基于多課程應用的溫度控制實驗系統設計

魏艷紅， 許 昌， 吳 霞

(中國計量學院 機電工程學院，浙江 杭州 310018)

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基于多課程應用的溫度控制實驗系統設計

魏艷紅， 許 昌， 吳 霞

(中國計量學院 機電工程學院，浙江 杭州 310018)

結合機械電子專業的學科特點，基于多課程交叉融合的培養需求，設計了PLC的溫度控制實驗系統，系統具備溫度的實時監控、溫控曲線的準確跟蹤等功能。以PLC為控制核心，采用V/F轉換器和PLC的高速計數功能實現了串行A/D轉換, 并利用PLC的定時器產生脈寬調制(即PWM)波形替代了D/A模塊；軟件上設計了溫度控制曲線，并采用分段擬合的方法修正頻率-溫度曲線，彌補了常規PID算法的缺陷，實現了溫度的閉環控制。該實驗系統利用實驗室現有的實驗資源進行搭建，降低了實驗成本，提高了實驗設備的利用率。

V/F轉換； PWM； 分段擬合； 機電綜合實踐

0 引 言

機電綜合實踐課程設計是機械電子專業學生的必修實踐類課程，是對學生所學專業知識的一次綜合考查[1]。在2周內，學生按照老師布置的任務和要求，獨立設計一套完整的機電控制系統，并完成課程設計報告。考慮到機械電子專業的人才培養需求，該系統涉及模擬電子測量電路方面的知識、數字電路知識的應用、自動控制理論算法的具體應用，以及工業自動控制方面可編程邏輯控制器(PLC)[2]的相關應用等。

課程設計時間短暫，涉及的知識面比較廣，綜合性較強，如何為學生搭建一個可行的實驗平臺，從而提升學生的實踐能力和教學效果，是機電綜合實踐課程教學中亟待解決的問題[3-5]。為此，本文設計了一個加熱爐的溫度控制實驗系統，包括Pt100的測量電路、電壓/頻率(U/F)轉換電路的設計、PID算法的應用、PLC的控制等環節，集合了“檢測技術”、“電路”、“電子技術”、“自動控制理論”、“可編程控制器原理及應用”、“數控技術”等多門課程的知識，打破了課程間的壁壘，進一步實現了不同課程間實踐教學環節的有效銜接和知識融合[6-7]。

1 實驗系統設計

1.1 實驗系統結構原理

溫度控制系統如圖1所示。溫度控制實現過程如下：首先Pt100測量及放大電路將加熱爐的溫度轉化為電壓信號傳送給U/F轉換器，U/F轉換器將其轉換成頻率信號，發送到PLC的高速計數器。通過PLC編程，實現輸入電壓的測量，獲得當前爐溫值。然后PLC將系統設定的溫度值與反饋溫度值進行比較，經過PID運算后，輸出不同脈寬的波形，控制固態繼電器的通斷，進而控制加熱爐電阻絲兩端的平均電壓，最終控制加熱爐的溫度[8-9]。

圖1 系統框圖

1.2 實驗系統設計

1.2.1 溫控曲線的形成

實際PLC控制系統中，不同的應用對象需要的溫度控制曲線不同。因而，在PLC控制程序方面，也需要考慮溫度控制曲線的實現[10-11]。

以某段溫控曲線的形成為例進行介紹，曲線可分成兩種情況：一是斜坡部分；二是平臺部分。斜坡部分的主要參數有斜坡斜率和斜坡時間；平臺部分的主要參數有平臺溫度值和平臺時間(恒溫時間)。下面主要介紹斜坡部分的積算過程，見圖2。

程序設計中，對時間軸以2 s為單位進行分割，即采樣周期為2 s，斜坡斜率K即為平臺的溫差除以斜坡時間，則某一瞬間的溫度Ti為

圖2 溫控曲線積算示意圖

(1)

其中：

1.2.2 頻率-溫度曲線分段擬合

在PLC編程中，可直接調用三菱系列PLC自帶的PID 指令[12-14]。但是，在調用PID指令前，需將采樣頻率換算為實際溫度值[15-16]。實驗系統中，采樣頻率隨溫度的變化近似為線性關系，可將頻率-溫度曲線分成若干段，取每段曲線上的起點和終點(x0,y0)、(x1,y1)來分段擬合直線方程。設定x為采樣頻率，y為對應的溫度值，直線方程見式(2)。PLC每次讀入采樣頻率后，先判斷曲線所在的分段，根據該段直線的斜率和起點，得到對應的溫度值，

(2)

