CN114550531B - 可模拟工业被控对象的实验教学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可模拟工业被控对象的实验教学装置，包括空气开关，空气开关的进线端接进线的A、B、C三相，空气开关的出线端分成两部分，一部分接接触器A，另一部分接接触器B，接接触器A和接触器B经过继电器连接控制器；继电器的输出端连接变频器A的输入端和变频器B的输入端，变频器A的输出端连接液化输送管道系统；变频器B输出端连接工业熔炉温控对象，控制器同时连接液化输送管道系统、工业熔炉温控对象及工业噪声产生对象。本发明可以最大限度的模拟工业被控对象的实际运行特性，可以把工业被控对象的实际运行现象展现给实验的学生。
Description
技术领域
本发明属于高等学校实验教学装置开发技术领域，涉及一种可模拟工业被控对象的实验教学装置。
背景技术
实验教学是高等学校大学教育的重要一环节，实验教学需要实验教学装置实现教学过程。而高等学校的实验教学装置是大学生掌握晦涩难懂理论知识所需要的实验学习工具，研制出能够理论联系实际的实验教学装置是实验教学装置开发技术领域的关键。对电气专业来说，模拟工业控制对象的实验教学装置对计算机控制技术实验课程教学很是必要。
现今高等学校的实验教学装置中的工业被控对象都是由电阻、电容和电子器件根据被控对象的数学表达式搭建起来的模拟电路系统，这个系统可以模拟被控对象的理论特性，但是不能模拟被控对象的实际精确运行性能，不利于学生的控制理论和方法联系实际的控制性能。另外这样的模拟电路系统也不能让学生直观地看出被控工业被控对象的实际动作表现，不利于学生对于工业控制系统学习的兴趣性培养。
发明内容
本发明的目的是提供一种可模拟工业被控对象的实验教学装置，该装置可以最大限度的模拟工业被控对象的实际运行特性，把工业被控对象的实际运行现象展现给实验的学生。
本发明所采用的技术方案是，模拟工业被控对象的实验教学装置，包括空气开关，空气开关的进线端接进线的A、B、C三相，空气开关的出线端分成两部分，一部分接接触器A，另一部分接接触器B，接接触器A和接触器B经过继电器连接控制器；
继电器的输出端连接变频器A的输入端和变频器B的输入端，变频器A的输出端连接液化输送管道系统；变频器B输出端连接工业熔炉温控对象，控制器同时连接液化输送管道系统、工业熔炉温控对象及工业噪声产生对象。
本发明的特点还在于：
工业噪声产生对象包括频率晶振，基础频率晶振产生一个频率为fb的基频信号，将基频信号送入分频器中，分频器通过拨码开关连接加法器。
基频信号再分频器中经过二分频、四分频、八分频……N分频得到多个分频信号。
液化输送管道系统包括抽水水箱，抽水水箱内设有水泵，水泵后方连接有X个输送模块，相邻两个输送模块之间通过盘折管道连接。
每个输送模块包括液化输送管道，液化能源输送管道的中部连接有阀门，在阀门的下方设有压力传感器，压力传感器的下方设有一个带有液位标志的观测水箱，观测水箱的底部连通排水管道。
对于液化能源输送管道来说，需将实际的管径进行缩小，当实际管道的管径R实在700mm～1400mm时，通过公式(1)计算缩小后的管径r：
工业熔炉温控对象包括两部分，分别为感应加热熔炉和坩埚加热组件；
感应加热熔炉包括熔炼池，熔炼池的外壁为熔池耐火内衬，熔炼池的最外层为熔炼钢炉，加热目标材料设置在熔炼池内，感应加热线圈缠绕在熔池耐火内衬上；感应加热线圈包括感应加热线圈外圈和感应加热线圈内圈，感应加热线圈内圈为中空结构，感应加热线圈内圈注水；
