控制实验（共12篇）
控制实验 篇1
1 引言
《计算机控制技术》课程在自动化专业教学计划中是一门重要的专业课。其主要任务是使学生获得计算机控制系统的组成、原理、设计等基础知识和基本应用技术。实验课是本课程重要的教学环节,其目的是使学生在了解计算机控制系统的基本控制方法的基础上,掌握用C语言程序设计控制系统的方法。培养学生独立进行计算机控制系统实验的技能,从而使学生掌握计算机控制系统的一般工程设计方法。
作为一门工程性很强的自动化专业课程,一直以来在我系微机原理实验室做计算机控制技术实验内容显然不行[1]。因此,从2002年初起,我系开始计划筹建计算机控制技术专业实验室。在筹建的过程中,我系对国内很多大学正在使用或市场上销售的计算机控制实验装置进行了考察,结果发现它们在实验教学功能上普遍存在两点不足:一是实验内容陈旧;二是不能体现工业控制计算机在实际工程应用中的特点。最终未能找到合适的面向自动化专业工程实际的计算机控制实验教学装置。2003年3月,我系该项目负责人决定自主设计计算机控制实验内容并开发相应的实验装置。经过多次对实验内容及样机进行修改后,批量生产1 7台计算机控制技术实验装置装备我系计算机控制技术实验室,2004年10月首次用于2000级自动化专业本科生的计算机控制技术课程实验教学,学生普遍反映实验内容工程性强,实验教学效果良好[2]。
2 实验内容的设计
对于工业控制计算机作为计算机控制系统的核心来说,首先在实验教学中应体现其作为工业控制器的特点,只有这样,才能让学生充分理解工业控制计算机的硬件特性和功能[3]。其次,要面向自动化专业的学生,将实验内容与工程实际结合起来,以提高学生的学习兴趣,培养学生的工程意识。此外,考虑到学生做计算机控制技术实验时已经具有微机原理、单片机等很多课程实验的基础,实验内容的难度要适当提高,以综合设计性实验为主,提高学生的创新能力。根据教学计划,计算机控制技术实验共6个学时,学期末有为期一周的计算机控制技术课程设计,实验室对全校学生实行全开放型预约实验。
2.1 实验装置熟悉及I/O通道实验
计算机控制技术实验装置采用积木式结构、使用非常方便。第一次实验开始时首先由实验教师向学生介绍实验装置功能,然后学生花很短时间熟悉实验装置并重点掌握基本输入输出通道的功能。I/O通道包括8路数字量输入、8路数字量输出、4路模拟量输入和2路模拟量输出。学生在掌握板卡常用功能的基础上,使用C语言程序编写初始化pcl812板卡子程序(其功能是初始化pcl812板卡,设置pcl板卡数据读取方式,设置中断计数器)和初始化中断及中断服务子程序。并由定时器中断触发启动A/D转换,实现对外部开关信号、模拟量等进行采集。由于工业控制计算机的I/O通道功能比较好理解,且与单片机相应功能类似,学生通常都能较好地掌握,从而达到实验目的。
2.2 滤波实验
计算机控制系统在生产现场运行,信号的采集、转换必然受到生产现场各种强烈的干扰,如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等造成的干扰都会窜入I/O通道,轻则使采集的信号不精确,重则使系统无法正常运行[4]。
为了提高计算机控制系统的可靠性,在系统设计时必须采取多种抗干扰措施。如果在实验教学中不安排I/O通道抗干扰方面的内容,对于学生真正掌握计算机控制系统的组成和特点都不利。常用的抑制串模干扰的方法有两个:一个是根据干扰信号的特性来选择模拟输入滤波器;另一个是采用数字滤波技术,例如可采用平均值法、中值法、一阶惯性滤波等算法滤去干扰信号[1]。相比较而言,数字滤波器能够更好的帮助学生理解计算机控制系统的特点。学生实验时,要求先读懂加有详细注释的板卡初始化及中断子程序,然后参考校编《计算机控制技术实验指导书》中关于实现数字滤波器的介绍,分析数字滤波算法的程序框图,要求学生自行编写各种数字滤波算法程序,再输入A/D通道采集的混合信号,验证数字滤波器的滤波效果。本次实验主要是让学生熟悉数字滤波器的实现方法,认识工业控制计算机的硬件特性,理解板卡的有关驱动程序及板卡设置等都有很大的帮助。因为实验室是全开放的,对于学有余力或有兴趣的学生,还可以加做其他高级滤波算法的实验,自行设计数字滤波器系统传递函数并编程实现数字滤波器。
2.3 数字PID算法实验
本次实验要求学生根据被控对象的传递函数,设计被控对象的控制器传递函数。采用P I D位置式递推算式、PID增量式递推算式、防积分饱和PID控制算法实现对被控对象的控制。根据PID控制对象的参数整定方法,确定P、I、D参数。通过连线使学生对计算机控制系统的结构有整体认识。
学生在做实验时,把产生带有高频噪声干扰的有用信号,让其通过模拟低通滤波器之后,将滤波器输出作为闭环系统的给定输入并经模拟量输入通道一进行数据采集。模拟对象输出作为单位负反馈信号并经模拟量输入通道一进行数据采集。当板卡采集到给定和反馈信号后,要求学生调用自编的PID控制算法子程序,根据采样时刻的偏差值计算控制量。控制量通过模拟量输出通道1输出加到模拟对象的输入端对其进行闭环控制,并调用编写的显示图形子程序,将控制结果及参数实时显示出来。总而言之,前三次实验内容,既是相互独立的,又是相互关联的。通过前三次实验,加强学生对使用板卡进行数据采集过程的理解,为将工业控制计算机用于计算机控制系统工程实际打下一定基础。
