CN112802385A - 一种面向过程控制的桌面型实验教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种面向过程控制的桌面型实验教学系统，由实验台、NI ELVIS和PC机三部分组成，其中实验台由上下水箱、储水箱、电气箱、水泵组成；上下水箱为两个底部开有长方形孔挡流板的圆柱水箱，其中每个水箱均含有液位变送器并且水箱底部有四个开孔，分别为溢流孔、排水孔、引压孔和连通孔，另外下水箱还包括温度变送器和加热电阻；水泵通过压力变送器和流量变送器与上下水箱连接；电气箱中装有变频器、调压模块、24V电源、4‑20mA至0‑10V的转换模块；各个变送器采集的数据经NI ELVIS传给PC机，PC机经运算后将结果通过NI ELVIS传到电气箱中的变频器或调压模块，对执行机构进行控制，进而改变被控量，实现以流量、压力、液位、温度为对象的过程控制实验。
Description
技术领域
本发明属于一种桌面型教学系统，尤其涉及一种面向过程控制的教学系统，以压力、液面、流量、温度为被控对象进行对象特性实验、单闭环控制实验和串级控制实验。
背景技术
过程控制实验课程一般采用多容过程控制实验设备，该套设备的优点是能够进行多种过程控制实验，但由于设备体积大、成本高且维护比较困难，一般实验室中的设备数量难以满足学生的实验要求，不利于课堂教学。针对传统实验设备存在的问题，目前主要有两种研究方向，一是开发过程控制虚拟实验系统，通过计算机对过程控制实验的模拟、仿真来进行实验。二是开发小型的过程控制实验系统。过程控制虚拟实验系统操作方便，使用灵活，但由于是非实物实验，学生对实验的具体操作过程的认识不够直观。小型过程控制实验系统缩小了实验设备的体积，实验室能够有更多的设备让学生同时进行实验操作，因此有必要发明一套桌面型的过程控制实验系统。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明目的在于提供了一种面向过程控制的桌面实验教学系统，其优点在于体积小、成本低、功能多并且复用性强；通过减小实验台的体积，简化实验设备，将原本庞大复杂的过程控制实验系统精简为一个桌面型的实验系统，能够以压力、液面、流量、温度为被控对象进行对象特性实验、单闭环控制实验和串级控制实验，达到课堂教学目的。
为解决以上问题，本发明采用如下技术方案：由实验台(1)、NI ELVIS(2)和PC机(3)三部分组成，其中实验台由上水箱(4)、下水箱(5)、储水箱(7)、电气箱(6)、水泵(8)组成；上水箱(4)和下水箱(5)分别为底部开有长方形孔挡流板(14)的圆柱水箱，其中每个水箱均含有液位变送器(11)并且水箱底部有四个开孔，分别为溢流孔(15)、排水孔(17)、引压孔(18)和连通孔(16)，另外下水箱(5)还包括温度变送器(12)和加热电阻(13)；水泵(8)通过压力变送器(9)和流量变送器(10)与上水箱(4)和下水箱(5)连接；电气箱(6)中装有变频器、调压模块、24V电源、4-20mA转0-10V的模块；各个变送器采集的数据经NI ELVIS(2)传给PC机(3)，PC机(3)经运算后将结果通过NI ELVIS(2)传到电气箱(6)中的变频器或调压模块，对执行机构进行控制，进而改变被控量；本系统能够进行以流量、压力、液位、温度为对象的对象特性实验、单闭环控制实验和串级控制实验。所述的实验台(1)整体长600mm、宽350mm、高550mm，外部框架采用大小为25mm×25mm的不锈钢型材以及一块不锈钢底板焊接而成，其底板上安装一个水泵(8)并焊接储水箱(7)及电气箱(6)；水泵(8)通过压力变送器(9)和流量变送器(10)与上水箱(4)和下水箱(5)连接；在储水箱上方固定上水箱(4)和下水箱(5)。
所述的上水箱(4)和下水箱(5)为两个圆柱水箱，采用亚克力材料制作，每个水箱的内径为150mm，壁厚为5mm，高为200mm；每个水箱内有一块厚5mm，高200mm的挡流板(14)，挡流板底部中心开有一个30mm×10mm的长方形口，用于消除进水水流的影响，减少液面波动；每个水箱中含有一个长度为190mm的溢流管，当液位高于190mm时，水会从溢流管直接流入储水箱，防止水从水箱顶部溢出；每个水箱底部有四个开孔，分别为溢流孔(15)、排水孔(17)、引压孔(18)和两个水箱的连通孔(16)。
