仿真和原型實現相結合的儀表自動化實驗系統開發

朱 濤,周天沛,李 紅,凌啟東

(徐州工業職業技術學院機電工程技術學院,江蘇徐州 221140)

仿真和原型實現相結合的儀表自動化實驗系統開發

朱 濤,周天沛,李 紅,凌啟東

(徐州工業職業技術學院機電工程技術學院,江蘇徐州 221140)

開發了仿真與原型實現相結合的儀表自動化實驗系統,介紹了設計思路和硬件軟件構成。該系統不僅能進行仿真,而且能在來源于實物原型的數據分析與仿真的基礎上,借助實驗軟、硬件平臺對原型對象進行測量與控制。以單容水箱為例,詳述了利用MCGS編程測量系統參數、建立仿真數學模型和實現PID控制的方法,并對比分析了仿真運行與原型實現的結果。

儀表自動化;仿真;原型實現;MCGS;實驗系統

儀表自動化課程涉及工業檢測儀表、過程控制儀表和生產過程自動化等內容。經過該課程的學習,學生應具有常見自動化儀表的選擇與使用能力,對于自控系統的設計、操作、維護能力,并能夠綜合運用自動控制技術、檢測技術和計算機技術解決生產中的實際問題。在儀表自動化課程實踐教學環節,有些高校利用仿真軟件代替部分實物實驗。文獻[1-3]對課程中的儀表裝置和控制系統進行虛擬仿真,盡管它有成本低、方便快捷等優點,但是理想化的實驗環境還是不能完全代替實物實驗。也有高校對儀表自動化或過程控制實驗裝置進行了研究,文獻[4-8]在實物實驗方面取得了研究成果,但僅靠實物實驗無法快速培養學生解決實際問題的能力。本文結合仿真實驗和實物實驗的優點,構建一種新型的儀表自動化實驗系統,基于工作過程和認知規律設計教學,將仿真實驗原型再現。

1 系統的設計思路

系統設計的指導思想是基于工作過程和認知規律重構教學內容,將理論知識與工程實踐相結合,加強對學生創新能力的培養,突出對學生分析問題、解決問題能力的訓練,為學生的創造性、探究性、自主性學習提供條件[9-11]。

實驗系統提供多個綜合型、開放型和提高型的實驗教學內容,包括溫度、壓力、流量、液位等各類控制系統,為學生提供廣泛的工程背景知識和感性知識,提高學生的工程意識,為學生的主動學習和對新控制策略的研究搭建了一個全面、實用的實驗平臺。

徐州工業職業技術學院強調“教、學、做一體化”的教學模式,理論和實踐結合。教師首先對原型化的實驗裝置進行演示,將所授的理論知識融于其中,然后引導學生運用理論知識在仿真平臺上測試實驗,以此訓練學生在控制系統參數設計、調試方面的技能。在仿真實驗教學中,學生人手一臺電腦,而且仿真模型都有原型化的裝置,在仿真訓練的基礎上再對原型化的裝置操作,實現對仿真結果和真實數據的比較分析,既降低了教學成本,又提高了學生的學習興趣和學習效率。

2 儀表自動化實驗系統構建

儀表自動化實驗系統包括軟件子系統和硬件子系統兩部分。軟件子系統提供兩項功能:一是利用MCGS組態軟件對實驗設備進行虛擬化的設計,搭建仿真實驗的平臺;另一個是作為原型化實物實驗的上位機監控系統。

硬件子系統由現場部分和控制部分組成(見圖1)。現場部分主要包括:1個儲水槽;上、下2個帶液位測量功能的透明水箱;1個帶熱電阻測溫和電加熱功能的換熱器;由屏蔽泵、電動調節閥、渦輪流量計、手動調節閥、電磁閥、變頻器、電磁流量計、手動調節閥、管道壓力變送器、水箱液位變送器等組成的循環供水系統。控制部分包括:1個上潤智能儀表,1臺三菱FX2n系列PLC,1臺三菱FR-S500變頻器,1個上潤流量積算儀,RS232/RS485轉換器,1個盤古無紙記錄儀,裝有MCGS組態軟件的PC機,以及智能模塊。通過不同的控制器與現場部分組合可以構成基于智能儀表的控制系統、基于PLC的控制系統和基于計算機的控制系統。

基于仿真和原型實現的儀表自動化實驗系統開發步驟是:

(1)設計制作適合實驗教學的現場部分,包括控制對象的設計制作,以及檢測裝置和執行器的選型;

(2)對控制器進行選型,設計控制柜,制作方便接插的控制面板;

(3)完成上位機組態軟件制作,實現對下位機的監控,并對不同的對象特性參數進行測試;

圖1 硬件子系統實物圖

(4)根據測試的對象特性數據,利用組態軟件制作仿真系統,做到仿真系統參數和實際實驗裝置一一對應。

在實際教學中,教師采用“教、學、做一體化”的教學模式,通過過程仿真,讓學生得到生產實踐需要的知識與技能,并為創造性、探究性學習提供條件。通過原型化的實驗裝置操作,使學生能將仿真訓練得到的知識與技能應用到實際案例中,對比分析仿真結果和真實數據,完成理論的融合和實踐的滲透。

特別是控制系統參數的整定實驗,需要學生有非常強的現場調試能力。不同的對象,整定的參數結果完全不同,通過對仿真系統和原型化裝置的交叉實驗,提高學生用創新思維分析問題、解決問題的能力。

3 開發案例

單容水箱[12]的對象特性測試與液位定值控制實驗系統開發過程,是仿真和原型相結合的儀表自動化實驗系統開發過程。通過該實驗,學生應掌握對象特性的測試方法,熟悉單回路反饋控制系統的組成和工作原理,能夠分析用P、PI和PID調節的過程圖形曲線,定性地研究P、PI和PID調節器的參數對系統性能的影響,能夠對單回路控制進行參數整定。