2.4 综合设计实验
工业控制计算机在工业控制中的应用非常广泛。它可应用于电机控制、温度控制等系统中,也用于随着现代大型工业生产自动化的发展和过程控制要求的日益复杂而产生的集散控制系统中。由于工业控制计算机在工业生产中的实际应用系统通常较为复杂,而实验教学的课时又非常有限。要想在有限的实验教学课时内设计出真正的实用系统是不现实的。因此,从工程实际应用系统中抽取“工业控制计算机控制直流伺服系统设计”、“工业控制计算机控制温度控制系统设计”、“工业控制计算机控制集散控制系统设计”等综合设计性实验。这些实验,既能体现工业控制计算机的优越性,接近自动化专业学生今后工作的工程实际,又可以在时间内完成。通过学期末课程设计开设的综合设计性实验内容,加强学生对工业控制计算机在工程实际中应用的了解,培养学生的工程兴趣,提高学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。综合设计性实验要求有多个实验题目。每个自然班被分成若干组,每组2～3人。前三次实验内容使用的挂箱,在综合设计性实验中多数可以直接调用,这样既让学生明白前几次实验内容的工程价值,又减少在综合实验中所花的时间。学生在一周的课程设计时间里,基本上能够完成一个综合设计性实验。
3 实验装置的研制
为了满足自动化专业实验教学内容的要求,研制了一套计算机控制技术实验装置。同时根据课程设计内容的需要,配套设计了一些典型控制对象,如自制直流机组、电烙铁等。台湾研华公司生产的研华原装工业控制计算机,IPC-610L是专门为工业控制系统而设计的,在工业电脑和自动化市场中应用非常广泛。我系计算机控制技术课程选择工业控制计算机作为教学机型,因此本实验装置研华原装工业控制计算机进行开发。
3.1 研制的指导思想
(1)便于综合性、设计性实验的实现。设计性及综合性实验是提高学生创新能力的重要手段[5]。计算机控制技术实验装置具有多功能性,输入输出接口功能较强,便于综合性、设计性实验的实现。
(2)便于开放式实验教学。计算机控制技术实验装置采用积木式结构,操作方便,安全性好,便于开放式实验教学的实行。
(3)实验教学面向工程实际。注重贯彻实验教学面向工程实际的思想。结合所设计的实验教学内容,使学生明白工业控制计算机在自己毕业以后实际工作中的用途及使用方法,从而培养学生的工程兴趣,提高实验教学效果。在计算机控制技术实验装置研制之初,就制定了上述几个指导思想,研制过程中,经过对样机多次改进,最后用于学生实验的实验装置,也基本上体现了这样的指导思想。
3.2 装置的基本功能
本实验装置由工业控制计算机、U N I T 1～U N I T 4挂箱及典型控制对象模型组成。工业控制计算机是实验装置的核心部件,在工业控制计算机中还有两块ISA接口的板卡PCL-812PG和PCL-833。PCL-812PG板卡是包含有A/D、D/A、DI、DO等功能的综合板,插在ISA10插槽中;PCL-833板卡用来对光电编码器的脉冲进行计数,插在ISA7插槽中。
UNIT1～UNIT4的每个挂箱只要拔掉后面的插头即可方便地拆下,各挂箱之间可灵活组合、操作方便、直观、用途广泛。U N I T 1面板包括电源控制、信号源和通道实验三个部分。其中信号源部分包括噪声源、阶跃信号源和混合电路,噪声源通过UNIT1挂箱内印制电路板上的拨码开关切换输出脉冲噪声或均匀噪声。阶跃信号源可以通过手动调节电位器提供-10～10V的直流输出,并可通过乒乓开关控制直流电源的通和断提供阶跃输入信号。混合电路是两路同相相加电路。通道实验部分包括8路数字量输入、8路数字量输出、4路模拟量输入和2路模拟量输出。
UNIT2挂箱的主要功能是完成滤波实验和数字PID算法实验。包括模拟滤波电路、数字滤波电路和模拟对象电路三部分。模拟滤波电路图如图1所示。
在UNIT2挂箱中的数字滤波电路只是一个示意图,并无实际电路。在示意图上标注说明滤波输入经A/D通道1进入工业控制计算机,滤波输出经D/A通道1从工业控制计算机输出,并将2路通道与I/O接口电路相连。学生实验时,只要按要求把混合信号插入指定的A/D通道端口即可观察滤波效果。模拟对象电路主要有运算放大器和若干电容、电阻组成。学生做实验时可通过UNIT2挂箱面板上的乒乓开关选择一阶或二阶模拟对象。各模拟对象的电路原理图如图2所示。
与图2模拟对象对应的传递函数为:
U N I T 3主要用于完成电机位置控制和转速控制实验,附加集散控制系统实验示意图。电机控制原理图如图3所示。电机位置控制实质是构成一个位置环,输入脉冲序列和反馈脉冲序列产生位置误差脉冲序列信号,误差脉冲序列信号加到驱动板上,以H型双极可逆P W M方式驱动直流伺服电机低速高转矩转动,到达期望位置。图3中的A/D和D/A均通过PCL-812PG板卡实现,脉冲板指插在工业控制计算机ISA10插槽中的PCL-833板卡。驱动板在UNIT3挂箱内部,它是H型双极可逆PWM驱动系统。增量式光电编码器每圈可输出1024个A相和B相脉冲和1个零位脉冲,A、B相脉冲信号的相位差为90度。三个脉冲信号均为差分信号,输入到PCL833脉冲板进行脉冲计数。学生实验时可直接将给定信号连接到UNIT1挂箱面板上对应的A/D通道,工业控制计算机通过D/A通道输出控制电压,当控制电压为-10～10V时,驱动板所输出的电枢电压能让自制的直流电机组的转速在-1500～1500转/分内变化。这样的设计主要是考虑到学生毕竟是在做计算机控制技术实验,应将训练的重点放在控制算法的掌握上,尽量减少学生在其它设计和调试中所花的时间。同时,将实验装置的电路原理图附在实验指导书的后面,供学生学习参考用。
