CN108682204A - 一种基于plc的电气自动化控制教学系统 - Google Patents

一种基于plc的电气自动化控制教学系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于多功能教学系统技术领域，公开了一种基于PLC的电气自动化控制教学系统；设置有底座；所述底座下端设置有万向刹车轮；底座上侧靠左设有第一升降装置；第一升降装置底端通过螺栓与底座固定，顶端连接有连接板，连接板螺钉连接有投影白板；第一升降装置右侧设置有第二升降装置，第二升降装置底端通过螺栓与底座固定，顶端螺栓固定有显示器；显示器设置有扬声器和照明灯；底座内部设置有PLC控制器、无线接收装置和PLC专用电源。本发明结构简单、制造成本低、投影白板的高度调节方便，整个显示器的亮度高，方便调整板体的高度；通过PLC控制器可以实现智能化控制，不会对教室的正常教学产生影响，使用方便，实用性高。

Description

一种基于PLC的电气自动化控制教学系统
技术领域
本发明属于多功能教学系统技术领域，尤其涉及一种基于PLC的电气自动化控制教学系统。
背景技术
电气工程及其自动化专业是电气信息领域的一门新兴学科，但由于和人们的日常生活以及工业生产密切相关，发展非常迅速，现在也相对比较成熟。已经成为高新技术产业的重要组成部分，广泛应用于工业、农业、国防等领域，在国民经济中发挥着越来越重要的作用。其触角伸向各行各业，小到一个开关的设计，大到宇航飞机的研究，都有它的身影。本专业生能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验技术、研制开发、经济管理以及电子与计算机技术应用等领域的工作，是宽口径“复合型”高级工程技术人才。该领域对高水平人才的需求很大。据估计，随着国外大企业的进入，在这一专业领域将出现很大缺口，那时很可能出现人才供不应求的现象。在进行电气自动化教学时，需要用到教学装置，目前的教学装置功能单一、使用不方便、实用性差，且无PLC控制系统，不能满足现代化电气自动化专业的使用需求。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)传统的教学装置功能单一、使用不方便、实用性差，且无PLC控制系统，不能满足现代化电气自动化专业的使用需求。
(2)现有的PLC控制器频重叠控制信号的信噪比较强，直接影响信号的传输，使得信号不稳定，传输质量差，降低教学质量。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于PLC的电气自动化控制教学系统。
本发明是这样实现的，一种基于PLC的电气自动化控制教学方法，所述基于PLC的电气自动化控制教学方法包括：
(1)连接外接电源和PLC专用电源，使用遥控器，建立能耗模型向无线接收装置发射控制信号，估计频重叠控制信号的信噪比，使PLC控制器发出控制指令；
所述频重叠控制信号的信噪比的确定方法为：
步骤一，测量频重叠控制信号由N个分量频重叠控制信号以及高斯白噪声混合而成，求测量频重叠控制信号的归一化四阶累积量归一六阶累积量归一八阶累积量等N+1个归一化高阶累积量；
步骤二，构建归一化高阶累积量方程组；
步骤三，遍历出N个频重叠控制信号的调制类型组合，查表得到各个调制类型频重叠控制信号的归一化高阶累积量，代入方程组中的前N个方程，计算求得各分量频重叠控制信号所占总频重叠控制信号的功率比将结果代入第N+1个方程，筛选出正确的调制类型组合；
步骤四，得出正确的调制类型以及各分量频重叠控制信号所占总频重叠控制信号的功率比根据信噪比估计公式估计信噪比；
(2)控制定子绕组的电压，通过PLC控制器调整第一升降装置、第二升降装置的高度；同时控制显示器显示内容；
所述定子绕组满足的电压平衡方程为：
式中：分别为相电压和相电流；为空载感应电动势；分别为直轴电流和交轴电流；R1为定子绕组电阻；Xd、Xq分别为直轴同步电抗和交轴同步电抗；
所述定子绕组的电动机负序阻抗表示为：
式中：R2d和R2q分别为归算到定子侧时转子直轴电阻和交轴电阻；X′2d和 X′2q分别为归算到定子侧时转子直轴漏电抗和交轴漏电抗；
(3)构建教学图像递归模型，投影白板投影显示内容；
采用非对称半平面支撑模型构建教学图像递归模型，为低阶马尔科夫随机场：
x(i，j)＝a1x·(i，j-1)+a2x(i-1，j)+ a3x(i-1，j-1).；
式中：x(i，j)表示教学图像第i行第j列的像素灰度值；a1，a2，a3为模型参数，描述当前像素与周围像素的关系。
