机电控制探究性实验设计

张辛，房东辉，姜浩，吴宝贵

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛，266580）

0 引言

机电系统计算机控制是机械设计制造及其自动化专业的核心课程，课程内容包含变频器、可编程序控制器等较多元器件和专业知识，与其他课程相比，此课程的教学内容更加繁琐，学生对于知识点的吸收理解也相对困难。为了充分解决这个问题，就需要整合多个实验环节，设计一个完整的控制实验项目，使学生能够直观并深刻的了解机电系统的控制原理和控制方法，在调动学生积极性的同时，提高教学效率，实现由难到易的转变。同时，进行探究性实验设计，可以帮助学生将不同专业课知识进行串联整合，培养学生的工程意识和解决实际问题的能力。

1 实验现状

1.1 目前开设实验项目

我校《机电系统计算机控制》课程有40学时，其中6学时实验，目前开设的实验项目有三个：“继电器控制电机”、“变频器控制电机”和“PLC控制电机”。

（1）继电器控制电机

通过对接线端子、自动空气开关、交流接触器、中间继电器和选择按钮的基本构造及其控制应用进行认识，充分理解借助继电器使电动机完成启动、停止、正反转动作的基本方法。掌握异步电动机基本控制电路的连接方式；实验中需要的仪器为继电器、变频器和电动机等。

（2）变频器控制电机

通过变频器操作面板和变频器接线端子均可实现对电机的控制。可以通过变频器操作面板进行电机启动、停止以及各种信息和数据的显示；通过对变阻器和选择开关与变频器接线端子的正确连接，也可以使电机实现预期动作。通过学习，掌握借助变频器操作面板和接线端子使电动机完成启动、停止、正反转动作的基本方法，实验中需要的仪器为继电器、开关、电位器、变频器和电动机等。

（3）PLC控制电动机

学习PLC编程方法的特点以及建立连接的方式，了解借助PLC来控制电动机进行各种动作的基本方法，例如电动机的启动、停止、正反转、延时启停。实验中需要的仪器为PLC、电脑、软件STEP-7等[1]。

1.2 存在的问题

目前开设的三个实验项目虽然相对简单，但仍存在学时规划不合理的情况，三个实验项目总计学时占课程总学时的15%，这就导致学生操作实验设备的时间不足，对实验课程内容不能有深入的了解，以至于不能充分调动学生的积极性，容易使学生低估实验课程的重要程度，在这种情况下，短时高效就显得尤为重要，在有限的时间里让学生对知识理解更深刻[5]。在继电器控制电机、变频器控制电机、PLC控制电机三个实验中，尤其是PLC控制电动机实验，仅仅使用PLC来进行模拟控制，没有控制对象，学生实验时只能通过观察输出指示灯来确定程序的运行，无法更直观展示实验效果。因此，本探究性实验通过设计实验平台，将控制系统、控制对象整合在一起，开设多个实验，不同实验可以连贯开展，实验内容多样，实验现象较为直观，能够获得更好的实验效果，以激发学生的兴趣。

2 实验设计原理

机电系统的控制基本结构主要由三部分组成,即传感器、运算单元和执行机构,被控对象的相关信息可以通过传感器进行获取，获取的各种物理信号通过传感器变换成系统识别的电信号。机电控制系统的关键是运算单元，例如计算机、继电器、液压元件等，不同的运算单元可以表现出不同的控制方式。机电控制系统中将其他能量转化为机械能的部分为执行机构，例如伺服电机、液压马达等。借助不同的传感器和执行元件来完成对各种物理量的控制，例如压力、流量、温度等。PLC自动控制是基于可编程序控制器的原理，在现有实验平台基础上，根据被控对象，将PLC、控制模块、执行模块、上位机界面、变频器等串联在一起。PLC控制输入的通电和断电，对被控对象进行控制和存储。上位机通过串口接收数据、运行程序，下位机通过程序控制执行机构完成实验。

