機(jī)電控制探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

張辛，房東輝，姜浩，吳寶貴

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島，266580）

0 引言

機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的核心課程，課程內(nèi)容包含變頻器、可編程序控制器等較多元器件和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，與其他課程相比，此課程的教學(xué)內(nèi)容更加繁瑣，學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的吸收理解也相對(duì)困難。為了充分解決這個(gè)問(wèn)題，就需要整合多個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生能夠直觀并深刻的了解機(jī)電系統(tǒng)的控制原理和控制方法，在調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性的同時(shí)，提高教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)由難到易的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以幫助學(xué)生將不同專(zhuān)業(yè)課知識(shí)進(jìn)行串聯(lián)整合，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

1.1 目前開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

我?！稒C(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制》課程有40學(xué)時(shí)，其中6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，目前開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有三個(gè)：“繼電器控制電機(jī)”、“變頻器控制電機(jī)”和“PLC控制電機(jī)”。

（1）繼電器控制電機(jī)

通過(guò)對(duì)接線(xiàn)端子、自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)、交流接觸器、中間繼電器和選擇按鈕的基本構(gòu)造及其控制應(yīng)用進(jìn)行認(rèn)識(shí)，充分理解借助繼電器使電動(dòng)機(jī)完成啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)動(dòng)作的基本方法。掌握異步電動(dòng)機(jī)基本控制電路的連接方式；實(shí)驗(yàn)中需要的儀器為繼電器、變頻器和電動(dòng)機(jī)等。

（2）變頻器控制電機(jī)

通過(guò)變頻器操作面板和變頻器接線(xiàn)端子均可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制?？梢酝ㄟ^(guò)變頻器操作面板進(jìn)行電機(jī)啟動(dòng)、停止以及各種信息和數(shù)據(jù)的顯示；通過(guò)對(duì)變阻器和選擇開(kāi)關(guān)與變頻器接線(xiàn)端子的正確連接，也可以使電機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)期動(dòng)作。通過(guò)學(xué)習(xí)，掌握借助變頻器操作面板和接線(xiàn)端子使電動(dòng)機(jī)完成啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)動(dòng)作的基本方法，實(shí)驗(yàn)中需要的儀器為繼電器、開(kāi)關(guān)、電位器、變頻器和電動(dòng)機(jī)等。

（3）PLC控制電動(dòng)機(jī)

學(xué)習(xí)PLC編程方法的特點(diǎn)以及建立連接的方式，了解借助PLC來(lái)控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行各種動(dòng)作的基本方法，例如電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)、延時(shí)啟停。實(shí)驗(yàn)中需要的儀器為PLC、電腦、軟件STEP-7等[1]。

1.2 存在的問(wèn)題

目前開(kāi)設(shè)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但仍存在學(xué)時(shí)規(guī)劃不合理的情況，三個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總計(jì)學(xué)時(shí)占課程總學(xué)時(shí)的15%，這就導(dǎo)致學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備的時(shí)間不足，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容不能有深入的了解，以至于不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，容易使學(xué)生低估實(shí)驗(yàn)課程的重要程度，在這種情況下，短時(shí)高效就顯得尤為重要，在有限的時(shí)間里讓學(xué)生對(duì)知識(shí)理解更深刻[5]。在繼電器控制電機(jī)、變頻器控制電機(jī)、PLC控制電機(jī)三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，尤其是PLC控制電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)，僅僅使用PLC來(lái)進(jìn)行模擬控制，沒(méi)有控制對(duì)象，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)只能通過(guò)觀察輸出指示燈來(lái)確定程序的運(yùn)行，無(wú)法更直觀展示實(shí)驗(yàn)效果。因此，本探究性實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將控制系統(tǒng)、控制對(duì)象整合在一起，開(kāi)設(shè)多個(gè)實(shí)驗(yàn)，不同實(shí)驗(yàn)可以連貫開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多樣，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較為直觀，能夠獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果，以激發(fā)學(xué)生的興趣。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