进一步，所述无线接收装置的能耗模型为：
当向距离d处的传感器节点发送l节的数据时，依据传输距离是否超过阈值 d0分为两部分：当传输距离小于阈值d0时，采用自由空间模型；反之，则采用多路径衰减模型；
εmp为多路衰减模型的功率放大系数；Eelec为发送或接收电路消耗的能量；εfs为自由空间模型的功率放大系数；dtoMCH为簇内传感器节点到数据簇头的距离；dtoVCH为数据簇头至通信簇头的距离；dtoVCH′为簇内通信簇头至下一跳中继通信簇头的距离；l为发送数据的比特数阈值EDA表示数据融合所消耗的能量；
则发送需要消耗的能量为：
接收需要消耗的能量为：ERx(l)＝lEelec；
在M×M的区域内部署有N个传感器节点，其中有k个簇，假设传感器节点是平均分配到每个簇内，即每个簇的传感器节点无数目是一致的，则每个簇中有个N/K传感器节点，包括一个主簇头MCH，一个副簇头VCH和N/k-2个传感器节点；
在网络每轮的一个帧中，主簇头消耗的能量EMCH包括接收簇内传感器节点发送的数据包并融合自身数据消耗的能量，以及主簇头发送数据给副簇头所消耗的能量；副簇头消耗的能量EVCH包括发送数据包给基站和转发其他簇头的数据包消耗的能量；簇内传感器节点消耗的能量包括采集数据消耗的能量和发送数据到主簇头的能量；假设簇内通信的距离不超过阈值d0，簇头间通信的距离也不超过阈值d0；
主簇头所消耗的总能量εMCH为：
副簇头消耗的总能量EVCH为：
簇中每个传感器节点消耗的总能量为：
一个簇中主簇头、副簇头和所有传感器节点消耗的总能量为：
k个簇消耗的总能量为：
本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于PLC的电气自动化控制教学方法的基于PLC的电气自动化控制教学系统，所述PLC的电气自动化控制教学系统设置有底座；
所述底座下端设置有万向刹车轮；
所述底座上侧靠左设有第一升降装置。
进一步，所述升降装置底端通过螺栓与底座固定，顶端连接有连接板，连接板设有投影白板。
进一步，所述第一升降装置右侧设置有第二升降装置，第二升降装置底端通过螺栓与底座固定，顶端螺栓固定有显示器。
进一步，所述显示器设置有扬声器和照明灯；所述底座内部设置有PLC控制器、无线接收装置和PLC专用电源。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述电气自动化控制教学系统的计算机。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述电气自动化控制教学系统的服务器。
本发明的优点及积极效果为：本发明基于PLC的电气自动化控制教学系统，结构简单、制造成本低、投影白板的高度调节方便，整个显示器的亮度高，方便调整板体的高度，能将授课老师的声音放大，便于教学，另外便于移动和固定，通过PLC控制器可以实现智能化控制，不会对教室的正常教学产生影响，使用方便，实用性高。
本发明建立无线接收装置的能耗模型，提高了教学中信号的传输质量，对于信号的鲁棒性和稳定性有着明显的提升；估计频重叠控制信号的信噪比，使 PLC控制器发出控制指令，对信号的信噪比预先预测，提高PLC控制器的工作效率，提升教学体验；控制定子绕组的电压，提高第一升降装置、第二升降装置的稳定度，是的显示器平衡上升或下降，保护设备，延长器使用寿命；构建教学图像递归模型，投影白板投影显示内容，使得显示器的图像显示更加清晰，逼真，抗干扰能力强；无线接收装置的能耗模型，提高了无线接收装置的信号接收率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于PLC的电气自动化控制教学系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基于PLC的电气自动化控制教学系统的PLC控制原理示意图；
图中：1、底座；2、万向刹车轮；3、第一升降装置；4、连接板；5、投影白板；6、第二升降装置；7、显示器；8、扬声器；9、照明灯；10、PLC控制器；11、无线接收装置；12、PLC专用电源；13、外接电源；14、螺栓；15、螺钉；16、遥控器。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于PLC的电气自动化控制教学系统，所述PLC的电气自动化控制教学系统设置有底座1；
所述底座1下端设置有万向刹车轮2；
所述底座1上侧靠左设有第一升降装置3；
