魏艷紅， 許 昌， 吳 霞

(中國計量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于多課程應(yīng)用的溫度控制實驗系統(tǒng)設(shè)計

魏艷紅， 許 昌， 吳 霞

(中國計量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

結(jié)合機(jī)械電子專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，基于多課程交叉融合的培養(yǎng)需求，設(shè)計了PLC的溫度控制實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)具備溫度的實時監(jiān)控、溫控曲線的準(zhǔn)確跟蹤等功能。以PLC為控制核心，采用V/F轉(zhuǎn)換器和PLC的高速計數(shù)功能實現(xiàn)了串行A/D轉(zhuǎn)換, 并利用PLC的定時器產(chǎn)生脈寬調(diào)制(即PWM)波形替代了D/A模塊；軟件上設(shè)計了溫度控制曲線，并采用分段擬合的方法修正頻率-溫度曲線，彌補(bǔ)了常規(guī)PID算法的缺陷，實現(xiàn)了溫度的閉環(huán)控制。該實驗系統(tǒng)利用實驗室現(xiàn)有的實驗資源進(jìn)行搭建，降低了實驗成本，提高了實驗設(shè)備的利用率。

V/F轉(zhuǎn)換； PWM； 分段擬合； 機(jī)電綜合實踐

0 引 言

機(jī)電綜合實踐課程設(shè)計是機(jī)械電子專業(yè)學(xué)生的必修實踐類課程，是對學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識的一次綜合考查[1]。在2周內(nèi)，學(xué)生按照老師布置的任務(wù)和要求，獨(dú)立設(shè)計一套完整的機(jī)電控制系統(tǒng)，并完成課程設(shè)計報告?？紤]到機(jī)械電子專業(yè)的人才培養(yǎng)需求，該系統(tǒng)涉及模擬電子測量電路方面的知識、數(shù)字電路知識的應(yīng)用、自動控制理論算法的具體應(yīng)用，以及工業(yè)自動控制方面可編程邏輯控制器(PLC)[2]的相關(guān)應(yīng)用等。

課程設(shè)計時間短暫，涉及的知識面比較廣，綜合性較強(qiáng)，如何為學(xué)生搭建一個可行的實驗平臺，從而提升學(xué)生的實踐能力和教學(xué)效果，是機(jī)電綜合實踐課程教學(xué)中亟待解決的問題[3-5]。為此，本文設(shè)計了一個加熱爐的溫度控制實驗系統(tǒng)，包括Pt100的測量電路、電壓/頻率(U/F)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計、PID算法的應(yīng)用、PLC的控制等環(huán)節(jié)，集合了“檢測技術(shù)”、“電路”、“電子技術(shù)”、“自動控制理論”、“可編程控制器原理及應(yīng)用”、“數(shù)控技術(shù)”等多門課程的知識，打破了課程間的壁壘，進(jìn)一步實現(xiàn)了不同課程間實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的有效銜接和知識融合[6-7]。

1 實驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

溫度控制系統(tǒng)如圖1所示。溫度控制實現(xiàn)過程如下：首先Pt100測量及放大電路將加熱爐的溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號傳送給U/F轉(zhuǎn)換器，U/F轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成頻率信號，發(fā)送到PLC的高速計數(shù)器。通過PLC編程，實現(xiàn)輸入電壓的測量，獲得當(dāng)前爐溫值。然后PLC將系統(tǒng)設(shè)定的溫度值與反饋溫度值進(jìn)行比較，經(jīng)過PID運(yùn)算后，輸出不同脈寬的波形，控制固態(tài)繼電器的通斷，進(jìn)而控制加熱爐電阻絲兩端的平均電壓，最終控制加熱爐的溫度[8-9]。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 實驗系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 溫控曲線的形成

實際PLC控制系統(tǒng)中，不同的應(yīng)用對象需要的溫度控制曲線不同。因而，在PLC控制程序方面，也需要考慮溫度控制曲線的實現(xiàn)[10-11]。

以某段溫控曲線的形成為例進(jìn)行介紹，曲線可分成兩種情況：一是斜坡部分；二是平臺部分。斜坡部分的主要參數(shù)有斜坡斜率和斜坡時間；平臺部分的主要參數(shù)有平臺溫度值和平臺時間(恒溫時間)。下面主要介紹斜坡部分的積算過程，見圖2。

程序設(shè)計中，對時間軸以2 s為單位進(jìn)行分割，即采樣周期為2 s，斜坡斜率K即為平臺的溫差除以斜坡時間，則某一瞬間的溫度Ti為

圖2 溫控曲線積算示意圖

(1)

其中：

1.2.2 頻率-溫度曲線分段擬合

在PLC編程中，可直接調(diào)用三菱系列PLC自帶的PID 指令[12-14]。但是，在調(diào)用PID指令前，需將采樣頻率換算為實際溫度值[15-16]。實驗系統(tǒng)中，采樣頻率隨溫度的變化近似為線性關(guān)系，可將頻率-溫度曲線分成若干段，取每段曲線上的起點(diǎn)和終點(diǎn)(x0,y0)、(x1,y1)來分段擬合直線方程。設(shè)定x為采樣頻率，y為對應(yīng)的溫度值，直線方程見式(2)。PLC每次讀入采樣頻率后，先判斷曲線所在的分段，根據(jù)該段直線的斜率和起點(diǎn)，得到對應(yīng)的溫度值，

(2)