集散控制系统实验在UNIT3挂箱内并无实际电路。集散控制系统采用工业以太网卡和TCP/IP协议构成的现场总线,现场总线将上位机和下位机连接起来,组成集散控制系统[6]。下位机的数据传输线通过集线器与上位机交换数据。实验软件分为两部分:上位机上有集散控制系统的监控界面,在Windows2000下的组态王6.5软件中运行;下位机是现场数据采集界面,也运行于组态王6.5环境下。集散控制系统实验结构图如图4所示。
U N I T 4主要用于完成温度控制实验及实验装置的显示任务。温度控制原理如图5所示,在温度控制中,ADAM4016是关键元件。A D A M 4 0 1 6发出三路开关信号去控制三个固态继电器,固态继电器通过控制交流电源的通断去控制发热体的实际功率,发热体是由三个20W的烙铁头紧箍在一起组成。温度传感器是Pt100。温度信号由一体化变送器变成电流信号0～2 0 0℃对应4～20mA。变送器还可实时地显示发热体的温度。实验装置采用三星15英寸液晶显示屏显示实验结果。
根据综合设计性实验的需要,设计了相应的典型控制对象模型,例如自制直流机组和发热体。这些控制对象模型与工程实际中的系统特性相似,只是体积小一些,辅助电路简化了一些。学生实验时,可以在实验装置上根据需要搭接不同挂箱,并通过输入输出通道将这些控制对象与计算机控制系统相连。
4 结束语
计算机控制技术实验装置如图6所示,已通过学校专家的鉴定,专家一致认为该实验装置以工业控制计算机为核心,采用积木式结构,按实际工业控制系统标准设计,使用方便,实验内容丰富,有助于提高学生的动手能力、工业控制计算机的使用能力和软件编程能力,全面提高学生对计算机控制技术的应用水平,并给教师和研究生提供了一个科研及产品开发的平台,其综合设计思想先进,目前已达到国内领先水平。
参考文献
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控制实验 篇2
标准实验报告
（实验）课程名称：过程控制系统
学生姓名：学号：指导教师：庄朝基
实验地点：清水河主楼 C2-110
实验时间：2011年11月
实验报告
一、实验室名称：智能控制实验室
二、实验项目名称：
三、实验学时：
四、实验原理：
五、实验目的：
六、实验内容：
七、实验器材（设备、元器件）：
八、实验步骤：
九、实验数据及结果分析：
十、实验结论：
十一、总结及心得体会：
初中生物实验的课堂控制 篇3
关键词：实验 初中生物 控制
学生实验是指上课时在教室或实验室里，在教师的指导下学生独立操作而进行的实验。学生实验课是“动”起来的课堂，更有利于培养学生的实验操作技能、绘图技能和各种能力，并更能激发学生的学习兴趣和发挥学生的主动性、创造性。因此，教师在学生实验课中做好组织、控制工作是非常重要的。
一、实验课前的准备工作
做好实验前的准备是上好实验课的基本保证。每次实验课都必须做好以下几方面的准备工作：
1.编写实验课教案
根据教学大纲和课本的要求，结合本校实际条件，具体确定实验的目的、要求和内容；明确通过实验应该使学生获得的知识和技能；确定实验作业的内容和形式等等。
2.做好实验器材的准备
生物学实验材料受到地区性、季节性的限制，有的必须预先采集或浸制，有的需要经过一定时间的培养等等。所以，在制订学期教学计划时，必须要对全程教学中需要的实验材料有一个全盘的计划和安排，规定出具体日程，及时采集、购买、浸制或培养，以保证实验课有充足的、合适的实验材料。此外，对实验中的仪器设备和药品也必须做好准备。
3.做好预试
预试是教师在实验课前，根据实验课教案和准备好的器材、药品进行预备实验。通过预试，确定选用哪种材料、哪种方法的效果最显著；哪些操作观察比较困难而必须加以具体指导；配制的药品是否适用；实验的分量和时间安排是否适当，由此来更好地安排教学进度等等。教师要根据预试的情况，对实验课教案加以必要的修改和调整，以提高实验课的质量。
4.学生分组和培养小组长
根据实验条件和实验内容的实际情况，把学生分成实验小组，并固定好在实验室的座位，指定对生物有兴趣、学习认真努力、纪律性强和工作负责的学生担任小组长。为了在实验中充分发挥小组长的助手作用，减轻教师的指导负担和提高实验课的质量，可以在实验前利用课外时间培训小组长，让他们事先熟练地掌握实验内容和方法，以便在实验课时，能起到“小教师”的作用。
5.布置预习或复习实验教材
每次实验课前，都要布置学生预习或复习实验教材和有关的知识内容，让学生明确实验的目的、步骤、方法、使用的仪器药品等等，以保证能顺利地进行实验，提高实验课的效果。
二、实验课中的组织和控制
1.培养学生良好的实验习惯
实验课秩序混乱，常常是由于学生对实验器材的好奇心和没有养成良好的实验习惯而引起的。因此，在学生进入中学进行第一次生物学实验时，必须说明实验室守则和实验规则，要求学生严格遵守。
2.进行适当形式的讲解、示范