所述上水箱(4)侧壁贴有标尺，用于观察液面高度，上水箱盖只有一个进水孔(20)，上水箱(4)主要进行流量、压力、液位为对象的实验；所述下水箱(5)需要进行以温度为对象特性实验，其下水箱盖有三个孔，分别为进水孔(20)、固定加热电阻孔(21)和固定温度变送器孔(19)。
所述的储水箱(7)采用不锈钢材质，长300mm，宽300mm，高200mm，水箱壁厚1mm；所述储水箱(7)的作用是蓄水，在水箱侧面底部有两个开孔，一个为水泵抽水口，通过软管连接到水泵(8)的进水口；另一个为排水口，排水口接有一个不锈钢球阀。
所述的电气箱(6)采用不锈钢制作，长125mm，宽300mm，高200mm；所述电气箱(6)中安装有变频器、调压模块、24V电源、4-20mA至0-10V的转换模块；所述电气箱(6)侧面安装有侧门，在侧门上有7个BNC接口，用于信号传输，上部安装变频器，中部通过导轨固定24V电源，下部为4-20mA至0-10V转换模块和调压模块；各个仪表的电线通过电气箱上方的开孔引入电气箱(6)内部。
所述的温度变送器(12)采用源诚YCHSM-100型温度变送器，量程范围为0-100℃，精度等级为±1％，输出信号为DC0-10V，用于测量加热丝加热后的水温；所述的压力变送器(9)采用轩胜的PCM300型扩散硅压力变送器，量程范围为0-16kPa，精度等级为0.5％FS，输出信号为DC0-10V；所述的流量变送器(10)采用DN15的LWY型涡轮流量计，测量的流量范围为0.6-6m3/h，测量精度±1％；所述的液位变送器(11)采用量程为0-10kPa的PCM300型扩散硅压力变送器，精度等级为0.5％FS，输出信号为DC0-10V，通过测量水箱底部的水压，根据公式P＝ρgh换算成水箱的液位高度。
所述的NI ELVIS(2)的实验面板共分为四部分，对象特性实验、单闭环控制实验、串级控制实验以及实验板下方预留的接口。对象特性实验和单闭环控制实验分别有1个模拟号输入端口(AI)和1个模拟量输出端口(AO)，串级控制实验有2个模拟号输入端口(AI)和1个模拟量输出端口(AO)，实验板下方预留了4个模拟号输出端口(AO)、8个模拟号输入端口(AI)口和8个数字量输出端口(DIO)；另外在NI ELVIS()的实验面板上刻有单闭环控制实验和串级控制实验的方框图。
所述PC机(3)含有实验系统主界面，主界面含有对象特性实验、单闭环控制实验、串级控制实验三个实验类型的选项和一个退出按钮；选择相应的实验类型，在该实验类型的界面中输入参量的设定值，各个变送器采集的系统数据经NI ELVIS(2)传给PC机(3)，PC机(3)经运算后将结果通过NI ELVIS(2)传到电气箱(6)中的变频器或调压模块，对执行机构进行控制，进而改变被控量并获得相应实验波形图。
本发明的有益效果为：
1本发明整体体积小，降低了设备生产成本，有利于高校实验室引进更多的实验设备，保证了学生的实验需求。
2本发明以压力、液面、流量、温度为被控对象进行对象特性实验、单闭环控制实验和串级控制实验，充分满足学生的实验要求，利于课堂教学。
3通过NI ELVIS进行信号的采集和控制，操作简便，同时由于NI ELVIS的可定制的特性，能够针对不同的实验设计不同的实验面板，实用性较强，复用性高，保证了学生能够进行响应的过程控制实验。
附图说明
下面结合附图及其实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明整体侧面结构图
图2是上水箱和下水箱底部平面图
图3是上水箱和下水箱顶部平面图
图4是NI ELVIS的实验面板设计图
图5是PC机中实验系统主界面
图6是对象特性实验界面图
图7是单闭环控制实验界面图
图8是串级控制实验界面图
图9是以压力为被控对象进行对象特性实验的波形图
图10是以液位为被控对象进行单闭环控制实验的波形图
1为实验台、2为NI ELVIS、3为PC机、4为上水箱、5为下水箱、6为电气箱、7为储水箱、8为水泵、9为压力变送器、10为流量变送器、11为液位变送器、12为温度变送器、13为加热电阻、14为挡流板、15为溢流孔、16为连通孔、17为排水孔、18为引压孔、19为固定温度变送器孔、20为进水孔、21为固定加热电阻孔。
具体实施方式
以下结合本发明的结构和工作原理作详细说明：
