CN109389896A - 一种面向虚拟对象阀位（vpc）控制系统实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种面向虚拟对象阀位（VPC）控制系统实验装置，其特征是它主要由工控机(1)、显示器(3)、PLC_CPU(5)、主调节器控件(6)、阀位调节器控件(7)、外干扰源Uf1(8)、PLC_AO模块①(10)、PLC_AO模块②(11)、PLC_AO模块③(12)、PLC_AI模块①(13)、PLC_AI模块②(14)、减法器(15)、减法器(16)、一阶惯性环节①(17)、一阶惯性环节②(18)、I/V转换电阻(19，20，21)组成；本发明投资少，教学效果好。
Description
技术领域
本发明涉及一种教学实验装置，尤其是一种过程控制工程实验装置，具体地说是一种面向虚拟对象阀位（VPC）控制系统实验装置。
背景技术
《过程控制工程》是全国专业改革后，作为工科院校自动化专业的主干课程,其教材《过程控制工程》是国家统编，其课程实验是教学的重要环节，它可以培养学生的理论联系实际能力和动手能力。为此各院校都进行了相应的实验改革与建设，其方向包括两类：一类面向纯软件仿真，该方式目前并不理想，主要是学生做实验真实感较差；另一类是实际构造生产过程，该方式投资较大，且需较大的占地面积，同时不利于开发式实验。为了加强课程实验的工程特色，动态模拟化工生产过程控制，培养学生的工程实践能力，我们采取以上两类方式结合的方案，即保证了较少的投资和减少了占地面积，也使学生具有面向实际生产过程计算机控制系统的真实感，对于提高学生理论联系实际的能力和实际动手能力以及解决工程实际问题的能力都能提供一个极好的平台，同时有利于实现该课程实验的开放式教学。
发明内容
本发明的目的是针对现有的教学实验装置存在的纯软件教学效果差，纯硬件教育投资成本高的问题，设计一种软硬件结合的面向虚拟对象阀位（VPC）控制系统实验装置。该实验装置解决了生产上存在的有两个（或多个）变量均能影响同一被控变量，具有良好的动态性能的变量时，其静态性能（指工艺上的某些性能）都是低劣的。因而要从提高被控变量控制品质的角度应采用动态性能好的变量，但从稳定优化的角度却会是不合适的矛盾，
是一种采用包括阀位控制系统在内的复合系统。
本发明的技术方案是：
一种面向虚拟对象阀位（VPC）控制实验装置，其特征是它主要由工控机1、显示器3、、PLC_CPU5、主调节器控件6、阀位调节器控件7、外干扰源Uf18、PLC_ AO模块①10、PLC_ AO模块②11、PLC_ AO模块③12、PLC_ AI模块①13、PLC_ AI模块②14、减法器15、减法器16、一阶惯性环节①17、一阶惯性环节②18、I/V转换电阻19，20，21组成；所述的工控机1通过视频线2与显示器3相连，通过组态设计显示器3可显示工艺流程实验界面、主被控变量过渡过程曲线和主调节器控件6、阀位调节器控件7、外干扰源Uf18的仪表画面及PID参数整定画面。所述的工控机1通过RS-232通讯总线4与PLC_CPU5通讯，PLC_CPU5经组态内嵌的PID控件分别构成主调节器控件6、阀位调节器控件7、外干扰源Uf18，并分别经PLC_ AO模块①10、PLC_ AO模块②11、PLC_ AO模块③12输出4~20mA调节信号，通过显示器3组态实验界面调用控件，可实现PID调节器功能。所述的PLC_ AO模块②11输出的4~20mA信号与PLC_ AO模块③12输出的4~20mA信号经减法器15相减后送入一阶惯性环节②18输入端，一阶惯性环节②18输出的4~20mA信号与PLC_ AO模块①10输出的4~20mA信号经减法器16相减后送入一阶惯性环节①17输入端，一阶惯性环节①17输出的4~20mA信号送入PLC_ AI模块①13输入端，该检测信号经组态作为主调节器控件6的测量值，并经显示器3显示其过渡过程曲线，PLC_ AO模块①10输出的4~20mA信号还送给PLC_ AI模块②14输入端，作为阀位调节器控件7的测量值。
本发明依据对主被控变量影响程度可适当调整V/I转换电阻阻值，如电阻19取150Ω、电阻20取250Ω、电阻21取100Ω，以保证输入输出关系的合理性。
本发明的主调节器控件6组态为“正作用”调节器；阀位调节器控件7组态为“反作用”调节器；外干扰源Uf18组态为开环手动输出。一阶惯性环节①17时间常数相对较小，模拟稳态调节一阶惯性环节②18时间常数相对较大。
