靠性。
不管是何种类型的自动化电器控制设备首要的性能就是稳定性，稳定性达不到要求其他的功能都无法得到保障，所以高稳定性是衡量一台自动化控制设备的性能的标准。PLC内部电路是通过大规模的集成电路技术手段和精湛的制造工艺以及最流行的抗干扰技术的构成的，在可靠性方面有着很高的性能，能适应各种复杂的生产过程，在噪音、烟雾、灰尘、低温、潮湿的环境中能实现无故障稳定运行。例如德国西门子公司生产的S7系列PLC平均运行无故障时间可达到40万小时以上。在使用了冗余CPU的PLC的设备中可实现无故障运行。在PLC的外围电路上，由于PLC具有逻辑运算能力，它具有与计算机一样的逻辑功能，利用它的逻辑运算功能可以解决传统继电器控制装置中逻辑接线的麻烦，使我们的思路更加的清晰，接线更加的简单，给后期的设备维护、维修带来个极大地方便，此外，当PLC在运行的过程中出现故障时根据它内部的自动检测故障的功能会向外发出报警，提示运行故障，还可以根据显示的错误代码判断是那部分的故障。这样，就保证了整个设备系统的极高可靠性。
（2）功能完善、配套齐全、实用性强
PLC从诞生到现在不断的发展，不论在功能上还是在规模上都有很大的提升，各公司的产品也在不停的更新换代以适应不同功能设备的要求，像西门子公司的S7-200、S7-300、S7-400、S7-1200、S7-1500、S7-Smart等等，三菱公司的FX0s、FX1s、FX1n、FX2n、以及Q系列的大中型PLC等等，已经形成了适应不同规模的大、中、小各种系列的产品。可以应用于各种规模场合的工业控制。随着PLC的飞速发展，它的一些外围功能模块也不断的涌现出来，像温度控制模块、位置控制模块、通信模块等等，为了操作简单方便各公司相继推出了人机界面，像昆仑通泰触摸屏、威纶通触摸屏、西门子触摸屏等等、人机界面的出现方便了控制参数的修改，增强了设备的柔性。后期各公司相继推出了组态软件，像北京亚控的组态王，西门子的WINCC、昆仑通泰的MCGS等等，实现了远程监视和操控的功能，从而搭建了SCADA系统，使各种控制系统的操作变得非常方便、简单。
（3）易学易用，系统构建简单
PLC的功能非常的强大，它的编程非常的简单，它的指令都是面向用户的，用户只要通过使用简单的开关量的编程指令就完全可以完美的实现由繁琐的继电器电路构成的控制系统的逻辑功能。它的编程软件中带有接口驱动，使PLC与编程软件和PLC与上位机通信变得非常简单。编程软件中使用的是由继电器电路演变而来的梯形图，非常直观，清晰，易懂。即使没有编程经验的电气工作人员也能在很短的时间内掌握，这样就可以让更多的人能够更快地从事电器工作。
（4）系统本身的建造工序较少，若要改造也可以在很短内完成，且容易维护。
PLC的逻辑性质和计算机相类似，利用它的逻辑运算功能可以解决传统继电器控制装置中逻辑接线的麻烦，使我们的思路更加的清晰，接线更加的简单，利用人机界面方便了控制参数的修改，增强了设备的柔性。使设备控制系统的研发时间大大缩短，同时给后期的设备保养、维修带来个极大地方便。
（5）重量轻，体积小，能耗低
随着PLC的不断发展，工业设备环境对PLC的性能提出了愈来愈高的要求，不仅在体积、重量方面，在能耗上也有很高的要求，因为有些设备是要实现机电一体化的功能，所以就要求PLC在体积上实现更缩小化、重量上实现减轻化、能耗低上实现更低化以便可以适应各种领域各种设备的安装。这些性能也是这几年PLC发展的主要方向。
2.3 PLC的发展阶段
近几年来由于微处理器的诞生以及通讯技术手段日新月异的发展和集成电路技术在大规模、超大规模方面的崛起，虽然PLC的发展历史不长，但PLC的发展如雨后春笋，短短几年已经完成了继电器控制装置的转变。这一系统的简要发展历史可以被概括为以下三个时期。
（1）PLC初创阶段（1965左右-1975左右）
初创时期的PLC的主要功能是代替继电器来实现对电路的控制，它内部集成了定时器、计数器以及顺序控制的功能，它具有与计算机一样的逻辑功能，PLC的逻辑计算能力可以克服较为复杂的以往继电器控制电路时繁复的逻辑接线过程，让接线思路和接线过程都更加的简单明了，从而规避了以往大量的继电器控制带来的问题。便于后来的维护保养。也就是说初创PLC所具备的只是继电器控制模块替代品的内涵，PLC程序的编制过程非常的简单，它的指令都是面向用户的，用户在利用PLC来实现以往继电器控制电路的功能时，只需要依赖简单的几个逻辑控制开关命令就可以轻松让系统完成用户需要他完成的电路控制工作。PLC驱动接口存在于编程软件之中，使PLC与编程软件和PLC与上位机通信变得非常简单。编程软件中使用的是由继电器电路演变而来的梯形图，非常直观，清晰，易懂。即使没有编程经验的电气工作人员也能在很短的时间内掌握。
