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一、混合仿真法的实践运用
在PLC实习教学中,当学生设计好带有PID控制的PLC程序后,通过什么方法来让学生实现程序调试,从而使学生掌握PID控制参数整定的工程方法,是实习教师必须解决的问题。如果购买实际生产设备来让学生进行程序调试,往往不太现实,原因有三:实际系统的控制模式固定,不能够灵活开展教学;生产设备成本高,设备占地面积大,不能够开展规模教学;在实操过程中,可能会增加人身及设备的危险性。如果采用计算机纯软件仿真的方法来让学生进行程序调试,又难以贴近实际生产应用效果,学生掌握不到实际的操作技能。为解决上述问题,笔者在PLC实习教学中采用了混合仿真法。
混合仿真法首先在实验条件下组成以实际控制系统为原型的仿真系统,此仿真系统是一种“半真半假”的系统,即控制部分的硬件和软件与实际控制系统基本一致,而现场的被控对象可以用合适的模拟电路来代替,然后对所组成的仿真系统进行调试。工程上常采用此法来进行仿真调试,以便及时发现实际控制系统的硬件和软件设计中存在的一些问题和隐患,而且还可以通过对控制参数进行初步整定,作为实际控制系统控制参数整定值的参考。
下面通过一个炉温自动控制系统的实习教学项目来介绍混合仿真法在教学中的应用。该系统的控制要求是:由PLC执行PID运算指令并控制电炉丝开始向炉膛中的工件加热,当炉温到达设定值1000℃时,进行保温。
二、混合仿真系统的构成
根据混合仿真法,教师可以以实际的炉温自动控制系统(参见附件1)为原型构成混合仿真系统,解决实习器材的问题。本仿真系统由两部分构成:
1.仿真系统的硬件
(1)仿真系统的“真”硬件(参见附件2)
这部分硬件是根据实际控制系统进行配置的。
①PLC控制器——选用型号为FX2N-16MR的三菱PLC。
②模拟量输入、输出模块——选用FX2N-4AD输入模块以及FX2N-4DA输出模块。
③其他器件——启动按钮、停止按钮。
(2)仿真系统的“假”硬件(参见附件3)
用合适的模拟电路代替现场被控对象——炉膛。除此之外,电炉丝、温度传感器、驱动电路及放大电路也都由模拟电路代替。
2.仿真系统的软件
仿真系统的软件在这里指的是带有PID控制作用的PLC程序。在教学过程中,程序设计是学生需要完成的作业。本文为说明问题,附有PLC程序(参见附件5)以及相对应的I/O接线图(参见附件2)。
3.仿真系统的工作过程
这套炉温自动控制仿真系统能够模拟实际加热系统的变化,可以实现PID控制,其工作过程如下:
当PLC开始执行PID控制程序时,模拟电路中(参见附件3)由R5、R6、R7、R8构成的桥式温度检测电路进行温度检测,得到一个电压信号Uab,此电压经差动放大处理后,再由V5放大,从ST端子输出一个反映温度变化的电压。该电压通过模拟量输入模块FX2N-4AD,变换为反映PV值的数字量传送给PLC主机,在PLC内部与温度设定值SV进行比较并进行PID运算,然后将运算结果再通过模拟量输出模块FX2N-4DA变换为0～10V的直流电压,通过VC端子作为电炉丝驱动电路的控制量,V2受控驱动R4发热,较为形象地模拟炉膛加热的过程。
在加热过程中,利用温度传感器R6(热敏电阻)具有负的温度系数的特点来实现系统自动控制。当温度检测电路处于平衡状态,此时运算放大器的输入电压Uab≈0,那么ST端子输出电压也几乎为0,通过PLC-PID比较和运算后,VC将输出较高的电压,电炉丝R4相应有较大的发热量;当炉温越接近设定值时,由于炉温的不断升高R6的阻值将逐渐减小,此时ST端子输出电压将逐渐上升,通过PLC-PID比较和运算后,VC端子的输出电压将逐渐减小,电炉丝R4的发热量也相应减小;当炉温到达设定值时进行保温,通过PLC-PID比较和运算后,VC端子的输出电压将在较小的范围内进行变动,电炉丝R4的发热量也相应在较小的范围内变动,从而准确的补偿系统热量的流失,最终达到恒温的目的。