本发明通过显示器3实验界面对主调节器控件6和阀位调节器控件7进行PID参数整定，操控主调节器控件6给定值为50%、外干扰源Uf18初值为40%、阀位调节器控件7给定值为10%，投运主调节器控件6和阀位调节器控件7至“自动”工作状态，等待PLC_ AI模块①13过渡过程曲线至稳定状态。操控外干扰源Uf18至50%阶跃变化，主调节器控件6经一阶惯性环节①17迅速稳定主被控变量，因阀位调节器控件7给定值为10%，最终使得主调节器控件6输出稳定为10%，构成阀位（VPC）控制系统，通过观察显示器3过渡过程曲线判定主调节器控件6和阀位调节器控件7PID参数整定是否合格及如何优化。
本发明的有益效果：
本发明通过软硬件结合，既保证了较少的投资和减少了占地面积，也使学生具有面向实际生产过程计算机控制系统的真实感，对于提高学生理论联系实际的能力和实际动手能力以及解决工程实际问题的能力都能提供一个极好的平台，同时有利于实现该过程控制工程实验的开放式教学。
附图说明
图1是本发明的系统组成框图。
图1中：1为工控机、2为视频线、3为显示器、4为RS-232通讯总线、5为PLC_CPU、6为主调节器控件、7为阀位调节器控件、8为外干扰源Uf1、9为PLC基板总线、10为PLC_ AO模块①、11为PLC_ AO模块②、12为PLC_ AO模块③、13为PLC_ AI模块①、14为PLC_ AI模块②、15为减法器、16减法器、17为一阶惯性环节①、18为一阶惯性环节②、19为I/V转换电阻、20为I/V转换电阻、21为I/V转换电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示。
一种面向虚拟对象阀位（VPC）控制实验装置，它包括工控机1，工控机1通过视频线2与显示器3相连，通过RS-232通讯总线4与PLC_CPU5相连；主调节器控件6通过PLC基板总线（9）与PLC_ AO模块①10和PLC_ AI模块①13相连，阀位调节器控件7通过PLC基板总线（9）与PLC_ AO模块②11和PLC_ AI模块②14相连，外干扰源Uf18通过PLC基板总线（9）与PLC_ AO模块②11相连PLC_ AO模块③12相连；PLC_ AO模块①10经I/V转换电阻19与PLC_ AI模块②14输入端和减法器16负输入端相连，PLC_ AO模块②11经I/V转换电阻20与减法器15正输入端相连，PLC_ AO模块③12经I/V转换电阻21减法器15负输入端相连；减法器15输出端与一阶惯性环节②18输入端相连，一阶惯性环节②18输出端与减法器16正输入端相连，减法器16输出端与一阶惯性环节①17输入端相连，一阶惯性环节①17输出端与PLC_ AI模块①13输入端相连，PLC_CPU5经组态内嵌的PID控件分别构成主调节器控件6、阀位调节器控件7、外干扰源Uf18。如图1所示。
本发明的工作过程是：
工控机1通过视频线2与显示器3相连，通过组态设计显示器3可显示工艺流程实验界面、主被控变量过渡过程曲线和主调节器控件6、阀位调节器控件7、外干扰源Uf18的仪表画面及PID参数整定画面。工控机1通过RS-232通讯总线4与PLC_CPU5通讯，PLC_CPU5经组态内嵌的PID控件分别构成主调节器控件6、阀位调节器控件7、外干扰源Uf18，并分别经PLC_ AO模块①10、PLC_ AO模块②11、PLC_ AO模块③12输出4~20mA调节信号，通过显示器3组态实验界面调用控件，可实现PID调节器功能。PLC_ AO模块②11输出的4~20mA信号与PLC_ AO模块③12输出的4~20mA信号经减法器15相减后送入一阶惯性环节②18输入端，一阶惯性环节②18输出的4~20mA信号与PLC_ AO模块①10输出的4~20mA信号经减法器16相减后送入一阶惯性环节①17输入端，一阶惯性环节①17输出的4~20mA信号送入PLC_ AI模块①13输入端，该检测信号经组态作为主调节器控件6的测量值，并经显示器3显示其过渡过程曲线，PLC_AO模块①10输出的4~20mA信号还送给PLC_ AI模块②14输入端，作为阀位调节器控件7的测量值。依据对主被控变量影响程度可适当调整V/I转换电阻阻值，如电阻19取150Ω、电阻20取250Ω、电阻21取100Ω，以保证输入输出关系的合理性。主调节器控件6组态为“正作用”调节器；阀位调节器控件7组态为“反作用”调节器；外干扰源Uf18组态为开环手动输出。一阶惯性环节①17时间常数相对较小，模拟稳态调节一阶惯性环节②18时间常数相对较大。