教师亲手示范传授规范的操作要领，这是动作技能形成的条件，也是实验成功的关键环节。因此，在学生开始实验前，教师简要明确的讲解和必要的示范是十分重要的。教师在讲解或示范操作方法时，必须指出哪些方法是正确的，哪些方法是不正确的，以及可能发生的问题，正确的实验结果等。
3.规定好学生的工作
有时候，有些学生在实验中没有工作可做而“无事生非”。每个实验小组的人数太多，实验器材太少，实验被个别学生所“包办”了，大多数学生袖手旁观，违反纪律的现象就会发生。因此，适当的分组和规定好学生的工作是十分重要的。如果实验材料少、设备不够，需要轮流操作时，要安排好操作的顺序和时间，并规定好未轮到操作的学生的具体工作。如，先完成《实验报告册》、绘图、填图等；若有多项实验，可安排交错进行，并规定好交换的时间和顺序，使实验进程在有组织、人人有工作做的情况下进行，用具体任务把学生“管”和“框”起来。
4.对实验过程的指导和调控
在学生实验过程中，教师主要是巡视、具体指导和维持纪律，在发现有共同性问题时，可暂停全班实验，进行集体辅导。教师在巡视中发现学生操作有错误或要领没有掌握时，应该诱导启发学生自己纠正，不能包办代替。这样，既发挥了学生的主动性和积极性，又锻炼了学生独立工作的能力，能有效地提高实验效果。再有，巡视中发现态度不认真、偏离实验目的、影响他人实验的行为等情况要立刻制止，加以教育，以免造成课堂混乱，影响实验进程。
总之，在学生实验课中教师要做好组织、调控工作，充分发挥教师的主导作用、学生的主体作用，引起教与学双方的同步反应，实现实验教学效果的最优化。
参考文献：
［1］周美珍，郑鸿霖，张代芬．中学生物学教学法．北京：高等教育出版社，1991．5．
定向断裂控制爆破实验研究 篇4
关键词：定向断裂控制爆破,素混凝土,成缝机理,装药结构,爆破效果
定向断裂控制爆破的实验研究方法有很多种, 比如动光弹技术、动云纹法、动焦散技术、高速摄影技术、脉冲全息干涉技术, 通过这些研究取得了不少的成果。但是, 这些实验都是在有机玻璃和树脂材料上进行的, 由于所选模拟材料与岩石性质和结构有较大差异或测量条件的局限性, 对岩石这类脆性材料内部在爆破瞬间表现出来的动态应变和爆破后形成的损伤情况提供不了参考信息。为此选用模拟岩石性质比较合适的水泥素混凝土模型进行测量, 以了解爆炸高压射流条件下混凝土的动态响应以及混凝土在爆破前后的损伤变化, 借此对爆炸高压水射流作用的破岩机理进行初步分析, 同时得出炮孔含水时一个比较好的定向断裂控制爆破装药结构, 为研究岩石爆破破坏机理提供参考[1,2,3,4]。
1实验方案
1.1实验材料
(1) 炸药:选用单质黑索金, 其主要性能参数为:爆力500 mL, 猛度16 mm, 爆速8 300 m/s, 爆热5 350 kJ/kg。
(2) 引火药头、黄油、电烙铁、松香、有机溶剂、砂纸。
(3) 混凝土试块和小试块:单孔试块尺寸为500 mm×400 mm×200 mm, 双孔试块尺寸为600 mm×400 mm×200 mm, 三孔试块尺寸为400 mm×400 mm×270 mm。小试块尺寸为70 mm×70 mm×70 mm。试块的配比为1∶2.5∶0.6 (水泥∶砂∶水) , 所用的水泥标号为复合PC32.5水泥, 在实验室制作养护28 d。对小试块进行力学性质实验, 得出的实验模型的力学参数见表1。
1.2试块尺寸
(1) 宽度。
根据《龙滩水电站右岸导流洞开挖中爆破损伤范围研究》提出的损伤范围计算公式, 确定模型宽度为40 cm。
(2) 长度。
在保证使用需要的前提下, 应尽量减少个体模型的质量, 故长度取50 cm。
(3) 高度。
根据装药长度确定, 试炮单孔药量取1～ 2 g, 装药的胶管半径分别为4, 5, 6 mm, 装药密度取为1.0～ 1.2 g/cm3。各参数分别取极值, 以使装药长度最大, 则装药量取2 g, 装药半径取为4 mm, 装药密度取为1.0 g/cm3, 由此计算得装药长度为5 cm, 堵塞长度为12 cm (6 cm×2) , 合计为17 cm, 实际取20 cm。
1.3装药结构
根据前人研究的成果和理论分析, 结合非爆破方式破岩 (高压水射流) 和爆破方式破岩的研究方法和相关理论, 考虑加入水介质条件, 并在综合分析了众多装药结构的基础上, 提出了4种结构设计方案 (图1) , 通过实验室模拟试验分析优化出一种适合含水炮孔条件且定向效果最好的装药结构, 图1中炮孔直径均为32 mm[5]。
2实验效果描述和分析
4种不同装药结构条件下实验效果见表2—表5, 双孔模型和三孔模型爆破效果见表6、表7。
由表2可以看出, PVC管紧贴炮孔壁并在炮孔中灌满水的装药结构能够形成很好的定向作用, 在模型不对称的情况下, 能够在抵抗线大的方向形成贯穿裂纹, 而且裂纹面非常平整, 表面裂纹线几乎是直线, 没有弯曲, 相反在模型短边方向形成的裂纹面不很平整。由此可见, 在定向方向的能量分布占很大优势。特别是从60 cm×40 cm×20 cm的长方体模型中所做的单孔实验来看, 虽然没能在抵抗线大的方向形成贯通, 但是沿着炮孔壁形成了一条宽度为1.5 mm的宏观裂纹, 虽然该裂纹没有能够贯穿模型, 但已经反映出该装药结构在定向方向的能量分布比非定向方向大得多。
