機電控制探究性實驗設計

張辛，房東輝，姜浩，吳寶貴

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島，266580）

0 引言

機電系統計算機控制是機械設計制造及其自動化專業的核心課程，課程內容包含變頻器、可編程序控制器等較多元器件和專業知識，與其他課程相比，此課程的教學內容更加繁瑣，學生對于知識點的吸收理解也相對困難。為了充分解決這個問題，就需要整合多個實驗環節，設計一個完整的控制實驗項目，使學生能夠直觀并深刻的了解機電系統的控制原理和控制方法，在調動學生積極性的同時，提高教學效率，實現由難到易的轉變。同時，進行探究性實驗設計，可以幫助學生將不同專業課知識進行串聯整合，培養學生的工程意識和解決實際問題的能力。

1 實驗現狀

1.1 目前開設實驗項目

我校《機電系統計算機控制》課程有40學時，其中6學時實驗，目前開設的實驗項目有三個：“繼電器控制電機”、“變頻器控制電機”和“PLC控制電機”。

（1）繼電器控制電機

通過對接線端子、自動空氣開關、交流接觸器、中間繼電器和選擇按鈕的基本構造及其控制應用進行認識，充分理解借助繼電器使電動機完成啟動、停止、正反轉動作的基本方法。掌握異步電動機基本控制電路的連接方式；實驗中需要的儀器為繼電器、變頻器和電動機等。

（2）變頻器控制電機

通過變頻器操作面板和變頻器接線端子均可實現對電機的控制。可以通過變頻器操作面板進行電機啟動、停止以及各種信息和數據的顯示；通過對變阻器和選擇開關與變頻器接線端子的正確連接，也可以使電機實現預期動作。通過學習，掌握借助變頻器操作面板和接線端子使電動機完成啟動、停止、正反轉動作的基本方法，實驗中需要的儀器為繼電器、開關、電位器、變頻器和電動機等。

（3）PLC控制電動機

學習PLC編程方法的特點以及建立連接的方式，了解借助PLC來控制電動機進行各種動作的基本方法，例如電動機的啟動、停止、正反轉、延時啟停。實驗中需要的儀器為PLC、電腦、軟件STEP-7等[1]。

1.2 存在的問題

目前開設的三個實驗項目雖然相對簡單，但仍存在學時規劃不合理的情況，三個實驗項目總計學時占課程總學時的15%，這就導致學生操作實驗設備的時間不足，對實驗課程內容不能有深入的了解，以至于不能充分調動學生的積極性，容易使學生低估實驗課程的重要程度，在這種情況下，短時高效就顯得尤為重要，在有限的時間里讓學生對知識理解更深刻[5]。在繼電器控制電機、變頻器控制電機、PLC控制電機三個實驗中，尤其是PLC控制電動機實驗，僅僅使用PLC來進行模擬控制，沒有控制對象，學生實驗時只能通過觀察輸出指示燈來確定程序的運行，無法更直觀展示實驗效果。因此，本探究性實驗通過設計實驗平臺，將控制系統、控制對象整合在一起，開設多個實驗，不同實驗可以連貫開展，實驗內容多樣，實驗現象較為直觀，能夠獲得更好的實驗效果，以激發學生的興趣。

2 實驗設計原理

機電系統的控制基本結構主要由三部分組成,即傳感器、運算單元和執行機構,被控對象的相關信息可以通過傳感器進行獲取，獲取的各種物理信號通過傳感器變換成系統識別的電信號。機電控制系統的關鍵是運算單元，例如計算機、繼電器、液壓元件等，不同的運算單元可以表現出不同的控制方式。機電控制系統中將其他能量轉化為機械能的部分為執行機構，例如伺服電機、液壓馬達等。借助不同的傳感器和執行元件來完成對各種物理量的控制，例如壓力、流量、溫度等。PLC自動控制是基于可編程序控制器的原理，在現有實驗平臺基礎上，根據被控對象，將PLC、控制模塊、執行模塊、上位機界面、變頻器等串聯在一起。PLC控制輸入的通電和斷電，對被控對象進行控制和存儲。上位機通過串口接收數據、運行程序，下位機通過程序控制執行機構完成實驗。