通过显示器3实验界面对主调节器控件6和阀位调节器控件7进行PID参数整定，操控主调节器控件6给定值为50%、外干扰源Uf18初值为40%、阀位调节器控件7给定值为10%，投运主调节器控件6和阀位调节器控件7至“自动”工作状态，等待PLC_ AI模块①13过渡过程曲线至稳定状态。操控外干扰源Uf18至50%阶跃变化，主调节器控件6经一阶惯性环节①17迅速稳定主被控变量，因阀位调节器控件7给定值为10%，最终使得主调节器控件6输出稳定为10%，构成阀位（VPC）控制系统，通过观察显示器3过渡过程曲线判定主调节器控件6和阀位调节器控件7PID参数整定是否合格及如何优化。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种面向虚拟对象阀位（VPC）控制系统实验装置，其特征是它主要由工控机(1)、显示器(3)、、PLC_CPU(5)、主调节器控件(6)、阀位调节器控件(7)、外干扰源Uf1(8)、PLC_ AO模块①(10)、PLC_ AO模块②(11)、PLC_ AO模块③(12)、PLC_ AI模块①(13)、PLC_ AI模块②(14)、减法器(15)、减法器(16)、一阶惯性环节①(17)、一阶惯性环节②(18)、I/V转换电阻(19，20，21)组成；所述的工控机(1)通过视频线(2)与显示器(3)相连，通过组态设计显示器(3)显示工艺流程实验界面、主被控变量过渡过程曲线和主调节器控件(6)、阀位调节器控件(7)、外干扰源Uf1(8)的仪表画面及PID参数整定画面；工控机(1)通过RS-232通讯总线(4)与PLC_CPU(5)通讯，PLC_CPU(5)经组态内嵌的PID控件分别构成主调节器控件(6)、阀位调节器控件(7)、外干扰源Uf1(8)，并分别经PLC_ AO模块①(10)、PLC_ AO模块②(11)、PLC_ AO模块③(12)输出4~20mA调节信号，通过显示器(3)组态实验界面调用控件，实现PID调节器功能；PLC_ AO模块②(11)输出的4~20mA信号与PLC_ AO模块③(12)输出的4~20mA信号经减法器(15)相减后送入一阶惯性环节②(18)输入端，一阶惯性环节②(18)输出的4~20mA信号与PLC_ AO模块①(10)输出的4~20mA信号经减法器(16)相减后送入一阶惯性环节①(17)输入端，一阶惯性环节①(17)输出的4~20mA信号送入PLC_ AI模块①(13)输入端，该检测信号经组态作为主调节器控件(6)的测量值，并经显示器(3)显示其过渡过程曲线，PLC_ AO模块①(10)输出的4~20mA信号还送给PLC_ AI模块②(14)输入端，作为阀位调节器控件(7)的测量值。
2.根据权利要求1所述的面向虚拟对象阀位（VPC）控制系统实验装置，其特征在于：依据对主被控变量影响程度适当调整V/I转换电阻阻值，以保证输入输出关系的合理性。
3.根据权利要求2所述的面向虚拟对象阀位（VPC）控制系统实验装置，其特征在于所述的V/I转换电阻阻值取值为：电阻(19)取150Ω、电阻(20)取250Ω、电阻(21)取100Ω。
4.根据权利要求1所述的面向虚拟对象阀位（VPC）控制系统实验装置，其特征在于：主调节器控件(6)组态为“正作用”调节器；阀位调节器控件(7)组态为“反作用”调节器；外干扰源Uf1(8)组态为开环手动输出；一阶惯性环节①(17)时间常数相对较小，模拟稳态调节一阶惯性环节②(18)时间常数相对较大。
5.根据权利要求1所述的面向虚拟对象阀位（VPC）控制系统实验装置，其特征在于：通过显示器(3)实验界面对主调节器控件(6)和阀位调节器控件(7)进行PID参数整定，操控主调节器控件(6)给定值为50%、外干扰源Uf1(8)初值为40%、阀位调节器控件(7)给定值为10%，投运主调节器控件(6)和阀位调节器控件(7)至“自动”工作状态，等待PLC_ AI模块①(13)过渡过程曲线至稳定状态；操控外干扰源Uf1(8)至50%阶跃变化，主调节器控件(6)经一阶惯性环节①(17)迅速稳定主被控变量，因阀位调节器控件(7)给定值为10%，最终使得主调节器控件(6)输出稳定为10%，构成阀位（VPC）控制系统，通过观察显示器(3)过渡过程曲线判定主调节器控件(6)和阀位调节器控件(7)PID参数整定是否合格及如何优化。
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