仿真和原型實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的儀表自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

朱 濤,周天沛,李 紅,凌啟東

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程技術(shù)學(xué)院,江蘇徐州 221140)

仿真和原型實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的儀表自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

朱 濤,周天沛,李 紅,凌啟東

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程技術(shù)學(xué)院,江蘇徐州 221140)

開發(fā)了仿真與原型實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的儀表自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),介紹了設(shè)計(jì)思路和硬件軟件構(gòu)成。該系統(tǒng)不僅能進(jìn)行仿真,而且能在來源于實(shí)物原型的數(shù)據(jù)分析與仿真的基礎(chǔ)上,借助實(shí)驗(yàn)軟、硬件平臺(tái)對(duì)原型對(duì)象進(jìn)行測(cè)量與控制。以單容水箱為例,詳述了利用MCGS編程測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)、建立仿真數(shù)學(xué)模型和實(shí)現(xiàn)PID控制的方法,并對(duì)比分析了仿真運(yùn)行與原型實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。

儀表自動(dòng)化;仿真;原型實(shí)現(xiàn);MCGS;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

儀表自動(dòng)化課程涉及工業(yè)檢測(cè)儀表、過程控制儀表和生產(chǎn)過程自動(dòng)化等內(nèi)容。經(jīng)過該課程的學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)具有常見自動(dòng)化儀表的選擇與使用能力,對(duì)于自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、操作、維護(hù)能力,并能夠綜合運(yùn)用自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)解決生產(chǎn)中的實(shí)際問題。在儀表自動(dòng)化課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),有些高校利用仿真軟件代替部分實(shí)物實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[1-3]對(duì)課程中的儀表裝置和控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真,盡管它有成本低、方便快捷等優(yōu)點(diǎn),但是理想化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境還是不能完全代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)。也有高校對(duì)儀表自動(dòng)化或過程控制實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[4-8]在實(shí)物實(shí)驗(yàn)方面取得了研究成果,但僅靠實(shí)物實(shí)驗(yàn)無法快速培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。本文結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn),構(gòu)建一種新型的儀表自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),基于工作過程和認(rèn)知規(guī)律設(shè)計(jì)教學(xué),將仿真實(shí)驗(yàn)原型再現(xiàn)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是基于工作過程和認(rèn)知規(guī)律重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容,將理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合,加強(qiáng)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng),突出對(duì)學(xué)生分析問題、解決問題能力的訓(xùn)練,為學(xué)生的創(chuàng)造性、探究性、自主性學(xué)習(xí)提供條件[9-11]。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供多個(gè)綜合型、開放型和提高型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,包括溫度、壓力、流量、液位等各類控制系統(tǒng),為學(xué)生提供廣泛的工程背景知識(shí)和感性知識(shí),提高學(xué)生的工程意識(shí),為學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和對(duì)新控制策略的研究搭建了一個(gè)全面、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院強(qiáng)調(diào)“教、學(xué)、做一體化”的教學(xué)模式,理論和實(shí)踐結(jié)合。教師首先對(duì)原型化的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行演示,將所授的理論知識(shí)融于其中,然后引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)在仿真平臺(tái)上測(cè)試實(shí)驗(yàn),以此訓(xùn)練學(xué)生在控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、調(diào)試方面的技能。在仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生人手一臺(tái)電腦,而且仿真模型都有原型化的裝置,在仿真訓(xùn)練的基礎(chǔ)上再對(duì)原型化的裝置操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真結(jié)果和真實(shí)數(shù)據(jù)的比較分析,既降低了教學(xué)成本,又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

2 儀表自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

儀表自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括軟件子系統(tǒng)和硬件子系統(tǒng)兩部分。軟件子系統(tǒng)提供兩項(xiàng)功能:一是利用MCGS組態(tài)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行虛擬化的設(shè)計(jì),搭建仿真實(shí)驗(yàn)的平臺(tái);另一個(gè)是作為原型化實(shí)物實(shí)驗(yàn)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