本发明以压力、液面、流量、温度为被控对象进行对象特性实验、单闭环控制实验和串级控制实验。确定实验类型后，将PC机(3)、NI ELVIS(2)的实验面板、电气箱(6)依次用电线连接；在PC机(3)实验系统的主界面，如图5，选择相应的实验类型，在PC机(3)对应实验的界面中输入参量的设定值，温度变送器(12)、压力变送器(9)、流量变送器(10)、液位变送器(11)采集的系统数据经NI ELVIS(2)传给PC机(3)，PC机(3)经过运算后将结果通过NIELVIS(2)传到电气箱(6)的变频器或调压模块，改变被控量并获得相应实验波形图。
实施例1：以压力为被控对象进行对象特性实验，将PC机(3)、NI ELVIS(2)的实验面板、电气箱(6)依次用电线连接；在实验系统主界面中，如图5，选择“对象特性实验”选项，进入对象特性实验界面，如图6；在该界面的输入框中输入变化量Δu＝1；利用Labview对系统进行仿真，得到压力的响应曲线。对象特性实验主要通过对被控对象施加一个阶跃扰动，然后测定被控对象的响应曲线，并根据输出的变化量和输入的变化量之比计算出曲线的特征参数比例系数K，采用两点法计算出曲线的时间常数T和时滞τ。
在本实施例中，压力的响应曲线如图9，从图中可以看出，输入量的变化量Δu＝1，输出量的初始值为4.15，稳态值为9.35，根据公式可得：
时间常数T和时滞τ根据两点法进行计算：y*(t1)＝4.15+0.39×5.2＝6.178；y*(t2)＝4.15+0.63×5.2＝7.426。从图中得出：t0＝5.2s,t1＝6.3s,t2＝6.7s；则时间常数T和时滞τ为：T＝2×(1.5-1.1)＝0.8s、τ＝2×1.1-1.5＝0.7s；可得传递函数为：
实施例2：以液位为被控对象进行单闭环控制实验，将PC机(3)、NI ELVIS(2)的实验面板、电气箱(6)依次用电线连接；在实验系统主界面中，如图5，选择“对象特性实验”选项，先进行一次以液位为被控对象的对象特性实验，输入量的变化量Δu＝3，得到传递函数、和PID参数(比例系数K、时间常数T和时滞τ)；在点击图6的“RETURN”按钮返回系统主界面如图5，再选择“单闭环控制实验”按钮，进行以液位为被控对象进行单闭环控制实验；通过对得到的PID参数进行计算，得到新的参数，将新PID参数输入到图7的指定区域，利用Labview对系统进行仿真，得到相应曲线。
在本实施例中，由以液位为被控对象的对象特性实验，得到传递函数为
比例系数K＝1.07、时间常数T＝72s、时滞τ＝9s；通过使用公式法求取新的PID参数：K＝0.24T/τ＝0.24×72÷9＝1.92、Ti＝5.33τ＝5.33×9÷60＝0.7995；将计算所得的PID参数输入到图7的指定区域，微调后K＝2.16，Ti＝0.8，Td＝0.001；液位控制的曲线结果如图10所示，由于液位的变化比较缓慢，因此调节过程中产生的衰减曲线非常明显，通过调节后最终液位值稳定在10cm附近。
Claims (9)
1.一种面向过程控制的桌面型实验教学系统，其特征在于：由实验台(1)、NI ELVIS(2)和PC机(3)三部分组成，其中实验台由上水箱(4)、下水箱(5)、储水箱(7)、电气箱(6)、水泵(8)组成；上水箱(4)和下水箱(5)分别为底部开有长方形孔挡流板(14)的圆柱水箱，其中每个水箱均含有液位变送器(11)并且水箱底部有四个开孔，分别为溢流孔(15)、排水孔(17)、引压孔(18)和连通孔(16)，另外下水箱(5)还包括温度变送器(12)和加热电阻(13)；水泵(8)通过压力变送器(9)和流量变送器(10)与上水箱(4)和下水箱(5)连接；电气箱(6)中装有变频器、调压模块、24V电源、4-20mA转0-10V的模块；各个变送器采集的数据经NI ELVIS(2)传给PC机(3)，PC机(3)经运算后将结果通过NI ELVIS(2)传到电气箱(6)中的变频器或调压模块，对执行机构进行控制，进而改变被控量；本系统能够进行以流量、压力、液位、温度为对象的对象特性实验、单闭环控制实验和串级控制实验。
2.根据权利要求1所述的一种面向过程控制的桌面型实验教学系统，其特征在于：所述的实验台(1)整体长600mm、宽350mm、高550mm，外部框架采用大小为25mm×25mm的不锈钢型材以及一块不锈钢底板焊接而成，其底板上安装一个水泵(8)并焊接储水箱(7)及电气箱(6)；水泵(8)通过压力变送器(9)和流量变送器(10)与上水箱(4)和下水箱(5)连接；在储水箱上方固定上水箱(4)和下水箱(5)。