機(jī)電系統(tǒng)的控制基本結(jié)構(gòu)主要由三部分組成,即傳感器、運(yùn)算單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu),被控對(duì)象的相關(guān)信息可以通過(guò)傳感器進(jìn)行獲取，獲取的各種物理信號(hào)通過(guò)傳感器變換成系統(tǒng)識(shí)別的電信號(hào)。機(jī)電控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是運(yùn)算單元，例如計(jì)算機(jī)、繼電器、液壓元件等，不同的運(yùn)算單元可以表現(xiàn)出不同的控制方式。機(jī)電控制系統(tǒng)中將其他能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如伺服電機(jī)、液壓馬達(dá)等。借助不同的傳感器和執(zhí)行元件來(lái)完成對(duì)各種物理量的控制，例如壓力、流量、溫度等。PLC自動(dòng)控制是基于可編程序控制器的原理，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對(duì)象，將PLC、控制模塊、執(zhí)行模塊、上位機(jī)界面、變頻器等串聯(lián)在一起。PLC控制輸入的通電和斷電，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制和存儲(chǔ)。上位機(jī)通過(guò)串口接收數(shù)據(jù)、運(yùn)行程序，下位機(jī)通過(guò)程序控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）熟悉典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基本組成部分，即傳感器、運(yùn)算單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。重點(diǎn)了解運(yùn)算單元包括繼電器、液壓元件、氣壓元件和計(jì)算機(jī)等不同類(lèi)型運(yùn)算單元的控制特點(diǎn)。

（2）掌握PLC、安全配線(xiàn)、組態(tài)、電氣調(diào)試、管路搭建、變頻調(diào)速等的同時(shí)，重點(diǎn)掌握流體過(guò)程控制傳感器的配線(xiàn)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、變送、采集、PID控制和組態(tài)控制方法。

（3）掌握STEP-7、Win CC軟件編程，掌握PLC連接建立方法，運(yùn)用圖形編輯器設(shè)計(jì)界面，組件控制操作窗口。

2.2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)內(nèi)容主要有

（1）原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為獨(dú)立項(xiàng)目，并且前期實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器連接等過(guò)程由指導(dǎo)教師完成，改進(jìn)后要求大家在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，自行完成開(kāi)關(guān)啟停、閥門(mén)開(kāi)閉等操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)切換，掌握基本的儀器連接和硬件使用；

（2）原有實(shí)驗(yàn)界面設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)安排等由指導(dǎo)教師前期完成，改進(jìn)后要求大家在明確實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的前提下，自行完成實(shí)驗(yàn)操作窗口設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目布局；掌握PC Access中建立項(xiàng)目的方法；

（3）在原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，掌握PLC編程、Win CC軟件編程的基本方法。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

學(xué)生首先對(duì)設(shè)備以及元件的型號(hào)參數(shù)進(jìn)行初步認(rèn)識(shí)，再通過(guò)元件的實(shí)際安裝狀況完成對(duì)線(xiàn)號(hào)分配表的定義；憑借線(xiàn)號(hào)分配表設(shè)計(jì)電路原理圖，檢查精準(zhǔn)無(wú)誤，設(shè)備通電；對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，并根據(jù)線(xiàn)號(hào)表繪制程序流程圖，完成組態(tài)設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的PLC程序，來(lái)實(shí)現(xiàn)程序流程圖。對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，進(jìn)行PLC程序調(diào)試，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

對(duì)四個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中包括恒壓力控制實(shí)驗(yàn)、恒流量控制實(shí)驗(yàn)、恒液位控制實(shí)驗(yàn)、恒溫度控制實(shí)驗(yàn)。

（1）恒壓力控制實(shí)驗(yàn)

利用擴(kuò)散硅壓力傳感器來(lái)獲取供水壓力數(shù)據(jù)，并使用變頻器控制磁力泵頻率來(lái)達(dá)到控制供水壓力的目的。利用wincc組態(tài)，測(cè)試傳感器的功能，以便更好的利用傳感器來(lái)完成本次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（2）恒流量控制實(shí)驗(yàn)