2 實驗系統(tǒng)的具體應(yīng)用

溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)主要包括：①根據(jù)系統(tǒng)要求，進(jìn)行U/F轉(zhuǎn)換器和Pt100測量電路的設(shè)計；②根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求繪制電氣控制圖，搭建控制系統(tǒng)；③根據(jù)實際應(yīng)用的要求，考慮系統(tǒng)的軟件流程和算法；④通過監(jiān)控上位機(jī)和示波器波形，不斷修改程序，最終達(dá)到所需要的實驗結(jié)果。將上述實驗內(nèi)容分成不同的設(shè)計任務(wù)，如硬件電路的設(shè)計及調(diào)試、電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計及連接、PLC程序的編寫及調(diào)試、PID算法的具體應(yīng)用等。學(xué)生可根據(jù)自己的專業(yè)特長選擇設(shè)計內(nèi)容，最終以小組的形式進(jìn)行綜合調(diào)試。因考慮到課程設(shè)計的時間比較短，上位機(jī)界面的程序和部分示例電路圖可直接分發(fā)給學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，學(xué)生可在此基礎(chǔ)上，設(shè)計出更為完善和復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)。

2.1 Pt100放大電路

Pt100主要用于測量加熱爐的溫度，其放大電路示例電路見圖3，圖中：Pt100采用橋式接法；

(3)

其中，R為Pt100的阻值，0～100 ℃對應(yīng)100.0～138.5 Ω。

圖3 PT100放大電路

輸出電壓：

(4)

2.2 實驗系統(tǒng)調(diào)試

圖4是利用 VB6.0 的 MSComm 控件進(jìn)行設(shè)計的上位機(jī)界面，學(xué)生可直接在界面上設(shè)置階梯曲線的各個溫度值，并利用其寄存器進(jìn)行PLC程序設(shè)計。圖5為系統(tǒng)響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，斜坡曲線系統(tǒng)超調(diào)量很小，階梯曲線超調(diào)量較大，且調(diào)整時間較長。

圖4 溫度控制曲線設(shè)定界面

圖5 系統(tǒng)響應(yīng)曲線

3.3 自制系統(tǒng)對機(jī)電綜合實踐課程教學(xué)的幫助

搭建了以PLC為核心的加熱爐溫度控制系統(tǒng)，學(xué)生可利用實驗室現(xiàn)有的實驗資源搭建一個新的實驗系統(tǒng)，并在線調(diào)試修改程序。同時觀察加熱爐的溫度在變化過程中各模塊輸出波形的變化。整個實驗過程中，既鍛煉了學(xué)生的實踐動手能力，又加深了對以往所學(xué)實驗項目的理解，同時理論聯(lián)系實際，課堂知識也得到了具體的應(yīng)用。這種做法不僅有效利用了實驗室現(xiàn)有的教學(xué)資源，節(jié)省了硬件成本；同時調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生從“我得學(xué)”變成“我要學(xué)”。 學(xué)生為了解決系統(tǒng)中存在的問題，必須主動查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括以往的實驗項目指導(dǎo)書、產(chǎn)品說明書、電路設(shè)計示例、PLC編程技巧、PID算法原理等。同時，在PLC程序的設(shè)計中，學(xué)生可根據(jù)課堂學(xué)到的理論知識，靈活運(yùn)用編程技巧，加深了對課堂知識的理解，提高了編程能力。該課程設(shè)計綜合性較強(qiáng)，系統(tǒng)調(diào)試時間久，碰到有難題的地方時，學(xué)生可采取小組討論的方式進(jìn)行解決。在整個課程設(shè)計的過程中，學(xué)生起主導(dǎo)作用，指導(dǎo)教師可針對實驗涉及的相關(guān)理論知識、波形測試、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備使用等各方面進(jìn)行輔助性指導(dǎo)。

3 結(jié) 語

設(shè)計了一款融合多課程應(yīng)用的溫度控制系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于機(jī)電綜合實踐課程的實踐教學(xué)中，鍛煉了學(xué)生的實踐能力，收到了良好的教學(xué)效果。該系統(tǒng)可進(jìn)一步完善和改進(jìn)，比如不使用PLC自帶的PID指令，讓學(xué)生自己編寫PID算法的運(yùn)算過程，溫度的顯示模塊也可以試著讓學(xué)生自己設(shè)計。

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Design of Temperature Control Experiment System Based on Multi-course Application

WEIYan-hong,XUChang,WUXia

(College of Mechanical & Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Based on characteristics of mechanical electronics speciality and requirement of multi-course application, a temperature control system is designed using PLC. The system has many features such as real time monitoring of temperature, accurately tracking of temperature control curve. Furthermore, it has two main advantages. The first one is to use voltage/frequency converter and high-speed counters of PLC for analog /digital conversion, the second one is using the PLC’s timer to produce PWM (pulse width modulation) curve instead of D/A module. In the software design, the temperature control curve is employed, and also the PID algorithm is adopted to form a closed-loop control. Meanwhile, the piecewise fitting method is used to make up for the defects of conventional PID algorithm by modifying the curve of frequency and temperature. The system is applied for teaching of Mechatronics practice course in the form of open experimental teaching. It is devised by using the existing laboratory resources, so it reduces the hardware cost and improves the utilization rate of equipment.

V/F converter; PWM; piecewise fitting; mechatronics practice

2015-11-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(61203113)；浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LY15F030012)

魏艷紅(1982-)，女，山西朔州人，碩士，實驗員，主要從事單片機(jī)控制系統(tǒng)和PLC數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計。

Tel.：13335883482；E-mail：weiyanhongwyh@163.com

許 昌(1956-)，男，浙江杭州人，碩士，教授，現(xiàn)為中國計量學(xué)院機(jī)電學(xué)院機(jī)械電子學(xué)科負(fù)責(zé)人。

Tel.：18958002258;E-mail：xuchang@mail.hz.zj.cn

G 642.423; TM 571.61

A

1006-7167(2016)08-0061-03