3.根据权利要求1所述的一种面向过程控制的桌面型实验教学系统，其特征在于：所述的上水箱(4)和下水箱(5)为两个圆柱水箱，采用亚克力材料制作，每个水箱的内径为150mm，壁厚为5mm，高为200mm；每个水箱内有一块厚5mm，高200mm的挡流板(14)，挡流板底部中心开有一个30mm×10mm的长方形口，用于消除进水水流的影响，减少液面波动；每个水箱中含有一个长度为190mm的溢流管，当液位高于190mm时，水会从溢流管直接流入储水箱，防止水从水箱顶部溢出；每个水箱底部有四个开孔，分别为溢流孔(15)、排水孔(17)、引压孔(18)和两个水箱的连通孔(16)。
4.根据权利要求1所述的一种面向过程控制的桌面型实验教学系统，其特征在于：所述上水箱(4)侧壁贴有标尺，用于观察液面高度，上水箱盖只有一个进水孔(20)，上水箱(4)主要进行流量、压力、液位为对象的实验；所述下水箱(5)需要进行以温度为对象特性实验，其下水箱盖有三个孔，分别为进水孔(20)、固定加热电阻孔(21)和固定温度变送器孔(19)。
5.根据权利要求1所述的一种面向过程控制的桌面型实验教学系统，其特征在于：所述的储水箱(7)采用不锈钢材质，长300mm，宽300mm，高200mm，水箱壁厚1mm；所述储水箱(7)的作用是蓄水，在水箱侧面底部有两个开孔，一个为水泵抽水口，通过软管连接到水泵(8)的进水口；另一个为排水口，排水口接有一个不锈钢球阀。
6.根据权利要求1所述的一种面向过程控制的桌面型实验教学系统，其特征在于：所述的电气箱(6)采用不锈钢制作，长125mm，宽300mm，高200mm；所述电气箱(6)中安装有变频器、调压模块、24V电源、4-20mA至0-10V的转换模块；所述电气箱(6)侧面安装有侧门，在侧门上有7个BNC接口，用于信号传输，上部安装变频器，中部通过导轨固定24V电源，下部为4-20mA至0-10V转换模块和调压模块；各个仪表的电线通过电气箱上方的开孔引入电气箱(6)内部。
7.根据权利要求1所述的一种面向过程控制的桌面型实验教学系统，其特征在于:所述的温度变送器(12)采用源诚YCHSM-100型温度变送器，量程范围为0-100℃，精度等级为±1％，输出信号为DC0-10V，用于测量加热丝加热后的水温；所述的压力变送器(9)采用轩胜的PCM300型扩散硅压力变送器，量程范围为0-16kPa，精度等级为0.5％FS，输出信号为DC0-10V；所述的流量变送器(10)采用DN15的LWY型涡轮流量计，测量的流量范围为0.6-6m3/h，测量精度±1％；所述的液位变送器(11)采用量程为0-10kPa的PCM300型扩散硅压力变送器，精度等级为0.5％FS，输出信号为DC0-10V，通过测量水箱底部的水压，根据公式P＝ρgh换算成水箱的液位高度。
8.根据权利要求1所述的一种面向过程控制的桌面型实验教学系统，其特征在于：所述的NI ELVIS(2)的实验面板共分为四部分，对象特性实验、单闭环控制实验、串级控制实验以及实验板下方预留的接口。对象特性实验和单闭环控制实验分别有1个模拟号输入端口(AI)和1个模拟量输出端口(AO)，串级控制实验有2个模拟号输入端口(AI)和1个模拟量输出端口(AO)，实验板下方预留了4个模拟号输出端口(AO)、8个模拟号输入端口(AI)口和8个数字量输出端口(DIO)；另外在NIELVIS()的实验面板上刻有单闭环控制实验和串级控制实验的方框图。
9.根据权利要求1所述的一种面向过程控制的桌面型实验教学系统，其特征在于：所述PC机(3)含有实验系统主界面，主界面含有对象特性实验、单闭环控制实验、串级控制实验三个实验类型的选项和一个退出按钮；选择相应的实验类型，在该实验类型的界面中输入参量的设定值，各个变送器采集的系统数据经NI ELVIS(2)传给PC机(3)，PC机(3)经运算后将结果通过NI ELVIS(2)传到电气箱(6)中的变频器或调压模块，对执行机构进行控制，进而改变被控量并获得相应实验数据。
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- 2019-11-14 CN CN201911115806.4A patent/CN112802385A/zh active Pending
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