作为本发明的优选实施例，所述第一升降装置3底端通过螺栓与底座1固定，顶端连接有连接板4，连接板4设有投影白板5；
作为本发明的优选实施例，所述第一升降装置4右侧设置有第二升降装置6，第二升降装置6底端通过螺栓14与底座1固定，顶端螺栓14固定有显示器7；
作为本发明的优选实施例，所述显示器7设置有扬声器8和照明灯9；所述底座1内部设置有PLC控制器10、无线接收装置11和PLC专用电源12。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明提供的基于PLC的电气自动化控制教学方法包括：
(1)连接外接电源和PLC专用电源，使用遥控器，建立能耗模型向无线接收装置发射控制信号，估计频重叠控制信号的信噪比，使PLC控制器发出控制指令；
所述频重叠控制信号的信噪比的确定方法为：
步骤一，测量频重叠控制信号由N个分量频重叠控制信号以及高斯白噪声混合而成，求测量频重叠控制信号的归一化四阶累积量归一六阶累积量归一八阶累积量等N+1个归一化高阶累积量；
步骤二，构建归一化高阶累积量方程组；
步骤三，遍历出N个频重叠控制信号的调制类型组合，查表得到各个调制类型频重叠控制信号的归一化高阶累积量，代入方程组中的前N个方程，计算求得各分量频重叠控制信号所占总频重叠控制信号的功率比将结果代入第N+1个方程，筛选出正确的调制类型组合；
步骤四，得出正确的调制类型以及各分量频重叠控制信号所占总频重叠控制信号的功率比根据信噪比估计公式估计信噪比；
(2)控制定子绕组的电压，通过PLC控制器调整第一升降装置、第二升降装置的高度；同时控制显示器显示内容；
所述定子绕组满足的电压平衡方程为：
式中：分别为相电压和相电流；为空载感应电动势；分别为直轴电流和交轴电流；R1为定子绕组电阻；Xd、Xq分别为直轴同步电抗和交轴同步电抗；
所述定子绕组的电动机负序阻抗表示为：
式中：R2d和R2q分别为归算到定子侧时转子直轴电阻和交轴电阻；X′2d和 X′2q分别为归算到定子侧时转子直轴漏电抗和交轴漏电抗；
(3)构建教学图像递归模型，投影白板投影显示内容；
采用非对称半平面支撑模型构建教学图像递归模型，为低阶马尔科夫随机场：
x(i，j)＝a1x(i，j-1)+a2x(i-1，j)+ a3x(i-1，j-1).；
式中：x(i，j)表示教学图像第i行第j列的像素灰度值；a1，a2，a3为模型参数，描述当前像素与周围像素的关系。
进一步，所述无线接收装置的能耗模型为：
当向距离d处的传感器节点发送l节的数据时，依据传输距离是否超过阈值 d0分为两部分：当传输距离小于阈值d0时，采用自由空间模型；反之，则采用多路径衰减模型；
εmp为多路衰减模型的功率放大系数；Eelec为发送或接收电路消耗的能量；εfs为自由空间模型的功率放大系数；dtoMCH为簇内传感器节点到数据簇头的距离；dtoVCH为数据簇头至通信簇头的距离；dtoVCH′为簇内通信簇头至下一跳中继通信簇头的距离；l为发送数据的比特数阈值EDA表示数据融合所消耗的能量；
则发送需要消耗的能量为：
接收需要消耗的能量为：ERx(l)＝lEelec；
在M×M的区域内部署有N个传感器节点，其中有k个簇，假设传感器节点是平均分配到每个簇内，即每个簇的传感器节点无数目是一致的，则每个簇中有个N/K传感器节点，包括一个主簇头MCH，一个副簇头VCH和N/k-2个传感器节点；
在网络每轮的一个帧中，主簇头消耗的能量EMCH包括接收簇内传感器节点发送的数据包并融合自身数据消耗的能量，以及主簇头发送数据给副簇头所消耗的能量；副簇头消耗的能量EVCH包括发送数据包给基站和转发其他簇头的数据包消耗的能量；簇内传感器节点消耗的能量包括采集数据消耗的能量和发送数据到主簇头的能量；假设簇内通信的距离不超过阈值d0，簇头间通信的距离也不超过阈值d0；
主簇头所消耗的总能量εMCH为：
副簇头消耗的总能量EVCH为：
簇中每个传感器节点消耗的总能量为：
一个簇中主簇头、副簇头和所有传感器节点消耗的总能量为：
k个簇消耗的总能量为：
本发明的工作原理：使用时，连接外接电源和PLC专用电源12，使用遥控器16，向无线接收装置11发射控制信号，使PLC控制器10发出控制指令。通过PLC控制器10合理的调整第一升降装置3、第二升降装置6的高度；同时控制显示器7显示内容；投影白板5可以投影显示所需要的内容，扬声器8、照明灯9使得教学效果更佳良好。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于PLC的电气自动化控制教学方法，其特征在于，所述基于PLC的电气自动化控制教学方法包括：
