仿真和原型实现相结合的仪表自动化实验系统开发

朱 涛,周天沛,李 红,凌启东

(徐州工业职业技术学院机电工程技术学院,江苏徐州 221140)

仿真和原型实现相结合的仪表自动化实验系统开发

朱 涛,周天沛,李 红,凌启东

(徐州工业职业技术学院机电工程技术学院,江苏徐州 221140)

开发了仿真与原型实现相结合的仪表自动化实验系统,介绍了设计思路和硬件软件构成。该系统不仅能进行仿真,而且能在来源于实物原型的数据分析与仿真的基础上,借助实验软、硬件平台对原型对象进行测量与控制。以单容水箱为例,详述了利用MCGS编程测量系统参数、建立仿真数学模型和实现PID控制的方法,并对比分析了仿真运行与原型实现的结果。

仪表自动化;仿真;原型实现;MCGS;实验系统

仪表自动化课程涉及工业检测仪表、过程控制仪表和生产过程自动化等内容。经过该课程的学习,学生应具有常见自动化仪表的选择与使用能力,对于自控系统的设计、操作、维护能力,并能够综合运用自动控制技术、检测技术和计算机技术解决生产中的实际问题。在仪表自动化课程实践教学环节,有些高校利用仿真软件代替部分实物实验。文献[1-3]对课程中的仪表装置和控制系统进行虚拟仿真,尽管它有成本低、方便快捷等优点,但是理想化的实验环境还是不能完全代替实物实验。也有高校对仪表自动化或过程控制实验装置进行了研究,文献[4-8]在实物实验方面取得了研究成果,但仅靠实物实验无法快速培养学生解决实际问题的能力。本文结合仿真实验和实物实验的优点,构建一种新型的仪表自动化实验系统,基于工作过程和认知规律设计教学,将仿真实验原型再现。

1 系统的设计思路

系统设计的指导思想是基于工作过程和认知规律重构教学内容,将理论知识与工程实践相结合,加强对学生创新能力的培养,突出对学生分析问题、解决问题能力的训练,为学生的创造性、探究性、自主性学习提供条件[9-11]。

实验系统提供多个综合型、开放型和提高型的实验教学内容,包括温度、压力、流量、液位等各类控制系统,为学生提供广泛的工程背景知识和感性知识,提高学生的工程意识,为学生的主动学习和对新控制策略的研究搭建了一个全面、实用的实验平台。

徐州工业职业技术学院强调“教、学、做一体化”的教学模式,理论和实践结合。教师首先对原型化的实验装置进行演示,将所授的理论知识融于其中,然后引导学生运用理论知识在仿真平台上测试实验,以此训练学生在控制系统参数设计、调试方面的技能。在仿真实验教学中,学生人手一台电脑,而且仿真模型都有原型化的装置,在仿真训练的基础上再对原型化的装置操作,实现对仿真结果和真实数据的比较分析,既降低了教学成本,又提高了学生的学习兴趣和学习效率。

2 仪表自动化实验系统构建

仪表自动化实验系统包括软件子系统和硬件子系统两部分。软件子系统提供两项功能:一是利用MCGS组态软件对实验设备进行虚拟化的设计,搭建仿真实验的平台;另一个是作为原型化实物实验的上位机监控系统。

硬件子系统由现场部分和控制部分组成(见图1)。现场部分主要包括:1个储水槽;上、下2个带液位测量功能的透明水箱;1个带热电阻测温和电加热功能的换热器;由屏蔽泵、电动调节阀、涡轮流量计、手动调节阀、电磁阀、变频器、电磁流量计、手动调节阀、管道压力变送器、水箱液位变送器等组成的循环供水系统。控制部分包括:1个上润智能仪表,1台三菱FX2n系列PLC,1台三菱FR-S500变频器,1个上润流量积算仪,RS232/RS485转换器,1个盘古无纸记录仪,装有MCGS组态软件的PC机,以及智能模块。通过不同的控制器与现场部分组合可以构成基于智能仪表的控制系统、基于PLC的控制系统和基于计算机的控制系统。

基于仿真和原型实现的仪表自动化实验系统开发步骤是:

(1)设计制作适合实验教学的现场部分,包括控制对象的设计制作,以及检测装置和执行器的选型;

(2)对控制器进行选型,设计控制柜,制作方便接插的控制面板;

(3)完成上位机组态软件制作,实现对下位机的监控,并对不同的对象特性参数进行测试;

图1 硬件子系统实物图

(4)根据测试的对象特性数据,利用组态软件制作仿真系统,做到仿真系统参数和实际实验装置一一对应。

在实际教学中,教师采用“教、学、做一体化”的教学模式,通过过程仿真,让学生得到生产实践需要的知识与技能,并为创造性、探究性学习提供条件。通过原型化的实验装置操作,使学生能将仿真训练得到的知识与技能应用到实际案例中,对比分析仿真结果和真实数据,完成理论的融合和实践的渗透。

特别是控制系统参数的整定实验,需要学生有非常强的现场调试能力。不同的对象,整定的参数结果完全不同,通过对仿真系统和原型化装置的交叉实验,提高学生用创新思维分析问题、解决问题的能力。

3 开发案例

单容水箱[12]的对象特性测试与液位定值控制实验系统开发过程,是仿真和原型相结合的仪表自动化实验系统开发过程。通过该实验,学生应掌握对象特性的测试方法,熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理,能够分析用P、PI和PID调节的过程图形曲线,定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响,能够对单回路控制进行参数整定。

3.1 对象模型分析

单容水箱液位控制过程如图2所示,工艺上要求水箱的液位h保持一定数值。在这里,水箱就是被控对象,液位h就是被控变量。设Q1是流入水箱的流量,Q2是流出水箱的流量,A是水箱的截面积。如果出水阀门2的开度μ2保持不变,而进水阀门1的开度μ1变化是引起液位变化的干扰因素,对象的输入量是流入水箱的流量Q1,对象的输出量是液位h。

若变化量很微小,可以看作Q2与h成正比,与出水阀门2处的液阻R成反比,可表示为

为计算方便,假设Q1只决定于调节阀门1的开度,与阀门1的开度μ1成正比,即

将(2)式和(3)式代入(1)式,可得

对(4)式取拉普拉斯变换,可得液位变化量Δh与阀门1的开度μ1之间的传递函数为

其中,T1＝AR,为时间常数;K＝RKμ,为放大系数。对于(4)式也可以写成

假设t＜0时μ1＝0,当进水阀门1的开度μ1有一个阶跃的变化Δμ1,对(6)式求解,就能得出水位的变化规律

显然,当t→∞时,水位趋向稳态值h(∞)＝KΔμ1。

3.2 仿真系统搭建与应用

根据上述分析的对象模型,利用MCGS组态软件搭建仿真平台,其特点是画面效果逼真、对象组建灵活、不需要初学者精通类C语言的编程。当然,搭建这个仿真平台的核心还是用编程的方式把上述的对象模型和控制算法融进组态软件。

例如对象特性分析这一单元,实际是对(7)式的仿真实现。在组态软件里设定一个滑动条,关联上水箱的截面积,因而该系统水箱的截面积A是可变的。A的变化首先直接影响到的就是T1的变化,通过改变A,可以直接观察对象受到干扰后,被控变量恢复到稳定状态的速度是变快了还是变慢了。再辅以(1)式—(6)式的分析,很容易让学生由感性认识提高到理性认识。在课堂的实际教学中,可以先让学生在仿真系统中掌握采集K和T1的方法,然后再通过上位机组态软件编写的监控程序去测试对象原型的特性。

液位定值控制是在给定值有一个阶跃变化时,通过调整进水阀门1的开度μ1去跟踪新的给定值,使液位重新稳定在新的状态。这时的操纵变量就是流入水箱的流量Q1,而Q1与出水阀门1的开度μ1是线性关系,通过PID调节器去控制μ1的变化。PID控制算法的模拟表达式为

式中,u(t)为调节器的输出信号,e(t)为偏差信号,KP为比例系数,TI为积分时间,TD为微分时间。为了使仿真能实现(8)式,必须将其离散化,用离散的差分方程来代替连续系统的微分方程。假设采样周期为T,离散化的位置式PID控制算法的编程表达式为