3.1 對象模型分析

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保持一定數值。在這里,水箱就是被控對象,液位h就是被控變量。設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,而進水閥門1的開度μ1變化是引起液位變化的干擾因素,對象的輸入量是流入水箱的流量Q1,對象的輸出量是液位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

為計算方便,假設Q1只決定于調節閥門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(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之間的傳遞函數為

其中,T1＝AR,為時間常數;K＝RKμ,為放大系數。對于(4)式也可以寫成

假設t＜0時μ1＝0,當進水閥門1的開度μ1有一個階躍的變化Δμ1,對(6)式求解,就能得出水位的變化規律

顯然,當t→∞時,水位趨向穩態值h(∞)＝KΔμ1。

3.2 仿真系統搭建與應用

根據上述分析的對象模型,利用MCGS組態軟件搭建仿真平臺,其特點是畫面效果逼真、對象組建靈活、不需要初學者精通類C語言的編程。當然,搭建這個仿真平臺的核心還是用編程的方式把上述的對象模型和控制算法融進組態軟件。

例如對象特性分析這一單元,實際是對(7)式的仿真實現。在組態軟件里設定一個滑動條,關聯上水箱的截面積,因而該系統水箱的截面積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,可以直接觀察對象受到干擾后,被控變量恢復到穩定狀態的速度是變快了還是變慢了。再輔以(1)式—(6)式的分析,很容易讓學生由感性認識提高到理性認識。在課堂的實際教學中,可以先讓學生在仿真系統中掌握采集K和T1的方法,然后再通過上位機組態軟件編寫的監控程序去測試對象原型的特性。

液位定值控制是在給定值有一個階躍變化時,通過調整進水閥門1的開度μ1去跟蹤新的給定值,使液位重新穩定在新的狀態。這時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是線性關系,通過PID調節器去控制μ1的變化。PID控制算法的模擬表達式為

式中,u(t)為調節器的輸出信號,e(t)為偏差信號,KP為比例系數,TI為積分時間,TD為微分時間。為了使仿真能實現(8)式,必須將其離散化,用離散的差分方程來代替連續系統的微分方程。假設采樣周期為T,離散化的位置式PID控制算法的編程表達式為

由(9)式可以推導出計算較為簡單的PID控制增量式算式,即

根據對象原型搭建仿真系統時,按式(10)編程, a0、a1、a2的值可以由KP、TI、TD、T經過運算給出,并存入固定單元,設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調節器的參數對系統控制性能的影響。

3.3 仿真與原型實現交互式教學

當調節方案確定之后,不同的整定參數值就有不同的調節過程。當給定值有一個階躍變化時,在保證調節過程波動的衰減比ζ＝1/4(或更低)的前提下,要使過渡過程的最大動態偏差、靜態誤差和調節時間最小。常用的工程整定方法有:穩定邊界法、反應曲線法

對于式(5),利用后向差分變換法[13]可得和衰減曲線法。這3種方法各有優點,適用場合也不一樣,但通過直接控制原型對象實驗,在短時間內很難達到滿意的效果。

在搭建好的仿真平臺上,對象模型是可變的,教師可以根據每個方法的適用場合,引導學生設置不同的模型對象。例如利用衰減曲線法時,對于時間常數T1較大的系統,由于過渡過程波動周期較長,需要多次實驗才能逼近ζ＝1/4,這時可以把水箱的截面積A設置得小一些,以減少時間常數T1的值。

在工程實踐中,根據每一個對象的特點,都套用上述3種方法,顯得過于機械化、程式化,特別是一些外界干擾頻繁、控制曲線不規則的場合,只能通過經驗試湊,這就要求調試人員十分清楚KP、TI、TD參數對過渡過程的影響。仿真平臺為學生學習、研究控制規律提供了很好的條件。

為了更便于學生進行參數調整的學習和實踐,可以先利用實驗系統測試對象特性,利用階躍曲線法[14]得到如圖3所示的對象特性測試曲線。這樣,就可以在仿真系統中建立一個來源于實物原型的一階對象數學模型,通過設置不同的KP、TI、TD參數去控制同一個一階數學模型,達到控制參數整定的目的。圖4就是不同控制參數下水箱液位h由30 cm變為40 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 對象特性測試曲線

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控制的控制參數直接對一階水箱對象原型進行水位定值控制,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為原型化控制提供了非常好的參數整定初始數據。

圖5 對水箱對象原型進行水位定值P控制的過渡曲線

圖6 對水箱對象原型進行水位定值PI控制的過渡曲線

圖7 對水箱對象原型進行水位定值PID控制的過渡曲線

很顯然,利用仿真平臺實現“教、學、做一體化”變得輕而易舉,讓學生在短時間內就能掌握3種方法的操作要點,并能通過經驗試湊整定參數。

4 結束語

基于仿真和原型實現相結合的儀表自動化實驗系統,將理論與實踐相結合、仿真運行與原型實現相結合,實現了虛擬技術與現實環境的靈活切換。學生可以在計算機上通過改變控制對象的特性,動態設置實驗中的各參數,快速對實驗結果進行模擬,并通過實驗裝置對控制對象進行原型化控制,將仿真結果與實際控制結果進行比較,為原型化實驗提供更好的控制策略。這種基于仿真和原型實現相結合的實驗系統,體現了“教、學、做一體化”的理念,加強了對學生實驗技能的培養,豐富了教學手段、提高了教學質量和效率,也提高了學生學習的積極性。

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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年度江蘇省高校科研成果產業化推進項目“基于虛擬仿真的PLC網絡教學實驗系統的產業化研究”(2010-29)

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

E-mail:xzgyzt＠163.com