面向MCGS的“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)研究

李玉榮，穆秀峰，胡逸文

(南京林業(yè)大學(xué)，機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

面向MCGS的“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)研究

李玉榮，穆秀峰，胡逸文

(南京林業(yè)大學(xué)，機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

該文以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)為分析對(duì)象，探究了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，并根據(jù)問(wèn)題提出實(shí)驗(yàn)研究方案。搭建了完整的面向MCGS的液位控制系統(tǒng)，其內(nèi)容包括組態(tài)軟件，變頻器和傳感器、合適的PID控制方法等自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)。采用MCGS軟件完成液位控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，壓力和流量傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)水泵，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)水箱液位的定值PID控制。該文綜合了典型的自動(dòng)化軟硬件技術(shù)，搭建了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)，有助于提升自動(dòng)化學(xué)生對(duì)PID控制規(guī)律的理解，加深課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力。

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；通用監(jiān)控系統(tǒng)；PID；實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是本科院校自動(dòng)化專業(yè)的一門專業(yè)課[1-2]，該課程理論性較強(qiáng)、綜合性較高。課程內(nèi)容要點(diǎn)不僅包括計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還包括常規(guī)控制方案和復(fù)雜控制技術(shù)。PID控制是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的主要內(nèi)容之一，在課堂上重點(diǎn)講解的PID控制內(nèi)容主要包括: 位置式PID、增量式PID、PID控制算法的改進(jìn)和參數(shù)整定等,如圖1所示。目前南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)是基于直接數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)被控對(duì)象的離散數(shù)學(xué)模型，在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)數(shù)字PID控制算法，通過(guò)Matlab來(lái)進(jìn)行仿真[3]。但很多學(xué)生反映這部分內(nèi)容比較難學(xué)，對(duì)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理解力比較薄弱。主要體現(xiàn)在不能直觀理解控制規(guī)律和課堂的理論知識(shí)與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程之間缺乏緊密聯(lián)系上。結(jié)合近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，本文提出將教材中介紹的商品化工業(yè)控制軟件(MCGS)與實(shí)驗(yàn)室的HREG13控制臺(tái)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)水箱液位PID 控制，學(xué)生能夠直觀理解PID 控制規(guī)律，加深課堂知識(shí)點(diǎn)的理解。

圖1 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課堂教學(xué)要點(diǎn)

1 實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)

1.1 基本硬件構(gòu)成

水箱液位控制系統(tǒng)的工作原理并不復(fù)雜。液位測(cè)量傳感器將容器里的水位變送給調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器控制水泵和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，選擇向水箱上水還是打開(kāi)泄壓閥，將水放到儲(chǔ)水箱[4-5]。硬件系統(tǒng)的方框圖，被控量是設(shè)定的水箱液位高度，要求系統(tǒng)控制液位值穩(wěn)定在給定值，壓力傳感器檢測(cè)到的液位信號(hào)作為反饋信號(hào)，在與給定值比較以后產(chǎn)生偏差值，調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差的大小控制變頻器的開(kāi)度，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)方框圖

1)水箱：采用的是淡藍(lán)色優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃，結(jié)實(shí)耐用，透明度高，方面學(xué)生直接觀察水箱液位的變化和記錄結(jié)果。

2)壓力傳感器、變送器：對(duì)水箱液位進(jìn)行檢測(cè)，量程是0-5 KP，精度為0.5級(jí)。采用的是工業(yè)級(jí)擴(kuò)散硅壓力變送器，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。工作電壓24 V，輸出信號(hào)為4～20 mADC[6-7]。

3)變頻器：采用三菱公司的FR-D720-0.4 K-CHR型變頻輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)磁力水泵。

4)智能儀表：采用上海萬(wàn)迅儀表有限公司的AI系列全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，它是PID控制型，通過(guò)485總線轉(zhuǎn)串口模塊與上位機(jī)通信，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[8-9]。

1.2 系統(tǒng)基本軟件構(gòu)成

本系統(tǒng)通過(guò)學(xué)習(xí)MCGS工業(yè)控制專業(yè)軟件，開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)軟件界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位控制工作過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、曲線顯示、監(jiān)控和有力的PID控制。MCGS工控軟件是強(qiáng)大的組態(tài)軟件，軟件安裝不會(huì)占用電腦很多內(nèi)存，兼容性也好，不僅可以和設(shè)備通信以在線模式運(yùn)行，也可以通過(guò)腳本程序的編寫來(lái)實(shí)現(xiàn)離線模式的仿真，工作方式多樣化[10]。系統(tǒng)的上位機(jī)軟件界面組成如圖3所示，它不僅能直觀地反映當(dāng)前硬件系統(tǒng)的運(yùn)行情況，還能給實(shí)驗(yàn)的學(xué)生提供明確的操作提示，達(dá)到較好的人機(jī)界面交互情況。界面主要由腳本程序、控制策略、數(shù)據(jù)庫(kù)等控制[11]，主要包括動(dòng)畫顯示、參數(shù)設(shè)置、當(dāng)前測(cè)量液位值、實(shí)時(shí)曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表和歷史曲線等部分。