(1)连接外接电源和PLC专用电源，使用遥控器，建立能耗模型向无线接收装置发射控制信号，估计频重叠控制信号的信噪比，使PLC控制器发出控制指令；
所述频重叠控制信号的信噪比的确定方法为：
步骤一，测量频重叠控制信号由N个分量频重叠控制信号以及高斯白噪声混合而成，求测量频重叠控制信号的归一化四阶累积量归一六阶累积量归一八阶累积量等N+1个归一化高阶累积量；
步骤二，构建归一化高阶累积量方程组；
步骤三，遍历出N个频重叠控制信号的调制类型组合，查表得到各个调制类型频重叠控制信号的归一化高阶累积量，代入方程组中的前N个方程，计算求得各分量频重叠控制信号所占总频重叠控制信号的功率比将结果代入第N+1个方程，筛选出正确的调制类型组合；
步骤四，得出正确的调制类型以及各分量频重叠控制信号所占总频重叠控制信号的功率比根据信噪比估计公式估计信噪比；
(2)控制定子绕组的电压，通过PLC控制器调整第一升降装置、第二升降装置的高度；同时控制显示器显示内容；
所述定子绕组满足的电压平衡方程为：
式中：分别为相电压和相电流；为空载感应电动势；分别为直轴电流和交轴电流；R1为定子绕组电阻；Xd、Xq分别为直轴同步电抗和交轴同步电抗；
所述定子绕组的电动机负序阻抗表示为：
式中：R2d和R2q分别为归算到定子侧时转子直轴电阻和交轴电阻；X′2d和X′2q分别为归算到定子侧时转子直轴漏电抗和交轴漏电抗；
(3)构建教学图像递归模型，投影白板投影显示内容；
采用非对称半平面支撑模型构建教学图像递归模型，为低阶马尔科夫随机场：
x(i，j)＝a1x(i，i-1)+a2x(i-1，j)+
a3x(i-1，j-1).；
式中：x(i，j)表示教学图像第i行第j列的像素灰度值；a1，a2，a3为模型参数，描述当前像素与周围像素的关系。
2.如权利要求1所述的基于PLC的电气自动化控制教学方法，其特征在于，所述无线接收装置的能耗模型为：
当向距离d处的传感器节点发送l节的数据时，依据传输距离是否超过阈值d0分为两部分：当传输距离小于阈值d0时，采用自由空间模型；反之，则采用多路径衰减模型；
εmp为多路衰减模型的功率放大系数；Eelec为发送或接收电路消耗的能量；εfs为自由空间模型的功率放大系数；dtoMCH为簇内传感器节点到数据簇头的距离；dtoVCH为数据簇头至通信簇头的距离；dtoVCH′为簇内通信簇头至下一跳中继通信簇头的距离；l为发送数据的比特数阈值EDA表示数据融合所消耗的能量；
则发送需要消耗的能量为：
接收需要消耗的能量为：ERx(l)＝lEelec；
在M×M的区域内部署有N个传感器节点，其中有k个簇，假设传感器节点是平均分配到每个簇内，即每个簇的传感器节点无数目是一致的，则每个簇中有个N/K传感器节点，包括一个主簇头MCH，一个副簇头VCH和N/k-2个传感器节点；
在网络每轮的一个帧中，主簇头消耗的能量EMCH包括接收簇内传感器节点发送的数据包并融合自身数据消耗的能量，以及主簇头发送数据给副簇头所消耗的能量；副簇头消耗的能量EVCH包括发送数据包给基站和转发其他簇头的数据包消耗的能量；簇内传感器节点消耗的能量包括采集数据消耗的能量和发送数据到主簇头的能量；假设簇内通信的距离不超过阈值d0，簇头间通信的距离也不超过阈值d0；
主簇头所消耗的总能量εMCH为：
副簇头消耗的总能量EVCH为：
簇中每个传感器节点消耗的总能量为：
一个簇中主簇头、副簇头和所有传感器节点消耗的总能量为：
k个簇消耗的总能量为：
3.一种实现权利要求1所述基于PLC的电气自动化控制教学方法的基于PLC的电气自动化控制教学系统，其特征在于，所述PLC的电气自动化控制教学系统设置有底座；
所述底座下端设置有万向刹车轮；
所述底座上侧靠左设有第一升降装置。
4.如权利要求3所述的基于PLC的电气自动化控制教学系统，其特征在于，所述升降装置底端通过螺栓与底座固定，顶端连接有连接板，连接板设有投影白板。
5.如权利要求3所述的基于PLC的电气自动化控制教学系统，其特征在于，所述第一升降装置右侧设置有第二升降装置，第二升降装置底端通过螺栓与底座固定，顶端螺栓固定有显示器。
6.如权利要求3所述的基于PLC的电气自动化控制教学系统，其特征在于，所述显示器设置有扬声器和照明灯；所述底座内部设置有PLC控制器、无线接收装置和PLC专用电源。
7.一种搭载有权利要求3～6任意一项所述电气自动化控制教学系统的计算机。
8.一种搭载有权利要求3～6任意一项所述电气自动化控制教学系统的服务器。
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