2.1 实验目的

（1）熟悉典型的计算机控制系统基本组成部分，即传感器、运算单元和执行机构的特点。重点了解运算单元包括继电器、液压元件、气压元件和计算机等不同类型运算单元的控制特点。

（2）掌握PLC、安全配线、组态、电气调试、管路搭建、变频调速等的同时，重点掌握流体过程控制传感器的配线、信号转换、变送、采集、PID控制和组态控制方法。

（3）掌握STEP-7、Win CC软件编程，掌握PLC连接建立方法，运用图形编辑器设计界面，组件控制操作窗口。

2.2 实验改进内容主要有

（1）原有实验项目为独立项目，并且前期实验设备、仪器连接等过程由指导教师完成，改进后要求大家在现有实验教学平台的基础上，自行完成开关启停、阀门开闭等操作过程，实现实验切换，掌握基本的仪器连接和硬件使用；

（2）原有实验界面设计、实验安排等由指导教师前期完成，改进后要求大家在明确实验项目的前提下，自行完成实验操作窗口设计和实验项目布局；掌握PC Access中建立项目的方法；

（3）在原有实验内容的基础上，掌握PLC编程、Win CC软件编程的基本方法。

3 实验设计内容

3.1 实验方案设计

学生首先对设备以及元件的型号参数进行初步认识，再通过元件的实际安装状况完成对线号分配表的定义；凭借线号分配表设计电路原理图，检查精准无误，设备通电；对设备的运动进行分析，并根据线号表绘制程序流程图，完成组态设计，并设计相应的PLC程序，来实现程序流程图。对变频器参数进行相应的设置，进行PLC程序调试，对PID参数进行调整，完成实验项目。

3.2 实验项目设计

对四个实验项目进行了设计，其中包括恒压力控制实验、恒流量控制实验、恒液位控制实验、恒温度控制实验。

（1）恒压力控制实验

利用扩散硅压力传感器来获取供水压力数据，并使用变频器控制磁力泵频率来达到控制供水压力的目的。利用wincc组态，测试传感器的功能，以便更好的利用传感器来完成本次实验项目。

（2）恒流量控制实验

利用涡轮流量传感器获取供水流量数据，并使用变频器控制磁力泵频率来达到控制供水流量的目的，从而更好的满足实验项目要求。

（3）恒液位控制实验

利用扩散硅液位计采集水箱内液位的高度数据，并使用变频器控制磁力泵频率来达到控制水箱液位的目的，从而更好的满足实验项目要求。

（4）恒温度控制实验

利用扩散硅液位计采集中水箱内液位的高度数据，并使用变频器控制磁力泵频率来达到控制水箱液位的目的，从而更好的满足实验项目要求。

3.3 改进内容

（1）将硬件连接和操作界面设计工作作为实验内容和过程，使学生在实践中成长，提升理论知识面的同时，培养学生的动手能力；

（2）将原有PLC控制电机的模拟实验，改进为实际控制实验，实现控制对象由无到有的转换，更直接的展示实验结果，提升教学效果的同时，让学生将理论知识运用到实际工程应用当中；

（3）将原有彼此独立的实验整合为综合性设计实验，增强联系性，将传感器、运算单元、执行机构统一起来，加深学生对实验的认识理解，提高学生综合运用知识的能力。

（4）根据不同的难易程度，在完成必修学时的基础上，学生可以根据自己的情况，选择不同层次的实验内容，依托现有实验平台进行拓展项目设计，培养学生创新能力。

（5）依托实验平台，开展基于项目学习（Project-based learning）的实验教学方法，结合工程实际或者科研课题，针对实验研究的对象，依据实验要求来完成实验方案的设计和选取，且对选取的实验方案进行检验，实验的软件部分和硬件部分均需学生参与，学生编制部分实验软件，并且对实验装置的硬件系统完成集成调试，独立完成实验的现场测试，并进行后期的数据采集和分析。