2.3.2中期的PLC（70年代中期—80年代中后期）
在70年代的时候，外国一些国家像X、德国等一些PLC生产制造企业开始采用类似计算机处理器作为PLC的微处理器。这一改革使PLC在性能上发生了翻天覆地的变化，从早期的单一的开关量控制到现在的模拟量控制以及通信远程控制等，在其内部还集成了通讯、传送和自诊断等功能使PLC的功能大大增强，能够适应更多复杂的工业环境。
2.3.3近期的PLC（80年代中后期至今）
从上世纪80年代末开始，工业制造行业内部的一些专家提出了柔性系统的概念，就是在同一设备系统中根据设置的参数不同可以生产不同种类的产品，可以提高设备的利用率同时可以节省大量的生产成本。再到90年代以来，为了构造SCADA系统方便控制管理,在PLC内部集成了通信模块实现了整个系统联网通信的功能。
2.4组态王简介
组态王开发软件以标准化的工业软硬件计算平台搭建了全新的自动化工业控制系统，实现了从封闭式传统系统到集成系统的跨越。
组态王kingview6.55版本在继承以往版本多功能，运作稳和简单用特点的同时，还将一些自身功能进行了完备化和扩大化，让这一软件可以更好地体现出自身的功能和实际应用价值。
组态王kingview6.55将北京亚控公司自行研制的KingHistorian即时工业数据库的特点加以集中。处于为工业企业搭建具备战略性的应用服务平台的初衷，顺应最新的自动化发展潮流。通过自身力量打造了出来一套面对市场低端用户的企业一体化需求的一套产品。企业可以通过这一系统在第一时间受到相应资讯并作出判断，通过最优化的结果来实现对生产流程数据的分析管理。
2.5组态王的特点
基于微软图形编辑软件相应开发功能的组态王，可以很容易地通过监控和动画显示实现对设备状态的控制，并获得各类即时性的走势，警报界面和报表等等。这一软件自带的多种驱动程序和灵活的数据搭配链条，在适应性、开放性、延展性和经济时效性等方面都有着很明显的优势。整个系统可以被划分为控制，监控和管理三大层级。其中处于中间的监控层可以实现对管理层和控制层的上下相接来实现监控和管理，以求得对现场的及时监控和管理，并且通过自动化的控制系统上传各类消息，因此在配置中扮演着很重要的角色。这一软件在图形，数据和动画三个角度都有所考量。实现了基于监控系统战线的功能，通过基于组态王来设计监控系统，相关的软件可以实现直观的监控展现，便于测试人员即时进行现场管控。
2.6组态王的实际应用
1、组态王系统设计软件的使用流程：
（1）依照任务需求设计图形界面
(2)根据工控对象的各种属性构造数据库
(3)进行动画连接
（4）对整个完成的系统进行全面运作测试和调整
2、组态王软件的运行特点如下：
（1）只需要通过安装了该软件的个人电脑，不需要其他的帮助就可以实现自动控制系统的测试，避免仪器购置开销。
（2）中文界面的组态王可以让用户轻松上手，而且在短时间内达到精通在具备多次数高仿真运行能力的同时，用户还可以随时输入和修改相关参数，参数修改前后的即时特性区县都可以展现，这就可以让自动控制系统的试验效果达到预想目的。
3、在基于组态王实现系统运行程序的开发过程时需要做到下面三个考量：
（1）图形，工业生产场地及其相应的设备都需要用抽象图形来代表和模拟。
（2）数据，通过一个具体的数据库的创建及其数据变量的变化，来具体描述工业生产过程中涉及到诸如水位，流量等多种状态因素。
第3章直流调速系统
3.1调速系统的性能指标
设备要想实现对运转速度的控制，必然会产生一定的生产工艺和性能上面的要求，在本文中这种要求被设定为稳态无静差，动态化的过度时间不超过0.1秒，超调电流量%不超过5%，在空转状态时额定转速到达时间超调量不超过10%。这些要求都可以实现到运动控制形态的动静指标的转化，并作为依据作用于系统设计。
不同类型的工业设备会对转速调控有着不同类型的要求，但总的来说就是下面三类：