2.1 實驗目的

（1）熟悉典型的計算機控制系統基本組成部分，即傳感器、運算單元和執行機構的特點。重點了解運算單元包括繼電器、液壓元件、氣壓元件和計算機等不同類型運算單元的控制特點。

（2）掌握PLC、安全配線、組態、電氣調試、管路搭建、變頻調速等的同時，重點掌握流體過程控制傳感器的配線、信號轉換、變送、采集、PID控制和組態控制方法。

（3）掌握STEP-7、Win CC軟件編程，掌握PLC連接建立方法，運用圖形編輯器設計界面，組件控制操作窗口。

2.2 實驗改進內容主要有

（1）原有實驗項目為獨立項目，并且前期實驗設備、儀器連接等過程由指導教師完成，改進后要求大家在現有實驗教學平臺的基礎上，自行完成開關啟停、閥門開閉等操作過程，實現實驗切換，掌握基本的儀器連接和硬件使用；

（2）原有實驗界面設計、實驗安排等由指導教師前期完成，改進后要求大家在明確實驗項目的前提下，自行完成實驗操作窗口設計和實驗項目布局；掌握PC Access中建立項目的方法；

（3）在原有實驗內容的基礎上，掌握PLC編程、Win CC軟件編程的基本方法。

3 實驗設計內容

3.1 實驗方案設計

學生首先對設備以及元件的型號參數進行初步認識，再通過元件的實際安裝狀況完成對線號分配表的定義；憑借線號分配表設計電路原理圖，檢查精準無誤，設備通電；對設備的運動進行分析，并根據線號表繪制程序流程圖，完成組態設計，并設計相應的PLC程序，來實現程序流程圖。對變頻器參數進行相應的設置，進行PLC程序調試，對PID參數進行調整，完成實驗項目。

3.2 實驗項目設計

對四個實驗項目進行了設計，其中包括恒壓力控制實驗、恒流量控制實驗、恒液位控制實驗、恒溫度控制實驗。

（1）恒壓力控制實驗

利用擴散硅壓力傳感器來獲取供水壓力數據，并使用變頻器控制磁力泵頻率來達到控制供水壓力的目的。利用wincc組態，測試傳感器的功能，以便更好的利用傳感器來完成本次實驗項目。

（2）恒流量控制實驗

利用渦輪流量傳感器獲取供水流量數據，并使用變頻器控制磁力泵頻率來達到控制供水流量的目的，從而更好的滿足實驗項目要求。

（3）恒液位控制實驗

利用擴散硅液位計采集水箱內液位的高度數據，并使用變頻器控制磁力泵頻率來達到控制水箱液位的目的，從而更好的滿足實驗項目要求。

（4）恒溫度控制實驗

利用擴散硅液位計采集中水箱內液位的高度數據，并使用變頻器控制磁力泵頻率來達到控制水箱液位的目的，從而更好的滿足實驗項目要求。

3.3 改進內容

（1）將硬件連接和操作界面設計工作作為實驗內容和過程，使學生在實踐中成長，提升理論知識面的同時，培養學生的動手能力；

（2）將原有PLC控制電機的模擬實驗，改進為實際控制實驗，實現控制對象由無到有的轉換，更直接的展示實驗結果，提升教學效果的同時，讓學生將理論知識運用到實際工程應用當中；

（3）將原有彼此獨立的實驗整合為綜合性設計實驗，增強聯系性，將傳感器、運算單元、執行機構統一起來，加深學生對實驗的認識理解，提高學生綜合運用知識的能力。

（4）根據不同的難易程度，在完成必修學時的基礎上，學生可以根據自己的情況，選擇不同層次的實驗內容，依托現有實驗平臺進行拓展項目設計，培養學生創新能力。

（5）依托實驗平臺，開展基于項目學習（Project-based learning）的實驗教學方法，結合工程實際或者科研課題，針對實驗研究的對象，依據實驗要求來完成實驗方案的設計和選取，且對選取的實驗方案進行檢驗，實驗的軟件部分和硬件部分均需學生參與，學生編制部分實驗軟件，并且對實驗裝置的硬件系統完成集成調試，獨立完成實驗的現場測試，并進行后期的數據采集和分析。