4 实验方法和手段

（1）实验中所用主要仪器设备

本实验设计所用的主要设备包括：计算机、变频器、继电器、液位变送器、温度变送器、流量变送器、磁浮球液位开关、水箱、PLC、管路、磁力泵、调节阀、电磁阀等。

（2）实验与操作方法

本实验中所有的实验项目，主要由学生自己独立动手完成，包括开始的方案设计以及选取、方案合理性的验证、实验界面的设计、实验软件的设计、实验硬件的调试、实验过程的分析、实验数据的整理。

（3）实验方法与手段的改进

①实验过程的连贯性

本实验由4个紧密相连的实验组成，改变了原有单独实验的设置，变独立实验的“点”为“线”，实现实验过程的前后串联。

②紧扣教学，并将不同课程教学内容有机结合

该实验设计，包含了《控制工程基础》、《机电系统计算机控制》和《智能传感器》的内容，将课程教学内容体现于一个实验中。

③实验报告区分度高

在本次实验中，首先由学生自己设置电路图，自己设计操作窗口界面，在后续实验内容的设置上，实验结果受操作水平、实验参数的影响，必然导致实验数据区分度较大，可以做到每个学生能根据自己的实验结果自行分析的原因，避免实验报告的重复性的同时，提高每个学生数据分析的能力。

④变验证性实验为探究性实验

此次实验不再是单纯的验证性实验，实现了由验证性实验到探究性实验的转变。从直接对结论的验证转变为方案的独立设计与检验，在实验过程中，学生可对实验软硬件部分进行研究，例如硬件连接、硬件系统的集成调试、操作窗口设计、软件编程等，包括结果的独立后处理过程，这都是考察学生对问题的探究及综合分析能力，在学习专业知识的同时，拓展思维，提高创新能力和实践能力。

5 实验要求

（1）实验准备要求

①明确实验目的，了解实验所需仪器设备的使用方法，提前掌握PLC编程语言和Win CC编程语言；

②掌握元器件特点及功能要求；

③掌握PID控制方法，了解PID算法对控制系统的适应性[4]；

（2）实验过程要求

①进行压力、流量等控制时，对压力实际值与设定值曲线的差值变化情况进行仔细观察，并注意超调量和震荡情况，针对于实际的工作情况对PID参数进行调整。当实验系统达到平稳状态，对系统突然添加阶跃扰动，并观察系统的输出响应曲线是否满足要求，如不符合预期情况，便对PID参数再次进行调整，以此类推，反复调整PID的参数，直至系统动态性能指标满足要求。

②进行恒液位控制时，为了防止水箱内有水溢出，要随时观察水箱情况。与此同时，对于手动控制和自动控制这两种方式，需要注意区分它们的特点和具体的设置方式。

③进行恒温度控制实验，加热时严禁对加热器进行干烧，以免加热器损坏。加热温度设定不要超过50℃，温度过高有可能造成烫伤。

（3）实验结果要求

①记录设备参数（设定值、P值、I值、D值）及趋势曲线；

②记录实现相关控制的时间；

③分析PID控制时的参数调节方法。

6 结束语

本探究性实验不仅可以满足教学目标的要求，完成实验项目的设计，还可以合理开发利用[3]，调动学生的积极性，发挥学生的创造性。经过本探究性实验的学习，学生可以更深入的了解典型的计算机控制系统，掌握其各组成部分的特点，对传感器的工作机理以及应用领域有更广泛的认识，熟悉机电系统机算机控制目标的过程，其中包括信号的检测和处理、运算部件的运算处理、执行构件的驱动；掌握PLC、安全配线、组态、电气调试、管路搭建、变频调速、可控硅调压控制的同时，对流体过程控制传感器的配线、信号转换、变送、采集、PID控制和组态控制方法有了充分的认识；掌握PLC的语言特点以及其建立连接的方式，对 STEP-7和Win CC软件的编程完成了初步掌握，为从事机电控制科研或者开发岗位打下实践基础，培养学生实际动手能力和发散思维。