坩埚加热组件包括阻热绝缘板，阻热绝缘板上方设有坩埚，坩埚通过通电导线进行直流电加热，目标材料内置于坩埚内。
目标材料为铜柱或者铝柱。
熔炼池的高度为h，在熔炼池的高度h的部分中有70％是线圈缠绕的部分，即有效的加热部分，所以可以通过进行计算，其中hc为目标材料的高度；
熔炼池的半径rjr通过公式(2)确定：
其中，tk为学生做一次实验的的最长时间，ρ为铜柱或者铝柱的电阻率，μ为铜柱或者铝柱的磁导率。
感应加热线圈外圈的直径为r外、感应加热线圈内圈的直径为r内，r外通过公式(3)进行设计。
其中Ig为感应加热线圈的电流；
用如下关系确定内径r内，内径与外径的关系为r内＝0.85r外；
线圈的闸数N通过(4)进行确定：
本发明的有益效果是，本发明提出的一种满足实验教学与工程实际紧密融合的可模拟工业被控对象的实验教学装置，可以供高校对于电气类专业学生进行实验，此外，本发明还可以模拟实际工业被控对象的实际运行特性，可以把工业被控对象的实际运行现象展现给实验的学生。本发明基于实际工业对象的实际运行现象。运用本发明的可模拟工业被控对象的实验教学装置进行实验教学，可以更好地培养学生工程素养与解决实际工程问题的能力。
附图说明
图1是本发明可模拟工业被控对象的实验教学装置的结构图；
图2是发明可模拟工业被控对象的实验教学装置的实现原理框图；
图3是本发明可模拟工业被控对象的实验教学装置中工业噪声产生对象的结构图；
图4是本发明可模拟工业被控对象的实验教学装置中液化输送管道系统的结构示意图；
图5是本发明可模拟工业被控对象的实验教学装置中工业熔炉温控对象中的感应加热实验对象结构图；
图6是本发明可模拟工业被控对象的实验教学装置中工业熔炉温控对象中的坩锅加热实验对象结构图。
图中，1-1.空气开关，2-1.接触器A，2-2.接触器B，3-1.变频器A，3-2.变频器B，4-1.继电器，5-1.整流器，6-1.控制器，7-1.工业熔炉温控对象，8-1.工业噪声产生对象，9-1.液化输送管道系统，10-1.坩锅，11-1.感应加热熔炉，12-1.温度传感器，13-1.电动机，14-1.压力传感器，16.基础频率晶振，17.基频信号，18.分频器，19.拨码开关，20.加法器，21.液化能源输送管道，22.抽水水箱，23.水泵，24.盘折管道，25.阀门，26.观测水箱，27.排水管道，28.压力传感器，29.感应加热线圈外圈，30.感应加热线圈内圈注水口，31.熔炼钢炉，32.熔池耐火内衬，33.目标材料，34.感应加热线圈内圈出水口，35.熔炼池，36.通电导线，38.阻热绝缘板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明可模拟工业被控对象的实验教学装置，实验教学装置分成了两个部分，一部为控制系统主要有空气开关、接触器、变频器、整继电器和控制器，另一部分为控制对象包括工业熔炼炉温控对象，工业噪声产生对象和液化输送管道对象，工业熔炼炉温控对象由感应加热熔炉和坩埚加热组成，将实际的工业熔炼对象模拟成了特性相同的实验教学，工业噪声通过分频器，开关矩阵和加法器产生一个具有多频率合成的一个工业噪声信号，液化管道输送对象模拟了液化能源输送的过程。
本发明可模拟工业被控对象的实验教学装置，如图1所示，包括两面柜子，左边的柜子内设有控制组件，控制组件包括空气开关1-1、接触器A2-1、接触器B2-2、变频器A3-1、变频器B3-2、继电器4-1、整流器5-1和控制器6-1，右边的柜子设有被控对象，包括工业熔炉温控对象7-1、工业噪声产生对象8-1和液化输送管道系统9-1；