圖3 系統(tǒng)軟件功能

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制方法及綜合運(yùn)行調(diào)試

2.1 系統(tǒng)PID控制方法

PID控制最早廣泛應(yīng)用在模擬控制系統(tǒng)中，是通過(guò)液壓、氣動(dòng)元件和電子元件的形式起到作用的，穩(wěn)定性好，易于控制[12]。后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將硬件的功能由軟件實(shí)現(xiàn)就出現(xiàn)了數(shù)字PID。在軟件編程的階段適當(dāng)?shù)恼≒ID的3個(gè)參數(shù),就可以獲得滿意的控制效果,是對(duì)比例、積分和微分三部分控制作用的折中。普通的數(shù)字PID控制算法分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法[13]。為了改善PID控制的動(dòng)態(tài)特性，人們提出了多種改進(jìn)的數(shù)字PID控制算法，主要對(duì)積分和微分作用進(jìn)行改進(jìn)[14]。本系統(tǒng)使用的增量式PID算法腳本程序，體現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的計(jì)算關(guān)系，如圖4所示。教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)具體需要而選擇相應(yīng)的參數(shù)整定方法，并組織學(xué)生記錄參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)，以進(jìn)一步理解PID 控制作用。

圖4 實(shí)驗(yàn)中增量式PID算法腳本程序

2.2 通信設(shè)置及運(yùn)行監(jiān)控

在計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，要達(dá)到好的實(shí)驗(yàn)效果，最主要是能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)的控制信息能下傳給現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，這就是數(shù)據(jù)交互，它依靠通信功能來(lái)保障，并且要求有一定的實(shí)時(shí)性。在MCGS中設(shè)置設(shè)備窗口，通過(guò)串行口和現(xiàn)場(chǎng)儀表的模塊編程接口建立通訊的連接以控制水箱液位，在設(shè)備窗口添加通用串口父設(shè)備，修改父設(shè)備屬性，如：初始工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)位位數(shù)、停止位位數(shù)、通訊波特率和串口端口等[15]。在父設(shè)備的下面添加智能儀表子設(shè)備——集智達(dá)7017模塊并安裝，修改屬性(與父設(shè)備相同)等，最后依靠組態(tài)界面和傳感器變送設(shè)備的變量對(duì)象“通道連接”，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與硬件設(shè)備的通信，通信成功后對(duì)應(yīng)的“設(shè)備調(diào)試”通信狀態(tài)值為“0”，如圖5所示。

圖6 水箱液位PID控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的監(jiān)控界面

水箱液位實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試運(yùn)行正常，如圖6所示。系統(tǒng)的PID參數(shù)可以通過(guò)人機(jī)界面直接在線修改，根據(jù)參數(shù)整定方法最終獲得較好的控制效果。其中LT表示水箱的液位值，F(xiàn)T表示流量的測(cè)定值，SV表示液位給定值。它不僅能測(cè)量數(shù)據(jù)，還能對(duì)當(dāng)前的設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行動(dòng)畫的展示，生動(dòng)形象。

3 結(jié)束語(yǔ)

面向MCGS的“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)研究實(shí)現(xiàn)將自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)軟硬件結(jié)合，把組態(tài)軟件應(yīng)用到水箱液位控制系統(tǒng)中來(lái)，實(shí)驗(yàn)效果較好。學(xué)生不僅對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有了整體的認(rèn)識(shí)，還對(duì)具體的傳感器、輸入輸出通道和PID控制規(guī)律有了全面的了解。在今后的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究中，希望能進(jìn)一步結(jié)合模糊控制、Fuzzy-PID等控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)的控制[16]，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)提升學(xué)生的動(dòng)手能力和分析問(wèn)題能力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的興趣。

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Research on the Experiment of Course of“Computer Control Technology”for MCGS

LI Yurong, MU Xiufeng, HU Yiwen

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

This paper takes the course experiment of computer control technology as the analysis object, explores the teaching emphasis and difficulty of this course.The experimental research program is proposed according to the problem.A complete liquid level control system for monitor and control generated system(MCGS) is built, including automation softwares such as configuration software, the transducer and sensor, suitable PID control methods,etc.The man-machine interface of the liquid level control system is designed by using MCGS software.The level data of water tank is collected by the pressure and flow transmission sensors.The water pump is drove through the inverter pump.Thus the water level setting PID control is realized.This study integrates the typical automation software and hardware techniques and builds the application system of computer control technology.It helps automation major students enhance on the understanding of proportion integration differentiation(PID) control law, deepen the class teaching and experimental link, and cultivate students comprehensive application ability.

computer control technology; MCGS; PID; experimen

2016-09-21；修改日期:2017-01-12

2015年國(guó)家自然科學(xué)基金(51505231)；國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局技改項(xiàng)目(2014JIANGS09)；江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院項(xiàng)目(KJ(Y)2014013)；南京林業(yè)大學(xué)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2016NFUSPITP047)。

李玉榮(1986-)女，碩士，中級(jí)實(shí)驗(yàn)師。主要從事網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方面的研究。

TP272

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.039