三、教学应用实例
在此混合仿真系统硬件的基础上,学生可以练习编程,可以把设计好的带有PID控制的PLC程序进行调试。在教学过程中,可以让学生根据仿真系统中模拟炉膛的温度变化特点,运用工程整定法,通过反复调试来整定PID控制参数。
工程整定法主要有试凑法、临界比例法、响应曲线法。试凑法是在模拟环境或实机环境下,通过闭环运行观察系统的响应曲线,然后根据各调节参数对系统响应的大致影响,反复试凑参数,以达到满意的系统响应,从而确定PID参数的大小。
现配合具体的PLC程序,介绍运用试凑法在混合仿真系统中进行PID参数整定的实操过程。在PLC程序中(参见附件5),需要整定的PID控制参数存放在PLC的数据寄存器D103～D106中,在试凑时,学生依次按比例、比例-积分、比例-积分-微分的反复调整过程进行操作。
1.整定比例系数KP
根据经验数据(参见附件4)先确定比例系数KP=3000%,然后通过观察仿真系统的运行情况,记录数据,绘出P参数调节时的温度调节特性曲线,分析测量值PV的趋势曲线,再根据P参数调节变化规律,改变KP参数,直至能够得到反应快、超调小的响应曲线,才确定KP值。
2.整定积分时间TI
比例系数KP初步确定后,观察到系统存在静差,决定加入积分环节。整定时首先根据经验数据(参见附件4)置积分时间TI=180s,并将比例系数略缩小,然后通过观察仿真系统的运行情况,记录数据,绘出PI调节时的温度调节特性曲线,分析测量值PV的趋势曲线,再根据PI参数调节变化规律,反复修改KP、TI参数,直到在保持系统较好动态性能的情况下,能够消除静差,才确定KP及TI值。
3.整定微分时间TD及微分增益KD
采用PI调节之后,能消除静差,但经过观察对系统的运行效果感觉还不太满意,因此,决定加入微分环节。在整定时,先置微分时间TD及微分增益KD为零,然后逐步增大TD及KD,接着通过观察仿真系统的运行情况,记录数据,绘出PID调节时的温度调节特性曲线,分析测量值PV的趋势曲线,再根据PID参数调节变化规律,相应地改变KP和TI的大小。总之,根据现场情况反复修改KP、TI、TD、KD参数,获得相对满意的调节效果,才确定KP、TI、TD、KD值。在所附的PLC程序中(参见附件五),KP=1500%、TI=50s、KD=50%、TD=1.5s。
在合理的设置PID参数后,混合仿真系统获得了良好的控制效果。
四、教学特点归纳
通过以上的实例,我们可以看到该仿真调试过程是贴近实际操作的,它可以使学生通过仿真系统的调试探索PID的控制规律,从而掌握PID控制参数整定的工程方法,这就是混合仿真法应用于PLC实习教学的独到之处。
此外,混合仿真法在PLC实习教学中的应用还有以下特点:
一是可以在保证人身安全及设备安全的前提下,让学生动手实操。
二是混合仿真系统的硬件构成容易实现,可根据教学项目的需要,灵活配置仿真系统的“真”硬件及设计、制作“假”硬件,便于开展规模教学。
三是可以使学生掌握PLC模拟量输入/输出模块的原理及应用。
四是可以让学生了解PLC模拟量闭环控制系统的构成,使学生能够举一反三,牢固掌握用PLC实现各种PID控制的相关理论和操作技能。
混合仿真法的教学特点使其具有较高的教学推广价值。上述炉温自动控制系统的实习教学项目一直作为本校高技能人才培训的教学项目,培训效果得到学生和用人单位的一致肯定。
需要指出的是,仿真系统中所用的“假”硬件——模拟电路,是不能够完全模拟实际加热系统的热惯性现象,所调节出来的PID参数与实际还是有些差距的。不过,在实施教学的过程中,只要作些简单的说明,并不影响学生掌握用PLC实现PID控制的操作技能。
附录图表5个
附件1炉温自动控制系统方框图
附件2仿真系统硬件的I/O接线图