图2是本发明可模拟工业被控对象实验教学装置的实现原理图，空气开关1-1是控制三相供电电源，空气开关1-1的进线端去接进线的A、B、C三相(GND接地)，空气开关1-1的出线端分成两部分，一部分接接触器A2-1，另一部分接接触器B2-2，接接触器A2-1和接触器B2-2经过继电器4-1被控制器6-1控制(控制器6-1为控制器)；
继电器4-1的输出作为变频器A3-1和变频器B3-2的输入，变频器A3-1控制液化输送管道系统9-1中的电动机13-1旋转，液化输送管道系统9-1中有压力传感器14-1，压力数据检测出来后会输送给控制器6-1；变频器B3-2的其中一部分输出交流电给感应加热熔炉11-1，变频器B3-2的另一部分输出直流电给坩埚10-1，工业熔炉温控对象7-1中嵌装有温度传感器12-1，温度传感器12把工业熔炉温控对象7-1中的温度检测出来以后送给控制器6-1，工业噪声产生对象8-1将多频率合成的复合信号输给控制器6-1。
图3是工业噪声产生对象8-1的结构示意图，包括基础频率晶振16，基础频率晶振16产生一个频率为fb的基频信号17，将基频信号17送入分频器18中，经过二分频、四分频、八分频……N分频得到多个分频信号(二分频是将频率分为四分频是将频率分为/>八分频是将频率分为/>2N分频是将频率分为/>)，再由拨码开关19组成的任意组合两个及两个以上频率的信号，人工操控拨码开关19的开通和关断给加法器20进行设计不同频率的信号，加法器20将不同频率的信号相加得到最终输出。
工业噪声产生对象8-1主要模拟一个工业环境产生的实际噪声，此噪声作为学生完成计算机控制技术实验教学过程中的数字滤波控制对象，让学生在用该实验教学装置完成计算机控制技术实验教学过程中，锻炼学生工业数字滤波控制的技能，掌握数字滤波方法的知识点。
图4是液化输送管道系统9-1，首先通过实验室的供水，将水放入抽水水箱22中，抽水水箱22里面内置有一个水泵23，由水泵23将水抽出给后面的n个输送模块，相邻两个输送模块之间通过盘折管道24连接；每个输送模块包括液化能源输送管道21，液化能源输送管道21的中部连接有阀门25，学生可以通过控制阀门25来模拟出液化天然气使用的状况，当阀门25的开度比较大的时候压力就会变小，而当阀门25的开度比较小的时候压力就会增大，在阀门25的下方设有压力传感器28反映出当前液化天然气输送的压力，压力传感器28的下方设有一个带有液位标志的观测水箱26，观测水箱26内的液位高低可以反映出当前压力的一个实际情况，流出的水通过最下面的排水管道27进入下水道。
液化输送管道系统9-1总体就在模拟一个液化天然气传送中压力随着距离的增大而下降的过程，液化输送管道系统9-1与左边柜子的控制组件会形成一个液体流动压力控制系统，整个系统可以形成一个恒压力的控制系统，让学生在用该实验教学装置完成计算机控制技术实验教学过程中，锻炼学生的工业系统PID自动恒压控制技能，掌握恒压控制方法的知识点。
工业熔炉温控对象的运行状况对象分成两个部分，分别由图5感应加热熔炉和图6的坩埚加热组成，感应加热熔炉用来加热固体，坩埚用来加热液体。其中感应加热熔炉11-1交流电通给感应加热线圈外圈29，完成对于目标材料33的加热，感应加热线圈内圈注水口30接实验室供水，水从感应加热线圈内圈出水口34出，达到水冷的效果，熔炼池35外部为熔池耐火内衬32，熔炼池35的最外层是一个熔炼钢炉31；
坩埚10-1通过通电导线36进行直流电加热，坩埚10-1的底部放有阻热绝缘板38。
工业熔炉温控对象7-1要实现一个恒温的控制系统，让学生在用该实验教学装置完成计算机控制技术实验教学过程中，锻炼学生工业系统恒温控制技能，掌握恒温控制方法的知识点。