硬件子系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)部分和控制部分組成(見圖1)。現(xiàn)場(chǎng)部分主要包括:1個(gè)儲(chǔ)水槽;上、下2個(gè)帶液位測(cè)量功能的透明水箱;1個(gè)帶熱電阻測(cè)溫和電加熱功能的換熱器;由屏蔽泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥、變頻器、電磁流量計(jì)、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、管道壓力變送器、水箱液位變送器等組成的循環(huán)供水系統(tǒng)?？刂撇糠职?1個(gè)上潤(rùn)智能儀表,1臺(tái)三菱FX2n系列PLC,1臺(tái)三菱FR-S500變頻器,1個(gè)上潤(rùn)流量積算儀,RS232/RS485轉(zhuǎn)換器,1個(gè)盤古無紙記錄儀,裝有MCGS組態(tài)軟件的PC機(jī),以及智能模塊。通過不同的控制器與現(xiàn)場(chǎng)部分組合可以構(gòu)成基于智能儀表的控制系統(tǒng)、基于PLC的控制系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)。

基于仿真和原型實(shí)現(xiàn)的儀表自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)步驟是:

(1)設(shè)計(jì)制作適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)部分,包括控制對(duì)象的設(shè)計(jì)制作,以及檢測(cè)裝置和執(zhí)行器的選型;

(2)對(duì)控制器進(jìn)行選型,設(shè)計(jì)控制柜,制作方便接插的控制面板;

(3)完成上位機(jī)組態(tài)軟件制作,實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控,并對(duì)不同的對(duì)象特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試;

圖1 硬件子系統(tǒng)實(shí)物圖

(4)根據(jù)測(cè)試的對(duì)象特性數(shù)據(jù),利用組態(tài)軟件制作仿真系統(tǒng),做到仿真系統(tǒng)參數(shù)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置一一對(duì)應(yīng)。

在實(shí)際教學(xué)中,教師采用“教、學(xué)、做一體化”的教學(xué)模式,通過過程仿真,讓學(xué)生得到生產(chǎn)實(shí)踐需要的知識(shí)與技能,并為創(chuàng)造性、探究性學(xué)習(xí)提供條件。通過原型化的實(shí)驗(yàn)裝置操作,使學(xué)生能將仿真訓(xùn)練得到的知識(shí)與技能應(yīng)用到實(shí)際案例中,對(duì)比分析仿真結(jié)果和真實(shí)數(shù)據(jù),完成理論的融合和實(shí)踐的滲透。

特別是控制系統(tǒng)參數(shù)的整定實(shí)驗(yàn),需要學(xué)生有非常強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試能力。不同的對(duì)象,整定的參數(shù)結(jié)果完全不同,通過對(duì)仿真系統(tǒng)和原型化裝置的交叉實(shí)驗(yàn),提高學(xué)生用創(chuàng)新思維分析問題、解決問題的能力。

3 開發(fā)案例

單容水箱[12]的對(duì)象特性測(cè)試與液位定值控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)過程,是仿真和原型相結(jié)合的儀表自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)過程。通過該實(shí)驗(yàn),學(xué)生應(yīng)掌握對(duì)象特性的測(cè)試方法,熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理,能夠分析用P、PI和PID調(diào)節(jié)的過程圖形曲線,定性地研究P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,能夠?qū)位芈房刂七M(jìn)行參數(shù)整定。

3.1 對(duì)象模型分析

單容水箱液位控制過程如圖2所示,工藝上要求水箱的液位h保持一定數(shù)值。在這里,水箱就是被控對(duì)象,液位h就是被控變量。設(shè)Q1是流入水箱的流量,Q2是流出水箱的流量,A是水箱的截面積。如果出水閥門2的開度μ2保持不變,而進(jìn)水閥門1的開度μ1變化是引起液位變化的干擾因素,對(duì)象的輸入量是流入水箱的流量Q1,對(duì)象的輸出量是液位h。

若變化量很微小,可以看作Q2與h成正比,與出水閥門2處的液阻R成反比,可表示為

為計(jì)算方便,假設(shè)Q1只決定于調(diào)節(jié)閥門1的開度,與閥門1的開度μ1成正比,即

將(2)式和(3)式代入(1)式,可得

對(duì)(4)式取拉普拉斯變換,可得液位變化量Δh與閥門1的開度μ1之間的傳遞函數(shù)為

其中,T1＝AR,為時(shí)間常數(shù);K＝RKμ,為放大系數(shù)。對(duì)于(4)式也可以寫成

假設(shè)t＜0時(shí)μ1＝0,當(dāng)進(jìn)水閥門1的開度μ1有一個(gè)階躍的變化Δμ1,對(duì)(6)式求解,就能得出水位的變化規(guī)律