2 實驗系統的具體應用

溫度控制系統的實現主要包括：①根據系統要求，進行U/F轉換器和Pt100測量電路的設計；②根據系統的設計要求繪制電氣控制圖，搭建控制系統；③根據實際應用的要求，考慮系統的軟件流程和算法；④通過監控上位機和示波器波形，不斷修改程序，最終達到所需要的實驗結果。將上述實驗內容分成不同的設計任務，如硬件電路的設計及調試、電氣控制系統的設計及連接、PLC程序的編寫及調試、PID算法的具體應用等。學生可根據自己的專業特長選擇設計內容，最終以小組的形式進行綜合調試。因考慮到課程設計的時間比較短，上位機界面的程序和部分示例電路圖可直接分發給學生進行學習研究，學生可在此基礎上，設計出更為完善和復雜的機電控制系統。

2.1 Pt100放大電路

Pt100主要用于測量加熱爐的溫度，其放大電路示例電路見圖3，圖中：Pt100采用橋式接法；

(3)

其中，R為Pt100的阻值，0～100 ℃對應100.0～138.5 Ω。

圖3 PT100放大電路

輸出電壓：

(4)

2.2 實驗系統調試

圖4是利用 VB6.0 的 MSComm 控件進行設計的上位機界面，學生可直接在界面上設置階梯曲線的各個溫度值，并利用其寄存器進行PLC程序設計。圖5為系統響應曲線，從圖中可以看出，斜坡曲線系統超調量很小，階梯曲線超調量較大，且調整時間較長。

圖4 溫度控制曲線設定界面

圖5 系統響應曲線

3.3 自制系統對機電綜合實踐課程教學的幫助

搭建了以PLC為核心的加熱爐溫度控制系統，學生可利用實驗室現有的實驗資源搭建一個新的實驗系統，并在線調試修改程序。同時觀察加熱爐的溫度在變化過程中各模塊輸出波形的變化。整個實驗過程中，既鍛煉了學生的實踐動手能力，又加深了對以往所學實驗項目的理解，同時理論聯系實際，課堂知識也得到了具體的應用。這種做法不僅有效利用了實驗室現有的教學資源，節省了硬件成本；同時調動了學生學習的積極性，讓學生從“我得學”變成“我要學”。 學生為了解決系統中存在的問題，必須主動查閱相關文獻資料，包括以往的實驗項目指導書、產品說明書、電路設計示例、PLC編程技巧、PID算法原理等。同時，在PLC程序的設計中，學生可根據課堂學到的理論知識，靈活運用編程技巧，加深了對課堂知識的理解，提高了編程能力。該課程設計綜合性較強，系統調試時間久，碰到有難題的地方時，學生可采取小組討論的方式進行解決。在整個課程設計的過程中，學生起主導作用，指導教師可針對實驗涉及的相關理論知識、波形測試、數據處理、設備使用等各方面進行輔助性指導。

3 結 語

設計了一款融合多課程應用的溫度控制系統，并將其應用于機電綜合實踐課程的實踐教學中，鍛煉了學生的實踐能力，收到了良好的教學效果。該系統可進一步完善和改進，比如不使用PLC自帶的PID指令，讓學生自己編寫PID算法的運算過程，溫度的顯示模塊也可以試著讓學生自己設計。

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Design of Temperature Control Experiment System Based on Multi-course Application

WEIYan-hong,XUChang,WUXia

(College of Mechanical & Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Based on characteristics of mechanical electronics speciality and requirement of multi-course application, a temperature control system is designed using PLC. The system has many features such as real time monitoring of temperature, accurately tracking of temperature control curve. Furthermore, it has two main advantages. The first one is to use voltage/frequency converter and high-speed counters of PLC for analog /digital conversion, the second one is using the PLC’s timer to produce PWM (pulse width modulation) curve instead of D/A module. In the software design, the temperature control curve is employed, and also the PID algorithm is adopted to form a closed-loop control. Meanwhile, the piecewise fitting method is used to make up for the defects of conventional PID algorithm by modifying the curve of frequency and temperature. The system is applied for teaching of Mechatronics practice course in the form of open experimental teaching. It is devised by using the existing laboratory resources, so it reduces the hardware cost and improves the utilization rate of equipment.

V/F converter; PWM; piecewise fitting; mechatronics practice

2015-11-26

國家自然科學基金資助項目(61203113)；浙江省自然科學基金資助項目(LY15F030012)

魏艷紅(1982-)，女，山西朔州人，碩士，實驗員，主要從事單片機控制系統和PLC數控系統的設計。

Tel.：13335883482；E-mail：weiyanhongwyh@163.com

許 昌(1956-)，男，浙江杭州人，碩士，教授，現為中國計量學院機電學院機械電子學科負責人。

Tel.：18958002258;E-mail：xuchang@mail.hz.zj.cn

G 642.423; TM 571.61

A

1006-7167(2016)08-0061-03