利用渦輪流量傳感器獲取供水流量數(shù)據(jù)，并使用變頻器控制磁力泵頻率來(lái)達(dá)到控制供水流量的目的，從而更好的滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求。

（3）恒液位控制實(shí)驗(yàn)

利用擴(kuò)散硅液位計(jì)采集水箱內(nèi)液位的高度數(shù)據(jù)，并使用變頻器控制磁力泵頻率來(lái)達(dá)到控制水箱液位的目的，從而更好的滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求。

（4）恒溫度控制實(shí)驗(yàn)

利用擴(kuò)散硅液位計(jì)采集中水箱內(nèi)液位的高度數(shù)據(jù)，并使用變頻器控制磁力泵頻率來(lái)達(dá)到控制水箱液位的目的，從而更好的滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求。

3.3 改進(jìn)內(nèi)容

（1）將硬件連接和操作界面設(shè)計(jì)工作作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過(guò)程，使學(xué)生在實(shí)踐中成長(zhǎng)，提升理論知識(shí)面的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力；

（2）將原有PLC控制電機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)為實(shí)際控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象由無(wú)到有的轉(zhuǎn)換，更直接的展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提升教學(xué)效果的同時(shí)，讓學(xué)生將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中；

（3）將原有彼此獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)整合為綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)聯(lián)系性，將傳感器、運(yùn)算單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)統(tǒng)一起來(lái)，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)理解，提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。

（4）根據(jù)不同的難易程度，在完成必修學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以根據(jù)自己的情況，選擇不同層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，依托現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行拓展項(xiàng)目設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

（5）依托實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)（Project-based learning）的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，結(jié)合工程實(shí)際或者科研課題，針對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的對(duì)象，依據(jù)實(shí)驗(yàn)要求來(lái)完成實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和選取，且對(duì)選取的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的軟件部分和硬件部分均需學(xué)生參與，學(xué)生編制部分實(shí)驗(yàn)軟件，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的硬件系統(tǒng)完成集成調(diào)試，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)采集和分析。

4 實(shí)驗(yàn)方法和手段

（1）實(shí)驗(yàn)中所用主要儀器設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所用的主要設(shè)備包括：計(jì)算機(jī)、變頻器、繼電器、液位變送器、溫度變送器、流量變送器、磁浮球液位開(kāi)關(guān)、水箱、PLC、管路、磁力泵、調(diào)節(jié)閥、電磁閥等。

（2）實(shí)驗(yàn)與操作方法

本實(shí)驗(yàn)中所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要由學(xué)生自己獨(dú)立動(dòng)手完成，包括開(kāi)始的方案設(shè)計(jì)以及選取、方案合理性的驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)界面的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)軟件的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)硬件的調(diào)試、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理。

（3）實(shí)驗(yàn)方法與手段的改進(jìn)

①實(shí)驗(yàn)過(guò)程的連貫性

本實(shí)驗(yàn)由4個(gè)緊密相連的實(shí)驗(yàn)組成，改變了原有單獨(dú)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，變獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的“點(diǎn)”為“線(xiàn)”，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的前后串聯(lián)。

②緊扣教學(xué)，并將不同課程教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，包含了《控制工程基礎(chǔ)》、《機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制》和《智能傳感器》的內(nèi)容，將課程教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)于一個(gè)實(shí)驗(yàn)中。

③實(shí)驗(yàn)報(bào)告區(qū)分度高

在本次實(shí)驗(yàn)中，首先由學(xué)生自己設(shè)置電路圖，自己設(shè)計(jì)操作窗口界面，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受操作水平、實(shí)驗(yàn)參數(shù)的影響，必然導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)區(qū)分度較大，可以做到每個(gè)學(xué)生能根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果自行分析的原因，避免實(shí)驗(yàn)報(bào)告的重復(fù)性的同時(shí)，提高每個(gè)學(xué)生數(shù)據(jù)分析的能力。