由(9)式可以推导出计算较为简单的PID控制增量式算式,即

根据对象原型搭建仿真系统时,按式(10)编程, a0、a1、a2的值可以由KP、TI、TD、T经过运算给出,并存入固定单元,设e(k－1)和e(k－2)的初值为0。通过改变KP、TI、TD的值就能够定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统控制性能的影响。

3.3 仿真与原型实现交互式教学

当调节方案确定之后,不同的整定参数值就有不同的调节过程。当给定值有一个阶跃变化时,在保证调节过程波动的衰减比ζ＝1/4(或更低)的前提下,要使过渡过程的最大动态偏差、静态误差和调节时间最小。常用的工程整定方法有:稳定边界法、反应曲线法

对于式(5),利用后向差分变换法[13]可得和衰减曲线法。这3种方法各有优点,适用场合也不一样,但通过直接控制原型对象实验,在短时间内很难达到满意的效果。

在搭建好的仿真平台上,对象模型是可变的,教师可以根据每个方法的适用场合,引导学生设置不同的模型对象。例如利用衰减曲线法时,对于时间常数T1较大的系统,由于过渡过程波动周期较长,需要多次实验才能逼近ζ＝1/4,这时可以把水箱的截面积A设置得小一些,以减少时间常数T1的值。

在工程实践中,根据每一个对象的特点,都套用上述3种方法,显得过于机械化、程式化,特别是一些外界干扰频繁、控制曲线不规则的场合,只能通过经验试凑,这就要求调试人员十分清楚KP、TI、TD参数对过渡过程的影响。仿真平台为学生学习、研究控制规律提供了很好的条件。

为了更便于学生进行参数调整的学习和实践,可以先利用实验系统测试对象特性,利用阶跃曲线法[14]得到如图3所示的对象特性测试曲线。这样,就可以在仿真系统中建立一个来源于实物原型的一阶对象数学模型,通过设置不同的KP、TI、TD参数去控制同一个一阶数学模型,达到控制参数整定的目的。图4就是不同控制参数下水箱液位h由30 cm变为40 cm,分别采用P控制、PI控制和PID控制的过渡曲线。P控制曲线的KP＝2,PI控制曲线的KP＝0.5,TI＝3.3 s,PID控制曲线的KP＝0.5,TI＝4 s,TD＝1 s。

图3 对象特性测试曲线

图4 水箱水位定值控制仿真曲线

分别用上述仿真得到的P控制、PI控制和PID控制的控制参数直接对一阶水箱对象原型进行水位定值控制,获得如图5、图6、图7所示的原型控制曲线,可见,仿真条件下的控制参数为原型化控制提供了非常好的参数整定初始数据。

图5 对水箱对象原型进行水位定值P控制的过渡曲线

图6 对水箱对象原型进行水位定值PI控制的过渡曲线

图7 对水箱对象原型进行水位定值PID控制的过渡曲线

很显然,利用仿真平台实现“教、学、做一体化”变得轻而易举,让学生在短时间内就能掌握3种方法的操作要点,并能通过经验试凑整定参数。

4 结束语

基于仿真和原型实现相结合的仪表自动化实验系统,将理论与实践相结合、仿真运行与原型实现相结合,实现了虚拟技术与现实环境的灵活切换。学生可以在计算机上通过改变控制对象的特性,动态设置实验中的各参数,快速对实验结果进行模拟,并通过实验装置对控制对象进行原型化控制,将仿真结果与实际控制结果进行比较,为原型化实验提供更好的控制策略。这种基于仿真和原型实现相结合的实验系统,体现了“教、学、做一体化”的理念,加强了对学生实验技能的培养,丰富了教学手段、提高了教学质量和效率,也提高了学生学习的积极性。

References)

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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年度江苏省高校科研成果产业化推进项目“基于虚拟仿真的PLC网络教学实验系统的产业化研究”(2010-29)

朱涛(1981—),男,江苏徐州,硕士,讲师/工程师,自动化教研室主任,主要从事自动化教学与研究工作.

E-mail:xzgyzt＠163.com