（1）速度调整，在一定的高低转速范围内实现分档或者平滑的速度调整。
（2）速度平稳运行。设备运转速度能够保持一定精准度的运行且不受诸如载荷和电压波动这样的外来干扰，以保证产品的高质量。
（3）速度增减调控。对于存在反复启停的设备，必须缩短其速度增减和启停时间来提升产量；如果生产设备难以承受过于剧烈的变速则只需要启停过程平稳。
以上三项要求在一些时候必须同时满足，有时候也只满足一两条即可，甚至会出现要求相悖的状态。出于量化分析的考虑，一般规定几种性能指标，以实现对调速系统的功能判断。
3.1.1稳态性能指标
稳定运作的运动控制系统表现出来的各项指标即为静态（稳态）指标。具体包括：调速范围和静差百分比，随系统移动的定位和速度跟踪精准度，张力控制系统的稳态误差等等，其中稳态指标中针对调速系统的主要包括调速范围和静差率（D与S）
很容易看到，负载产生变化时转速的稳定性就是通过静差率来显现，这与机械本身的硬度直接相关，机械硬度和转速的稳定性成正比，与静差率成反比。
所以，调速范围和静差率的指标必须同时加以调整才会具备实际效果，两者并不孤立。
3.1.2动态指标
处于过渡中的运动控制系统所呈现出来的性能即为动态指标，这一指标的类型有跟随指标和干扰指标两种。
（1）跟随性能指标
系统对于不同类型的给定变化信号会产生不同的反应。一般情况下的跟随性能指标都需要零初始条件，然后将系统响应的针对单位输入的阶跃信号（单位阶跃响应）作为其依据（图2-1）。跟随性指标的具体种类如下：
1.上升时间tr
第一次单位阶跃从零开始跃升，实现到稳态值的单位阶跃响应曲线所花的时间即为上升时间，这主要表明动态响应的速度。
2.2.超调量
在动状态下，大于稳态值的超标输出量偏差和稳态值之间的百分比值即为超调量。也就是
这一指标指代系统的稳定程度，稳定性和超调量之间成负相关，越小的超调量代表着越平稳的动态响应。
3.调节时间ts
过渡过程所需要的时间就是所谓的调节时间，是判断动态响应速度的指标。按照理论角度来讲，太指代的应该是从给定型号阶跃变化开始到输出量趋于稳定的所用时间。但是在线性控制系统的状态下，绝对的稳定状态只有才会真正处于稳定状态。因此在实践中，调节时间的定义大多数为单位阶跃响应曲线在衰减过程中从开始到进入且不再超出误差允许范围（±2%—±5%）所需要的最少时间。
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结束语
设计旨在利用三菱FX2N系列PLC系统设计，熟悉掌握好PLC中基本的软组件使用方法和作用，按照选题利用定时器和继电器特点进行编程，实现直流电机调速控制系统的设计。熟悉掌握好Works2编程软件和组态王软件的使用和调试系统，当程序编好后，利用这两个仿真软件进行调试，根据功能要求使其一步步实现。其中每个程序都进行反复调试，直至实现相应的功能。如果调试没有成功再校验程序有没有输入错误或者检查程序是否编辑错误，就这样周而复始直至程序调试成功。
致谢
在进行毕业论文的这3个月里，是我整个大学生涯里涉及面最广、时间跨度最长、工作量最多的一个学习机会。老师说通过此次毕业论文能够把之前学习到的课程知识都进行有效的运用，如果能够将所有小课的精髓全部领悟，具备较强的逻辑能力，那么就可以高效地完成这个毕业论文。
人们常说，磨刀不误砍柴工，所以当我遇到一些目前不能解决问题的时候，我都会及时地向我的同学们进行请教，他们会对我阐述的问题进行耐心的回答，从来不会因为缺乏耐心而对我进行指责，而是反复地给我强调应该重视的地方，无论是课题的确定，或者是最终的设计完成，老师们都给我提供了很多的帮助，真正意义上完成了“传道受业解惑”的任务，这些都让我特别敬佩。很多个日日夜夜，老师都给我们提供了很多的学业指导，并且也在生活以及思想层面给我了我很多的关心，我对老师们的专业知识特别敬佩，并且也对它们细致的科研态度产生了很大的敬佩，并且在日后的工作以及学习里，我都会以此为榜样，不断地努力学习并争取进步。
在这个论文即将完成的时候，我的心情特别激动，无论是课题起始阶段或者是论文完稿阶段，很多的老师、朋友、以及同学都给我了很多悉心的帮助，我要向他们再次表达谢意！最后，我要特别谢谢母校对我多年的指导以及栽培，谢谢你们!
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