附件3模拟电路
附件4常见被控对象的PID参数经验选择范围
在PLC实习教学中,当学生设计好带有PID控制的PLC程序后,通过什么方法来让学生实现程序调试,从而使学生掌握PID控制参数整定的工程方法,是实习教师必须解决的问题。如果购买实际生产设备来让学生进行程序调试,往往不太现实,原因有三:实际系统的控制模式固定,不能够灵活开展教学;生产设备成本高,设备占地面积大,不能够开展规模教学;在实操过程中,可能会增加人身及设备的危险性。如果采用计算机纯软件仿真的方法来让学生进行程序调试,又难以贴近实际生产应用效果,学生掌握不到实际的操作技能。为解决上述问题,笔者在PLC实习教学中采用了混合仿真法。
混合仿真法首先在实验条件下组成以实际控制系统为原型的仿真系统,此仿真系统是一种“半真半假”的系统,即控制部分的硬件和软件与实际控制系统基本一致,而现场的被控对象可以用合适的模拟电路来代替,然后对所组成的仿真系统进行调试。工程上常采用此法来进行仿真调试,以便及时发现实际控制系统的硬件和软件设计中存在的一些问题和隐患,而且还可以通过对控制参数进行初步整定,作为实际控制系统控制参数整定值的参考。
下面通过一个炉温自动控制系统的实习教学项目来介绍混合仿真法在教学中的应用。该系统的控制要求是:由PLC执行PID运算指令并控制电炉丝开始向炉膛中的工件加热,当炉温到达设定值1000℃时,进行保温。
二、混合仿真系统的构成
根据混合仿真法,教师可以以实际的炉温自动控制系统(参见附件1)为原型构成混合仿真系统,解决实习器材的问题。本仿真系统由两部分构成:
1.仿真系统的硬件
(1)仿真系统的“真”硬件(参见附件2)
这部分硬件是根据实际控制系统进行配置的。
①PLC控制器——选用型号为FX2N-16MR的三菱PLC。
②模拟量输入、输出模块——选用FX2N-4AD输入模块以及FX2N-4DA输出模块。
③其他器件——启动按钮、停止按钮。
(2)仿真系统的“假”硬件(参见附件3)
用合适的模拟电路代替现场被控对象——炉膛。除此之外,电炉丝、温度传感器、驱动电路及放大电路也都由模拟电路代替。
2.仿真系统的软件
仿真系统的软件在这里指的是带有PID控制作用的PLC程序。在教学过程中,程序设计是学生需要完成的作业。本文为说明问题,附有PLC程序(参见附件5)以及相对应的I/O接线图(参见附件2)。
3.仿真系统的工作过程
这套炉温自动控制仿真系统能够模拟实际加热系统的变化,可以实现PID控制,其工作过程如下:
当PLC开始执行PID控制程序时,模拟电路中(参见附件3)由R5、R6、R7、R8构成的桥式温度检测电路进行温度检测,得到一个电压信号Uab,此电压经差动放大处理后,再由V5放大,从ST端子输出一个反映温度变化的电压。该电压通过模拟量输入模块FX2N-4AD,变换为反映PV值的数字量传送给PLC主机,在PLC内部与温度设定值SV进行比较并进行PID运算,然后将运算结果再通过模拟量输出模块FX2N-4DA变换为0～10V的直流电压,通过VC端子作为电炉丝驱动电路的控制量,V2受控驱动R4发热,较为形象地模拟炉膛加热的过程。
在加热过程中,利用温度传感器R6(热敏电阻)具有负的温度系数的特点来实现系统自动控制。当温度检测电路处于平衡状态,此时运算放大器的输入电压Uab≈0,那么ST端子输出电压也几乎为0,通过PLC-PID比较和运算后,VC将输出较高的电压,电炉丝R4相应有较大的发热量;当炉温越接近设定值时,由于炉温的不断升高R6的阻值将逐渐减小,此时ST端子输出电压将逐渐上升,通过PLC-PID比较和运算后,VC端子的输出电压将逐渐减小,电炉丝R4的发热量也相应减小;当炉温到达设定值时进行保温,通过PLC-PID比较和运算后,VC端子的输出电压将在较小的范围内进行变动,电炉丝R4的发热量也相应在较小的范围内变动,从而准确的补偿系统热量的流失,最终达到恒温的目的。