④變驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)

此次實(shí)驗(yàn)不再是單純的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到探究性實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變。從直接對(duì)結(jié)論的驗(yàn)證轉(zhuǎn)變?yōu)榉桨傅莫?dú)立設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可對(duì)實(shí)驗(yàn)軟硬件部分進(jìn)行研究，例如硬件連接、硬件系統(tǒng)的集成調(diào)試、操作窗口設(shè)計(jì)、軟件編程等，包括結(jié)果的獨(dú)立后處理過(guò)程，這都是考察學(xué)生對(duì)問(wèn)題的探究及綜合分析能力，在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的同時(shí)，拓展思維，提高創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

5 實(shí)驗(yàn)要求

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備要求

①明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模私鈱?shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備的使用方法，提前掌握PLC編程語(yǔ)言和Win CC編程語(yǔ)言；

②掌握元器件特點(diǎn)及功能要求；

③掌握PID控制方法，了解PID算法對(duì)控制系統(tǒng)的適應(yīng)性[4]；

（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程要求

①進(jìn)行壓力、流量等控制時(shí)，對(duì)壓力實(shí)際值與設(shè)定值曲線(xiàn)的差值變化情況進(jìn)行仔細(xì)觀察，并注意超調(diào)量和震蕩情況，針對(duì)于實(shí)際的工作情況對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)突然添加階躍擾動(dòng)，并觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線(xiàn)是否滿(mǎn)足要求，如不符合預(yù)期情況，便對(duì)PID參數(shù)再次進(jìn)行調(diào)整，以此類(lèi)推，反復(fù)調(diào)整PID的參數(shù)，直至系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)滿(mǎn)足要求。

②進(jìn)行恒液位控制時(shí)，為了防止水箱內(nèi)有水溢出，要隨時(shí)觀察水箱情況。與此同時(shí)，對(duì)于手動(dòng)控制和自動(dòng)控制這兩種方式，需要注意區(qū)分它們的特點(diǎn)和具體的設(shè)置方式。

③進(jìn)行恒溫度控制實(shí)驗(yàn)，加熱時(shí)嚴(yán)禁對(duì)加熱器進(jìn)行干燒，以免加熱器損壞。加熱溫度設(shè)定不要超過(guò)50℃，溫度過(guò)高有可能造成燙傷。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果要求

①記錄設(shè)備參數(shù)（設(shè)定值、P值、I值、D值）及趨勢(shì)曲線(xiàn)；

②記錄實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制的時(shí)間；

③分析PID控制時(shí)的參數(shù)調(diào)節(jié)方法。

6 結(jié)束語(yǔ)

本探究性實(shí)驗(yàn)不僅可以滿(mǎn)足教學(xué)目標(biāo)的要求，完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，還可以合理開(kāi)發(fā)利用[3]，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性。經(jīng)過(guò)本探究性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以更深入的了解典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，掌握其各組成部分的特點(diǎn)，對(duì)傳感器的工作機(jī)理以及應(yīng)用領(lǐng)域有更廣泛的認(rèn)識(shí)，熟悉機(jī)電系統(tǒng)機(jī)算機(jī)控制目標(biāo)的過(guò)程，其中包括信號(hào)的檢測(cè)和處理、運(yùn)算部件的運(yùn)算處理、執(zhí)行構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)；掌握PLC、安全配線(xiàn)、組態(tài)、電氣調(diào)試、管路搭建、變頻調(diào)速、可控硅調(diào)壓控制的同時(shí)，對(duì)流體過(guò)程控制傳感器的配線(xiàn)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、變送、采集、PID控制和組態(tài)控制方法有了充分的認(rèn)識(shí)；掌握PLC的語(yǔ)言特點(diǎn)以及其建立連接的方式，對(duì) STEP-7和Win CC軟件的編程完成了初步掌握，為從事機(jī)電控制科研或者開(kāi)發(fā)崗位打下實(shí)踐基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和發(fā)散思維。