本发明可模拟工业被控对象的实验教学装置的设计方法，具体过程如下：
(1)空气开关1-1的设计：
本发明可模拟工业被控对象的实验教学装置中由于工业熔炉温控对象7-1中的坩锅加热实验对象设计功率P1＝400W，工业熔炉温控对象中的感应加热实验对象设计功率P2＝300W，液化输送管道系统9中的水泵需要功率P3＝700W。
工业熔炉温控对象7-1与液化系统输送系统对象9-1设备的总功率为P＝P1+P2+P3；
根据工业熔炉温控对象7-1与液化系统输送系统对象9-1设备的总功率P计算得出每条线路中流过的电流为取2倍的裕量，有2I1＝4.2A，因为4.2A＜6A，所以，本发明设计了厂家为施耐德的CJX2s型号空气开关1-1，此空气开关1-1的额定电压为380V，额定电流为6A，产品的极数为3P+1N。
(2)接触器A2-1、接触器B2-2的设计：接触器A2-1、接触器B2-2设计参数完全一样，选用的型号也完全一样；
根据工业熔炉温控对象7-1与液化系统输送系统对象9-1设备的总功率P计算出每条线路中流过的电流为：取2.5倍的裕量，有2.5I1＝5.25，因为5.25A＜20A，基于此，本发明设计了NCH8-20/40型号的接触器，此接触器的额定工作电压是400V；
(3)变频器A3-1、变频器B3-2的设计：变频器A3-1、变频器B3-2设计参数完全一样，选用的型号也完全一样；
在本发明中变频器需要给被控对象中的工业熔炉温控对象7-1和水泵23供电，工业熔炉温控对象7-1的功率和水泵23的功率都为700W，所以必须设计750W及以上的变频器，本发明中采用了厂家伟创的AC70E-S2-R40G型号变频器，此变频器为三相输入，三相输出，额定功率为750W，额定电流为2.3A；变频器A3-1和变频器B3-2均采用上述变频器的规格参数及型号。
(4)继电器4-1的设计：
在本发明中所需要继电器低压侧通电电压是3.3V，电流0.2mA；高压侧能控制的电压是24V，所以选取型号FTR-F1CA048V的继电器。此型号低压侧的电压是5V，高压侧能控制的电压是48V，触角数量是8脚，线圈电压为DC24V。
针对液化输送管道系统对象，设计过程如下：
(1)液化能源输送管道21的设计：
对于液化能源输送管道21来说，需要将实际的管径进行缩小，当实际管道的管径R实在700mm～1400mm时，可以通过(1)计算缩小后的管径r。
以西气东送的管道为例，西起东送干路管道的管径R实为1200mm，所以最终本发明实验模拟出的管道管径r＝8.7mm
(2)盘折管道24的设计：
在实际的液化能源输送中随着使用点与输气点的距离变长，管道内压力也会随之降低，所以为了模拟出这种距离的变化，本发明在各个不同的使用点当中使用的盘折起来的管道增大输送的距离，如果有X个输送模块那么盘折管道的数量就为X-1个，在确定了数量之后，接下来就要确定盘折管道的长度L了，首先根据水泵23的出口处的水压p始、室温的温度值t通过(2)计算出盘折管道24的管道的总长L：
盘折管道24的高度为d1，宽度为5r，通过(3)计算出d1：
其中F是盘折管道24折的次数，取值范围为4～6，每段盘折管道24的盘折长度在2米以下时，F取4；每段盘折管道24的盘折长度在2米到3米时，F取5，每段盘折管道24的盘折长度在3米以上时，F取6。
例如：水泵23出水口的压力为2×103pa，流速为2.5m/s，t的取值为室温，取20°，可以计算出盘折管道24的总长为1.6m，在确定了总的长度之后可以根据设计的管径得出d2＝0.06m，则d1＝0.272m。