顯然,當(dāng)t→∞時(shí),水位趨向穩(wěn)態(tài)值h(∞)＝KΔμ1。

3.2 仿真系統(tǒng)搭建與應(yīng)用

根據(jù)上述分析的對(duì)象模型,利用MCGS組態(tài)軟件搭建仿真平臺(tái),其特點(diǎn)是畫面效果逼真、對(duì)象組建靈活、不需要初學(xué)者精通類C語言的編程。當(dāng)然,搭建這個(gè)仿真平臺(tái)的核心還是用編程的方式把上述的對(duì)象模型和控制算法融進(jìn)組態(tài)軟件。

例如對(duì)象特性分析這一單元,實(shí)際是對(duì)(7)式的仿真實(shí)現(xiàn)。在組態(tài)軟件里設(shè)定一個(gè)滑動(dòng)條,關(guān)聯(lián)上水箱的截面積,因而該系統(tǒng)水箱的截面積A是可變的。A的變化首先直接影響到的就是T1的變化,通過改變A,可以直接觀察對(duì)象受到干擾后,被控變量恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的速度是變快了還是變慢了。再輔以(1)式—(6)式的分析,很容易讓學(xué)生由感性認(rèn)識(shí)提高到理性認(rèn)識(shí)。在課堂的實(shí)際教學(xué)中,可以先讓學(xué)生在仿真系統(tǒng)中掌握采集K和T1的方法,然后再通過上位機(jī)組態(tài)軟件編寫的監(jiān)控程序去測(cè)試對(duì)象原型的特性。

液位定值控制是在給定值有一個(gè)階躍變化時(shí),通過調(diào)整進(jìn)水閥門1的開度μ1去跟蹤新的給定值,使液位重新穩(wěn)定在新的狀態(tài)。這時(shí)的操縱變量就是流入水箱的流量Q1,而Q1與出水閥門1的開度μ1是線性關(guān)系,通過PID調(diào)節(jié)器去控制μ1的變化。PID控制算法的模擬表達(dá)式為

式中,u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào),e(t)為偏差信號(hào),KP為比例系數(shù),TI為積分時(shí)間,TD為微分時(shí)間。為了使仿真能實(shí)現(xiàn)(8)式,必須將其離散化,用離散的差分方程來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。假設(shè)采樣周期為T,離散化的位置式PID控制算法的編程表達(dá)式為

由(9)式可以推導(dǎo)出計(jì)算較為簡(jiǎn)單的PID控制增量式算式,即

根據(jù)對(duì)象原型搭建仿真系統(tǒng)時(shí),按式(10)編程, a0、a1、a2的值可以由KP、TI、TD、T經(jīng)過運(yùn)算給出,并存入固定單元,設(shè)e(k－1)和e(k－2)的初值為0。通過改變KP、TI、TD的值就能夠定性地研究P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。

3.3 仿真與原型實(shí)現(xiàn)交互式教學(xué)

當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后,不同的整定參數(shù)值就有不同的調(diào)節(jié)過程。當(dāng)給定值有一個(gè)階躍變化時(shí),在保證調(diào)節(jié)過程波動(dòng)的衰減比ζ＝1/4(或更低)的前提下,要使過渡過程的最大動(dòng)態(tài)偏差、靜態(tài)誤差和調(diào)節(jié)時(shí)間最小。常用的工程整定方法有:穩(wěn)定邊界法、反應(yīng)曲線法

對(duì)于式(5),利用后向差分變換法[13]可得和衰減曲線法。這3種方法各有優(yōu)點(diǎn),適用場(chǎng)合也不一樣,但通過直接控制原型對(duì)象實(shí)驗(yàn),在短時(shí)間內(nèi)很難達(dá)到滿意的效果。

在搭建好的仿真平臺(tái)上,對(duì)象模型是可變的,教師可以根據(jù)每個(gè)方法的適用場(chǎng)合,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)置不同的模型對(duì)象。例如利用衰減曲線法時(shí),對(duì)于時(shí)間常數(shù)T1較大的系統(tǒng),由于過渡過程波動(dòng)周期較長(zhǎng),需要多次實(shí)驗(yàn)才能逼近ζ＝1/4,這時(shí)可以把水箱的截面積A設(shè)置得小一些,以減少時(shí)間常數(shù)T1的值。