4 實驗方法和手段

（1）實驗中所用主要儀器設備

本實驗設計所用的主要設備包括：計算機、變頻器、繼電器、液位變送器、溫度變送器、流量變送器、磁浮球液位開關、水箱、PLC、管路、磁力泵、調節閥、電磁閥等。

（2）實驗與操作方法

本實驗中所有的實驗項目，主要由學生自己獨立動手完成，包括開始的方案設計以及選取、方案合理性的驗證、實驗界面的設計、實驗軟件的設計、實驗硬件的調試、實驗過程的分析、實驗數據的整理。

（3）實驗方法與手段的改進

①實驗過程的連貫性

本實驗由4個緊密相連的實驗組成，改變了原有單獨實驗的設置，變獨立實驗的“點”為“線”，實現實驗過程的前后串聯。

②緊扣教學，并將不同課程教學內容有機結合

該實驗設計，包含了《控制工程基礎》、《機電系統計算機控制》和《智能傳感器》的內容，將課程教學內容體現于一個實驗中。

③實驗報告區分度高

在本次實驗中，首先由學生自己設置電路圖，自己設計操作窗口界面，在后續實驗內容的設置上，實驗結果受操作水平、實驗參數的影響，必然導致實驗數據區分度較大，可以做到每個學生能根據自己的實驗結果自行分析的原因，避免實驗報告的重復性的同時，提高每個學生數據分析的能力。

④變驗證性實驗為探究性實驗

此次實驗不再是單純的驗證性實驗，實現了由驗證性實驗到探究性實驗的轉變。從直接對結論的驗證轉變為方案的獨立設計與檢驗，在實驗過程中，學生可對實驗軟硬件部分進行研究，例如硬件連接、硬件系統的集成調試、操作窗口設計、軟件編程等，包括結果的獨立后處理過程，這都是考察學生對問題的探究及綜合分析能力，在學習專業知識的同時，拓展思維，提高創新能力和實踐能力。

5 實驗要求

（1）實驗準備要求

①明確實驗目的，了解實驗所需儀器設備的使用方法，提前掌握PLC編程語言和Win CC編程語言；

②掌握元器件特點及功能要求；

③掌握PID控制方法，了解PID算法對控制系統的適應性[4]；

（2）實驗過程要求

①進行壓力、流量等控制時，對壓力實際值與設定值曲線的差值變化情況進行仔細觀察，并注意超調量和震蕩情況，針對于實際的工作情況對PID參數進行調整。當實驗系統達到平穩狀態，對系統突然添加階躍擾動，并觀察系統的輸出響應曲線是否滿足要求，如不符合預期情況，便對PID參數再次進行調整，以此類推，反復調整PID的參數，直至系統動態性能指標滿足要求。

②進行恒液位控制時，為了防止水箱內有水溢出，要隨時觀察水箱情況。與此同時，對于手動控制和自動控制這兩種方式，需要注意區分它們的特點和具體的設置方式。

③進行恒溫度控制實驗，加熱時嚴禁對加熱器進行干燒，以免加熱器損壞。加熱溫度設定不要超過50℃，溫度過高有可能造成燙傷。

（3）實驗結果要求

①記錄設備參數（設定值、P值、I值、D值）及趨勢曲線；

②記錄實現相關控制的時間；

③分析PID控制時的參數調節方法。

6 結束語

本探究性實驗不僅可以滿足教學目標的要求，完成實驗項目的設計，還可以合理開發利用[3]，調動學生的積極性，發揮學生的創造性。經過本探究性實驗的學習，學生可以更深入的了解典型的計算機控制系統，掌握其各組成部分的特點，對傳感器的工作機理以及應用領域有更廣泛的認識，熟悉機電系統機算機控制目標的過程，其中包括信號的檢測和處理、運算部件的運算處理、執行構件的驅動；掌握PLC、安全配線、組態、電氣調試、管路搭建、變頻調速、可控硅調壓控制的同時，對流體過程控制傳感器的配線、信號轉換、變送、采集、PID控制和組態控制方法有了充分的認識；掌握PLC的語言特點以及其建立連接的方式，對 STEP-7和Win CC軟件的編程完成了初步掌握，為從事機電控制科研或者開發崗位打下實踐基礎，培養學生實際動手能力和發散思維。