由表3可知, 炮孔参数 (缝宽、药径和缝长) 的改变而引起的爆破效果存在不同, 这些参数之间有一个最优组合。首先可以看出, PVC管缝宽在2～ 6 mm内都能形成明显的定向效果。但是, 比较序号为5、6的实验可以发现, 缝宽为4 mm时比6 mm时效果好;比较序号为5、2的实验可以得出, 4 mm时效果比3 mm的效果好。同样, 比较序号为5、6、7的实验可以得出, 药卷半径为5 cm时效果更佳。由此, 在该实验条件下, 最优的组合为缝宽4 mm左右、药卷半径为5 cm左右。
由表4可知, 在装药量较小时, 尽管该装药方式在定向方向能够形成一定的能量优势 (从应变值可以看出) , 但由于定向方向形成的冲量密度没有达到试件开裂的临界冲量密度, 所以在药量为1.2 g和1.5 g时模型依然完好。但当药量增大到2 g时, 模型从短边开裂, 而在定向缝方向的炮孔壁上形成了宽4 mm、长50 cm、深2 mm的冲击痕迹。可见, 虽然爆炸产生的初始冲击在炮孔壁上形成了有利于在定向方向形成开裂的条件, 但是, 模型却没有从定向方向开裂。这是由于在垂直定向方向抵抗线最小, 当药量增大时, 该方向首先形成了开裂。
由表5可以看出, 虽然PVC管和炮孔壁之间的水对模型有一定的保护作用, 从而增强了PVC管的聚能作用, 但是从实验结果来看, 定向开裂效果受PVC管径的影响很大。增大管径有利于形成定向方向的射流。
由表6可以看出, 双孔模型实验主要是为了检验单孔模型所得结论的正确性, 了解双孔同时起爆时两炮孔中心连线上应力波叠加的情况。从实验的效果来看, 只起爆1个炮孔时, 另1个炮孔起到了导向空孔的作用, 1条较细的宏观裂纹贯穿了2个炮孔。在2个炮孔先后起爆时, 即相当于2个独立的炮孔起爆, 两孔之间没有直接的相互影响。后起爆的炮孔在定向方向形成贯穿裂纹, 但裂纹没有通过先起爆的炮孔, 且裂纹线是弯曲的, 裂纹面也不平整, 且在抵抗线较大的情况下, 裂纹的扩展方向受模型内的弱面影响很大, 而在抵抗线较小的情况下, 定向方向较强的聚能作用能有效克服模型中的弱面影响。这说明该装药结构具有明显的控制开裂方向的作用。2个炮孔同时起爆时, 裂纹在两孔之间形成了很好的贯通, 裂纹面也很平整。由此可见, 应力波的叠加作用在双孔同时起爆时对裂纹的贯通影响很大, 这一点在应变的测试结果中也得到了证实。
由表7、图2可以看出, 水耦合、PVC管径20 mm的装药结构取药量3×0.5 g时, 光爆层比较破碎, 可见药量有点大。降低药量为3×0.35 g时, 取得了良好的光爆效果。水不耦合、PVC管径16 mm、装药量为3×0.5 g时, 也取得了比较好的光爆效果, 但是, 药量比前者增加了0.45 g。空气不耦合装药、PVC管径16 mm、药量为3×0.35 g时, 光爆层裂开为3块, 且裂纹面没有前者平整, 这与单孔实验中所见到的现象有所不同, 这是因为在单孔模型中孔径为32 mm, 而在三孔模型中, 孔径仅20 mm, 在二者的装药直径都为10 mm时, 不耦合系数从3.2降为2.0。
3结语
(1) 含水炮孔的装药结构以水耦合结构效果最好, 该装药条件下定向裂纹没有大的弯曲, 且形成的裂纹面比较平整。
(2) 水耦合结构比空气耦合结构在定向方向和垂直定向方向产生的应变都大得多。其形成的损伤值也较其他3种装药结构大。炮孔内加水时应力波比不加水时应力波衰减得慢, 加水时应力波在近区的作用比不加水时明显。
(3) 两炮孔同时起爆时效果最好, 裂纹在两孔之间形成了良好的贯通, 裂纹面也很平整。
(4) 三孔模型的光面爆破实验中, 炮孔内装满水、PVC管径为32 mm的装药结构在同药量时 (如每孔0.5 g) , 该装药结构所引起的损伤值比较大, 但是, 由于其在定向方向具有更好的聚能效果, 所以降低炸药量 (如每孔0.35 g) 时同样能起到较好的爆破效果, 而此时损伤值是最低的。
参考文献
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现代控制理论实验报告 篇5
称:《现代控制理论基础》
题
目:状态空间模型分析 院
系:控制科学与工程学院
班
级:＿__
学
号:＿_
学生姓名:__＿___
指导教师:______＿
成绩:
日期: 20１7 年 4 月 1５日
线控实验报告
一、实验目得: :
l。加强对现代控制理论相关知识得理解;2、掌握用 matlaｂ 进行系统李雅普诺夫稳定性分析、能控能观性分析;二、实验内容
第一题:已知某系统得传递函数为
求解下列问题:(1)用 mａtlab 表示系统传递函数
ｎum＝［1];
dｅn＝［1 3 2];
sys=ｔf(num,dｅn);
ｓys1=zpｋ([],[-１ －2］,1);结果:
syｓ =
—－---－-－——-－—
s^2 ＋ 3 s ＋ ２
sys1 ＝
-－——－——--——
(s＋１)(ｓ+2)(２)求该系统状态空间表达式: [A1,Ｂ1,C1,D1]=tf2ss(nuｍ,ｄen);Ａ ＝
—2
0 B =
０ Ｃ =
0
第二题:已知某系统得状态空间表达式为::求解下列问题:（1）求该系统得传递函数矩阵:（2）该系统得能观性与能空性:（3）求该系统得对角标准型:（4）求该系统能控标准型:（5）求该系统能观标准型:
（6）求该系统得单位阶跃状态响应以及零输入响应: 解题过程: 程序:Ａ=[—３ －２;1 0］;B=［1 ０]＇;C=[０ 1];D=0;［ｎuｍ,den］=ss２ｔｆ(A,B,Ｃ,Ｄ);ｃo=ctｒb(A,Ｂ);t１＝ｒanｋ(co);ob=ｏbｓv(Ａ,C);t2＝raｎk(ob);[Aｔ,Bt,Ct,Ｄt,T］=canｏn(A,B,Ｃ,Ｄ,＇ｍodal’);［Ａｃ,Bc,Cc,Dｃ,Ｔｃ]=cａｎoｎ(Ａ,B,C,D,“cｏmｐａnｉon＇);Ao=Ａc”;Ｂo＝Cc“;Ｃo=Bc＇;结果:(1)nｕm ＝
０
0
１ den =
２(2)能控判别矩阵为: cｏ =
１
—3
0
能控判别矩阵得秩为: ｔ１ ＝
故系统能控。
(3)能观判别矩阵为: ｏb ＝
0
0 能观判别矩阵得秩为: t2 =故该系统能观、(4)该系统对角标准型为: At =
－2
0
0
-1 Bt =
-1、414２
－1、１1８０ Ct =
0。70７1
-0.８944(5)该系统能观标准型为:
Ao ＝
0
-3 Bｏ ＝
0 Cｏ =
0
１(6)该系统能控标准型为: Ａc =
０
1-2
－３ Bc =
0Ｃc =
０(７)系统单位阶跃状态响应;G＝sｓ(A1,Ｂ１,C１,Ｄ１);［y,t,x］=sｔｅp(G);fiｇure(1)plot(t,x);
(8)零输入响应: x0＝［0 1];
［y,t,ｘ］=inｉｔial(Ｇ,x０);fiｇuｒe(2)plot(t,x)
第三题:已知某系统得状态空间模型各矩阵为: ,求下列问题:（1）按能空性进行结构分解:（2）按能观性进行结构分解: ｃlear
Ａ=[0 0-１;１ 0 —3;0 １-３］;Ｂ=[1 1 0］”;C=[０ 1-2］;tｃ＝rａnk(ctｒb(A,Ｂ));to=raｎk(oｂｓｖ(A,C));［A１,B1,C1,ｔ1,k1］=ctrｂf(A,B,C);［Ａ２,B２,C2,t２,k２]=ctrbf(A,Ｂ,C);结果: 能控判别矩阵秩为: tc =可见,能空性矩阵不满秩,系统不完全能控。
A1 =
－1、0０00
－０、0000
—0.0000
２。１213
-2。5000
0、86６０
1.２247
—2。5981
０、5０００
B１ =
0。0000
0.0000 1。4142 Ｃ1 =1、7３２１
-1.２247
０。７０71 t1 ＝
-0、５7７４
0、5774
—０、5774
-０、40８2
0、4０８2
0、８16５ 0.70７１
0、707１
0 k1 =
0 能观性判别矩阵秩为: to =可见,能观性判别矩阵不满秩,故系统不完全能观。
A2 =
－1、0000
1、3４16
3、8341
0.000０
—０。400０
—0。7348 0。00０0
0。48９9
－1、6０００ B2 =
1。2２47
0。5477 0。4４72 C2 =
0
－０。０00０
2。236１ t2 ＝0、4082
0.8165
0、４０82
0、９1２9
-０.3651
-０.18２6
0
0、4472
-０、8944 k2 =
0 第四题:已知系统得状态方程为:
希望极点为—2,－3,-4.试设计状态反馈矩阵Ｋ,并比较状态反馈前后输出响应。
A=[1 2 ３;4 5 6;7 8 9］;B=［０ 0 1]＇;C=[0 1 0］;D=0;tc=rａnk(ctｒb(A,B));ｐ=［—２-３-4］;K=ｐｌace(A,B,p);t=0:0.01:5;U=0。025*ｏneｓ(siｚｅ(t));
[Y1,Ｘ１]＝lsiｍ(A,B,C,D,U,t);［Y2,X２］=lsｉm(A－B＊K,B,C,D,U,t);ｆigure(1)ｐｌｏt(t,Y1);grｉd oｎ title(’反馈前“);fｉguｒe(2)plot(t,Y２)title(’反馈后”)结果: ｔc =可见,能观判别矩阵满秩,故系统能进行任意极点配置。
反馈矩阵为: Ｋ =
1５。３33323、6667
２4.000０ 反馈前后系统输出对比:
第五题。已知某线性定常系统得系统矩阵为:,判断该系统稳定性。
clｅａr
clc Ａ=［－１ １;２-３］;Ａ=Ａ’;Q=eye(2);P＝lyａp(Ａ,Q);det(P);结果: 求得得 P 矩阵为: Ｐ =
1、７5０0
0、6２5０ ０.６250
控制实验课堂教学的“开关” 篇6
科学实验课中常常出现一些纪律问题，要努力建立起一种适合科学实验课的特殊纪律，从而有效地提高实验效率，使学生在像科学家那样进行科学探究的过程中，体验学习科学的乐趣，增长科学探究能力，获取科学知识。
一、实验课主要存在的问题
良好的课堂纪律是顺利进行课堂教学活动，提高教学效率的根本保证。从课堂的纪律来看，实验课主要存在以下两方面的问题：
（一）由材料引起的纪律问题
学生用实验材料做一些与本课内容、本实验活动无关的事；和同伴互相争抢或者没有带实验材料。
（二）由环境引起的纪律问题
教师不组织学生到实验室上科学课，有的是到室外去上，而室外却一团乱。
二、科学实验策略研究
在小学科学实验教学中，如何更好地发挥实验的功能？如何有效地组织教材中的实验？让实验更好地服务我们的科学课堂呢？我们以教材中的实验材料为着手点，深入挖掘实验的内涵，对实验和与实验相关的其他因素进行科学合理的处理，在实际教学中，我们探索出以下组织策略：
（一）按需准备实验材料的品种和数量