在工程實(shí)踐中,根據(jù)每一個(gè)對(duì)象的特點(diǎn),都套用上述3種方法,顯得過于機(jī)械化、程式化,特別是一些外界干擾頻繁、控制曲線不規(guī)則的場(chǎng)合,只能通過經(jīng)驗(yàn)試湊,這就要求調(diào)試人員十分清楚KP、TI、TD參數(shù)對(duì)過渡過程的影響。仿真平臺(tái)為學(xué)生學(xué)習(xí)、研究控制規(guī)律提供了很好的條件。

為了更便于學(xué)生進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的學(xué)習(xí)和實(shí)踐,可以先利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試對(duì)象特性,利用階躍曲線法[14]得到如圖3所示的對(duì)象特性測(cè)試曲線。這樣,就可以在仿真系統(tǒng)中建立一個(gè)來源于實(shí)物原型的一階對(duì)象數(shù)學(xué)模型,通過設(shè)置不同的KP、TI、TD參數(shù)去控制同一個(gè)一階數(shù)學(xué)模型,達(dá)到控制參數(shù)整定的目的。圖4就是不同控制參數(shù)下水箱液位h由30 cm變?yōu)?0 cm,分別采用P控制、PI控制和PID控制的過渡曲線。P控制曲線的KP＝2,PI控制曲線的KP＝0.5,TI＝3.3 s,PID控制曲線的KP＝0.5,TI＝4 s,TD＝1 s。

圖3 對(duì)象特性測(cè)試曲線

圖4 水箱水位定值控制仿真曲線

分別用上述仿真得到的P控制、PI控制和PID控制的控制參數(shù)直接對(duì)一階水箱對(duì)象原型進(jìn)行水位定值控制,獲得如圖5、圖6、圖7所示的原型控制曲線,可見,仿真條件下的控制參數(shù)為原型化控制提供了非常好的參數(shù)整定初始數(shù)據(jù)。

圖5 對(duì)水箱對(duì)象原型進(jìn)行水位定值P控制的過渡曲線

圖6 對(duì)水箱對(duì)象原型進(jìn)行水位定值PI控制的過渡曲線

圖7 對(duì)水箱對(duì)象原型進(jìn)行水位定值PID控制的過渡曲線

很顯然,利用仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做一體化”變得輕而易舉,讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)就能掌握3種方法的操作要點(diǎn),并能通過經(jīng)驗(yàn)試湊整定參數(shù)。

4 結(jié)束語

基于仿真和原型實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的儀表自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),將理論與實(shí)踐相結(jié)合、仿真運(yùn)行與原型實(shí)現(xiàn)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了虛擬技術(shù)與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的靈活切換。學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上通過改變控制對(duì)象的特性,動(dòng)態(tài)設(shè)置實(shí)驗(yàn)中的各參數(shù),快速對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬,并通過實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行原型化控制,將仿真結(jié)果與實(shí)際控制結(jié)果進(jìn)行比較,為原型化實(shí)驗(yàn)提供更好的控制策略。這種基于仿真和原型實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),體現(xiàn)了“教、學(xué)、做一體化”的理念,加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng),豐富了教學(xué)手段、提高了教學(xué)質(zhì)量和效率,也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

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Development of instrumentation automation experimental system based on combination of simulation and prototype realization

Zhu Tao,Zhou Tianpei,Li Hong,Ling Qidong
(Department of Electrical Engineering Technology,Xuzhou College of Industrial Technology,Xuzhou 221140,China)

The instrumentation automation experimental system based on the combination of simulation and prototype realization is developed.This paper introduces the design idea and the structure of hardware and software.This system can not only the simulation,but also do the measurement and control,by means of the experimental software and hardware platform,based on the data of the analysis and simulation from the object prototype.Taking the single volume water tank as an example,this paper describes using the measurement parameter system by MCGS to establish the simulation mathematical model and realize the PID control method,and compare and analyze the results of simulation operation and prototype realization.This system has many advantages,such as the combination of virtuality and reality,the strong functions,the good expandability,the low cost,etc.

instrumentation automation;simulation;prototype realization;MCGS;experimental system

TP23

A

1002-4956(2015)4-0136-05

2014-09-11

2010年度江蘇省高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目“基于虛擬仿真的PLC網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化研究”(2010-29)

朱濤(1981—),男,江蘇徐州,碩士,講師/工程師,自動(dòng)化教研室主任,主要從事自動(dòng)化教學(xué)與研究工作.

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