(3)观测水箱26尺寸设计：
观测水箱26的尺寸就是要保证系统在不恒压的情况下，在人能反应的时间t1内(5s～10s)能关闭水泵23的继续抽水保证观测水箱的水不会溢出，在这里本发明需要通过公式(4)在这个位置水的流速u(取最大流速3.0m/s)和管径r算出观测圆柱形观测水箱26的体积Vg：
Vg＝t1·u·r2·π (4)；
算出Vg后再通过公式(5)算出观测水箱的半径d3：
计算出观测水箱的半径d3后，对于观测水箱的高度h观，有h观＝0.7d3。
(4)抽水水箱22尺寸的设计：
抽水水箱22的尺寸就是要保证在课程的实验时间s1内，保证水不会被抽干，可以一直给实验系统供水，在这里需要通过在这个位置水泵23给出的最大流速度u1和管径r算出圆柱形抽水水箱的半径r抽：
其中抽水水箱的高度h抽＝r抽。
(5)支路阀门25内径的设计：
根据管道的外径rwj设计阀门25内径相等的尺寸。
(6)水泵23的设计：
根据变频器的选择，变频器的功率为750W，所以，水泵23可以选择厂家汇精型号为WQD10-8-0.75的水泵，其功率在750W，额定电压380V，转速为2900r/min。
针对工业噪声产生对象8-1：
(1)分频器18的设计：
分频器18采用74LS393来进行设计，如图3所示，端口1VCC为电源，端口2与端口3的MR为复位端口，端口4与端口10的为基波输入，端口5GND为接地，端口6Q0为二分频输出端，端口7Q1为四分频输出端，端口8Q2为八分频输出端，端口9Q3为十六分频输出端，同时端口9Q3输出的信号输入给端口10CP作为基波输入，这时端口11Q0就为三十二分频输出端，端口12Q1就为六十四分频输出端，端口13Q2就为一百二十八分频输出端，端口14Q3就为二百五十六分频输出端。
(2)拨码开关19的设计：
拨码开关19选取型号为：TELESKY的8位拨码，开关间距为2.55mm，回路是单接点设计，耐压为交流电压24V。
(3)加法器20的设计：
对于加法器20，选取型号为LM358N，额定电源电压设计为5V。
其中R1和R2电阻设计500Ω的，R4的电阻设计200Ω，正向输入端输入线路上的电阻都为100Ω。R3、R5、R6、R7、R8、R9、R11和R12电阻值都为100Ω。
针对图5工业熔炉温控对象中的感应加热实验对象结构图和图6工业熔炉温控对象中的坩锅加热实验对象结构图来说明工业熔炼炉温控对象。
(1)加热目标材料33的设计：
目标材料33选用铜或者铝，为了方便学生实验与计算，目标材料33的外形都选用圆柱形。
铜柱或者铝柱的高度为hc、半径为rc，在本次设计中将铜柱或者铝柱的高度hc＝8cm、半径rc＝3cm。
(2)熔炼池35的尺寸：
首先熔炼池35的高度为h，在熔炼池35的高度h的部分中有70％是线圈缠绕的部分，即有效的加热部分，所以可以通过进行计算。
熔炼池35的半径rjr可以通过(7)确定。
其中，tk为学生做一次实验的的最长时间，本设计中将tk取为50min，ρ为铜柱或者铝柱的电阻率，μ为铜柱或者铝柱的磁导率。
(3)感应加热线圈的设计：
首先感应加热线圈为了起到水冷的作用，所以内部是空心的用来注水的，所以要确定感应加热线圈外圈的直径r外和感应加热线圈内圈的直径r内，r外可以通过公式(8)进行设计：
其中Ig为感应加热线圈的电流。
在外径算出来之后，可用如下关系确定其内径r内，内径与外径的关系为，r内＝0.85r外。
接下来计算感应加热线圈匝数NZ需要多少，线圈的闸数NZ通过(9)进行确定。
(4)坩埚10-1加热材料的设计：