首先要根据实验项目的目的、内容和方法，确定需要准备的材料——实物、模型、标本、仪器、工具、试剂、药品等。例如，《声音的产生》和《声音的传播》这两课的实验教学都与声音有关，但这两课教学目的不一样，实验需要准备的材料就不一样。《声音的产生》一课的实验是为了让学生认识声音是怎么样产生的，需要准备的材料可以是钢尺、小刀、音叉、锣鼓、装水的烧杯等能产生声音的材料；《声音的传播》一课的实验是为了让学生认识声音是怎样传播的，需要的材料不仅是音叉、锣鼓等能产生强烈声音的材料，还需要一些能使学生认识声音如何传播的，如桌子、盛水的水槽、泡沫小球等材料。
（二）选择直达实质的结构性实验材料
所谓结构性的实验材料是指这些材料既要能揭示与教学内容有关的一系列现象，又要符合学生的年龄特征和认知水平，使他们能通过对材料的观察或实验来发现问题，认知问题。同时，这些材料还要尽可能是学生生活中常见的，对学生有吸引力的，这样才能使学生有兴趣摆弄。
以《声音是怎么样产生的》这节课为例谈谈怎么样利用“结构性材料”调控课堂纪律。
《声音是怎么样产生的》这节课让学生通过利用身边熟悉的材料，理解声音是由物体的振动产生的。本课具体的教学流程是：①引入部分，提出研究的问题“声音是怎么样产生的？”②制造声音，初步感受发声物体的特点，激发学生的前概念。③学生提出自己猜测，发展不完整概念，声音是由“敲击、碰撞、摩擦、拍、敲……”产生。④实验验证，生成概念“物体振动产生声音”。⑤演绎概念，找一找身边有哪些发声物体在明显振动？根据教材设计意图，本课特意选择小鼓、钢尺、橡皮筋、纸、音叉、乒乓球、镲、小黄豆、人体手臂等材料，这些材料具有“趣味性、启发性、典型性和可操作性”的特点，有利于本课科学概念的建立。
（三）要有次序地投放实验材料
学生总是向往到实验室做实验，哪怕科学老师拿几个一次性杯子、几张纸片到实验室来做个小实验，他们都开心得不得了。问题在于，往往只要看到这些器材，学生就开始坐立不安了。自制力稍弱的学生上课总是会趁老师不注意，去碰实验材料。尤其是活泼好动的男生，更是将注意力集中在实验材料上，至于老师讲些什么，完全听不到。诸如此类实验材料干扰教学的现象在课堂上屡见不鲜。因此，教学中学生实验材料的呈现，对学生的纪律调控有重要作用。
1.控制提前发放
教师需要控制材料分发的时间，一般情况下，不要提前将材料放置在实验桌上。可以在远离学生座位处准备一张桌子，将材料集中摆放，美其名曰“材料超市”。如上《水能溶解一些物质》一课时，教师准备的材料有沙子、食盐、白糖、烧杯、玻璃棒等，教师把这些材料放置在教室的正中间，按照类别依次排列成一长行，学生分坐在材料的两旁，可以看到但不能触摸到，到实验开始时再开始领取或发放。这样既有利于认识实验材料，又控制了材料对教学的干扰。
2.主动提前“亮相”
对于那些不常用或者第一次使用的材料，为了防止学生产生过分的新奇感和生疏感，干扰后续正常学习和器材使用，教师可以有意识地在课前或实验前分发给学生观察、研究。如滴管是学生以前未曾使用过的物品，教师可以提前放置在实验桌上，专门向学生进行介绍，同时让每个学生触摸和试用。这样主动提前亮相实验器材，有助于消除学生对实验器材的神秘感，也有利于掌握实验器材的使用方法。
3.分期分批发放
针对实验的不同，有些实验材料可以采取分批发放的形式。一个实验完成，相应的材料不需要时，必须要回到原来的位置，让学生养成从哪里拿再放回到哪里的良好实验习惯。一旦没有及时回收材料，材料将成为很多学生的玩具，于是，实验研究什么问题不再是他们关心的内容。即使教师一再提醒和要求，也很难将教学引回原来设计的教学过程中。
实验的目的是为了更好地为日常教学服务，只有高质量高效率的实验才能为教师的日常教学带来便利，而合理选择实验材料，适时投放实验材料是达到这一目的的有效措施。
控制实验 篇7
关键词：PID,PLC,过程控制
0 引言
长期以来, 过程控制实验的教学模式单一, 教学内容陈旧, 教学方法过死。过程控制实验设备可以体现现代实验目的, 弥补传统实验教学的弊端, 充分发挥学生在实验教学中的主体地位, 让学生亲身经历实验过程对未知结论的探索, 接受科学研究训练, 培养学生的基本科研能力和创新能力, 提高学生分析问题、解决问题的能力。因此, 设计新型的过程控制实验装置对教学改革和创新型人才的培养具有非常重要的意义。
1 过程控制实验装置的组成
过程实验系统组成如图一所示, 本系统有A、B两个水箱, 控制系统采用FX3u-48MR三菱PLC, 通过PLC控制变频器驱动的水泵电机将下水箱中的水输送到上水箱, 上水箱到下水箱设一手动放液阀。在控制回路中加入液位、压力、流量、温度各类传感器检测模拟量, 上位机采用MCGS公司的TP7062触摸屏, 在触摸屏上可以设置控制的温度、液位、流量、压力等参数, 并能够实时的显示这些参数, 以便对整个实验系统进行监控, 变频器与PLC之间采用网络通信模式控制, 协调完成恒温、恒液位、恒压、恒流量控制。
2 过程控制实验装置的电气系统设计
2.1 系统控制原理
在整个控制系统中包含压力、流量、液位测量控制, 其压力、流量、液位传感器都为模拟量传感器, 通过A/D模块转换为数字量, 和人机界面上设定的给定值进行比较, 偏差信号经过D/A转换成模拟量, 通过控制变频器的频率来控制水泵的转速, 以达到恒液位、恒流量、恒压力的目的。