三、教学应用实例
在此混合仿真系统硬件的基础上,学生可以练习编程,可以把设计好的带有PID控制的PLC程序进行调试。在教学过程中,可以让学生根据仿真系统中模拟炉膛的温度变化特点,运用工程整定法,通过反复调试来整定PID控制参数。
工程整定法主要有试凑法、临界比例法、响应曲线法。试凑法是在模拟环境或实机环境下,通过闭环运行观察系统的响应曲线,然后根据各调节参数对系统响应的大致影响,反复试凑参数,以达到满意的系统响应,从而确定PID参数的大小。
现配合具体的PLC程序,介绍运用试凑法在混合仿真系统中进行PID参数整定的实操过程。在PLC程序中(参见附件5),需要整定的PID控制参数存放在PLC的数据寄存器D103～D106中,在试凑时,学生依次按比例、比例-积分、比例-积分-微分的反复调整过程进行操作。
1.整定比例系数KP
根据经验数据(参见附件4)先确定比例系数KP=3000%,然后通过观察仿真系统的运行情况,记录数据,绘出P参数调节时的温度调节特性曲线,分析测量值PV的趋势曲线,再根据P参数调节变化规律,改变KP参数,直至能够得到反应快、超调小的响应曲线,才确定KP值。
2.整定积分时间TI
比例系数KP初步确定后,观察到系统存在静差,决定加入积分环节。整定时首先根据经验数据(参见附件4)置积分时间TI=180s,并将比例系数略缩小,然后通过观察仿真系统的运行情况,记录数据,绘出PI调节时的温度调节特性曲线,分析测量值PV的趋势曲线,再根据PI参数调节变化规律,反复修改KP、TI参数,直到在保持系统较好动态性能的情况下,能够消除静差,才确定KP及TI值。
3.整定微分时间TD及微分增益KD
采用PI调节之后,能消除静差,但经过观察对系统的运行效果感觉还不太满意,因此,决定加入微分环节。在整定时,先置微分时间TD及微分增益KD为零,然后逐步增大TD及KD,接着通过观察仿真系统的运行情况,记录数据,绘出PID调节时的温度调节特性曲线,分析测量值PV的趋势曲线,再根据PID参数调节变化规律,相应地改变KP和TI的大小。总之,根据现场情况反复修改KP、TI、TD、KD参数,获得相对满意的调节效果,才确定KP、TI、TD、KD值。在所附的PLC程序中(参见附件五),KP=1500%、TI=50s、KD=50%、TD=1.5s。
在合理的设置PID参数后,混合仿真系统获得了良好的控制效果。
四、教学特点归纳
通过以上的实例,我们可以看到该仿真调试过程是贴近实际操作的,它可以使学生通过仿真系统的调试探索PID的控制规律,从而掌握PID控制参数整定的工程方法,这就是混合仿真法应用于PLC实习教学的独到之处。
此外,混合仿真法在PLC实习教学中的应用还有以下特点:
一是可以在保证人身安全及设备安全的前提下,让学生动手实操。
二是混合仿真系统的硬件构成容易实现,可根据教学项目的需要,灵活配置仿真系统的“真”硬件及设计、制作“假”硬件,便于开展规模教学。
三是可以使学生掌握PLC模拟量输入/输出模块的原理及应用。
四是可以让学生了解PLC模拟量闭环控制系统的构成,使学生能够举一反三,牢固掌握用PLC实现各种PID控制的相关理论和操作技能。
混合仿真法的教学特点使其具有较高的教学推广价值。上述炉温自动控制系统的实习教学项目一直作为本校高技能人才培训的教学项目,培训效果得到学生和用人单位的一致肯定。
需要指出的是,仿真系统中所用的“假”硬件——模拟电路,是不能够完全模拟实际加热系统的热惯性现象,所调节出来的PID参数与实际还是有些差距的。不过,在实施教学的过程中,只要作些简单的说明,并不影响学生掌握用PLC实现PID控制的操作技能。
附录图表5个
附件1炉温自动控制系统方框图
附件2仿真系统硬件的I/O接线图
附件3模拟电路
附件4常见被控对象的PID参数经验选择范围