坩埚10-1用来加热液体，设计水为加热的液体，因为水的体积越大，加热的时间tg也就会越长，但学生做实验的时间tg一般不会超过50min，所以需要通过学生做实验的最长时间来确定可以加热水的最大体积V水(dm3)，可以通过(10)进行计算。
其中，p1为加热功率，c为水的比热容，t0为水加热后的最终温度。
例如室温为20°的情况下，如果加热的最终温度为水能加热到的最高温度100°，水的比热容c＝4.2×103J/(㎏·℃)，可以计算得出加入水的体积不能超过3.57dm3。
(5)坩埚10-1的尺寸设计：
坩埚的形状为圆台形，圆台的高度为hg，本次设计中将圆台的高度hg＝15cm。
圆台上面开口处的半径r上圆台底部半径为r下，
可以通过公式(11)来计算r上，再利用r下＝0.9r上计算出r下。
Claims (5)
1.模拟工业被控对象的实验教学装置，其特征在于：包括空气开关，空气开关的进线端接进线的A、B、C三相，空气开关的出线端分成两部分，一部分接接触器A，另一部分接接触器B，接接触器A和接触器B经过继电器连接控制器；
继电器的输出端连接变频器A的输入端和变频器B的输入端，变频器A的输出端连接液化输送管道系统；变频器B输出端连接工业熔炉温控对象，控制器同时连接液化输送管道系统、工业熔炉温控对象及工业噪声产生对象；
所述液化输送管道系统包括抽水水箱，抽水水箱内设有水泵，水泵后方连接有n个输送模块，相邻两个输送模块之间通过盘折管道连接；
每个所述输送模块包括液化输送管道，液化能源输送管道的中部连接有阀门，在阀门的下方设有压力传感器，压力传感器的下方设有一个带有液位标志的观测水箱，观测水箱的底部连通排水管道；
所述工业熔炉温控对象包括两部分，分别为感应加热熔炉和坩埚加热组件；
感应加热熔炉包括熔炼池，熔炼池的外壁为熔池耐火内衬，熔炼池的最外层为熔炼钢炉，加热目标材料设置在熔炼池内，感应加热线圈缠绕在熔池耐火内衬上；感应加热线圈包括感应加热线圈外圈和感应加热线圈内圈，感应加热线圈内圈为中空结构，感应加热线圈内圈注水；
所述坩埚加热组件包括阻热绝缘板，阻热绝缘板上方设有坩埚，坩埚通过通电导线进行直流电加热，目标材料内置于坩埚内；
所述熔炼池的高度为h，在熔炼池的高度h的部分中有70％是线圈缠绕的部分，即有效的加热部分，所以可以通过进行计算，其中hc为目标材料的高度；
熔炼池的半径rjr通过公式(2)确定：
其中，tk为学生做一次实验的的最长时间，ρ为铜柱或者铝柱的电阻率，μ为铜柱或者铝柱的磁导率；
所述感应加热线圈外圈的直径为r外、感应加热线圈内圈的直径为r内，r外通过公式(3)进行设计；
其中Ig为感应加热线圈的电流；
用如下关系确定内径r内，内径与外径的关系为r内＝0.85r外；
线圈的闸数NZ通过(4)进行确定；
2.根据权利要求1所述的模拟工业被控对象的实验教学装置，其特征在于：所述工业噪声产生对象包括频率晶振，基础频率晶振产生一个频率为fb的基频信号，将基频信号送入分频器中，分频器通过拨码开关连接加法器。
3.根据权利要求2所述的模拟工业被控对象的实验教学装置，其特征在于：所述基频信号再分频器中经过二分频、四分频、八分频……N分频得到多个分频信号。
4.根据权利要求1所述的模拟工业被控对象的实验教学装置，其特征在于：对于所述液化能源输送管道来说，需将实际的管径进行缩小，当实际管道的管径R实在700mm～1400mm时，通过公式(1)计算缩小后的管径r：
5.根据权利要求1所述的模拟工业被控对象的实验教学装置，其特征在于：所述目标材料为铜柱或者铝柱。
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