在温度控制系统中, 传感器 (电热偶) 将检测到的温度信号转换成电流信号经过温度模块 (AD) 后, 与设定温度值进行比较, 得到偏差, 此偏差送入PLC控制器按PID算法进行修正, 返回对应工况下的固态继电器导通时间, 调节电热丝的有效加热功率, 从而实现对下水箱的温度控制。控制框图如图二所示。
PID算法在过程控制系统中的应用较为广泛, 比例 (P) 、积分 (I) 、微分 (D) 三种控制方式各有独特的作用。比例控制是一种最基本的控制规律, 具有反应速度快、控制及时、但控制结果有余差等特点;积分控制可以消除余差;微分作用是对偏差的变化速度加以响应的, 因此只要偏差一有变化, 控制器就能根据变化速度的大小, 适当改变其输出信号, 从而可以及时克服干扰的影响, 抑制偏差的增长, 提高系统的稳定性。但是理想微分控制器的控制结果也不能消除余差, 而且控制效果要比纯比例控制器更差。将三种方式加以组合在一起, 就是比例积分微分 (PID) 控制, 其数学表达式为:
式 (1) 中, KP为比例系数, TI为积分时间常数, TD为微分时间常数。
根据以上的分析, 温度控制系统适于采用PID控制。
通过经验整定法的整定, PID控制器整定参数值为:比例系数KP=45%, 积分时间Ti=4.5分钟, 微分时间Td=2.2分钟, 微分增益=100。
2.2 硬件控制电路设计
实际的电气控制原理图如图三所示。
通过FX2N-4AD模块分别对温度、流量、压力、液位进行A/D转换, 经过PLC处理后, 通过和变频器之间的数据交换, 来达到控制水泵的转速, 以达到恒液位、恒流量、恒压力的要求, PLC通过PID指令来控制加热棒的通电时间, 以达到恒温控制的目的。
2.3 软件流程设计
在软件程序的设计上, 我们将恒温、恒液位、恒压力、恒流量都设计成对应的子程序, 可以通过人机界面的选择和设置, 对相应物理量进行控制。
3 变频器与P LC的网络通讯
在PLC与变频器之间我们摒弃了常用的外部通讯模式, 通过在PLC侧安装485BD的通讯板, 来实现与变频器之间的485通讯, 通过设置参数和信号连接, 让学生能够掌握简单的工业现场之间的通讯是如何设置的, 变频器的参数如表一所示。
3.1 PLC参数设置 (H/W类型RS-485)
通道:CH1;
协议:无通信协议;
数据长度:7位;
奇偶性:偶数;
停止位:1位;
传输速率:9600bps。
3.2 通信的基本程序指令表
4 人机界面的设计
该套实验系统的上位监控软件是用MCGS全中文工控组态软件开发的, 它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行, 通过对现场数据的采集处理, 以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案, 在自动化领域有着广泛的应用。
本界面设有分部进入监控和PID参数修改画面的按钮, 并且对PID参数修改画面只有在账户和密码正确的情况下才可以进入修改。如图四所示。
通过脚本程序的编写, 在帐户和密码都正确的前提下, 进入监控画面和进行PID参数的修改, 画面如图五所示。
5 结束语
通过过程控制系统的研制, 改变长期以来“灌输式”、“填鸭式”的教学方法, 学生通过综合性的实训载体, 将过程控制理论贯穿于学习过程中, 确立了学生在教学中的主导地位, 并且在系统控制中整合了PLC、A/D、D/A、网络通讯、变频控制、人机界面等多方面的知识, 大大提高了学生的综合技术能力, 达到了较好的教学效果。
参考文献
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[3]孙红英, 颜德文, 李斌.基于参数自整定模糊PID的三容水箱液位控制[J].电气应用, 2006, 25 (08) :97-99.
[4]来长胜, 孙竹梅.基于PLC的水箱液位控制实训项目开发[J].电力学报, 2009, 24 (06) :512-515.
[5]丁涛, 王芳.基于MCGS的AI调节仪三容水箱液位定值控制系统研究[J].陕西科技大学学报 (自然科学版) , 2011, 29 (02) :78-80.
岩土实验室建设的控制 篇8
随着广西大学迈入“211”工程行列, 广西壮族自治区拟对广西大学重点学科建设、实验室建设、师资建设、校园建设投入数亿元。岩土工程学科是土木学院拥有硕士点最早的学科之一。该学科“岩土工程实验室”作为“211”工程重点投入实验室, 学院投资了400万元。为顺利完成该项目的建设, 对项目进行了科学的管理。
所建岩土工程实验室位于广西大学土木学院实验基地, 建设分二个阶段进行, 第一阶段为实验室土建工程。第二阶段为仪器设备的建设, 整个工程投资400万元。广西大学欲加入一流大学, 创建一流的实验室, 科研水平将得到突破性的提高, 为留住和引进人才提供保证。岩土工程实验室建设从开始就着眼于高起点、高科技、高水平。将实验室建设成为全国同类学科中最先进的一流实验室。项目实施前, 该实验室的教师先后到国内各大学及科研院所如中国建筑科学研究院、浙江大学、同济大学、河海大学、南开大学等进行了大量的调研、考查和参观学习并查阅大量国内外的有关资料, 同时与同类学科的长江学者、专家、教授进行研讨交流。经调研该实验室决定除建设常规实验室外还计划筹建特殊实验室——岩土工程环境仿真实验室, 可为减灾防灾、边坡治理、地基处理提供可靠的依据。
(二) 项目实施
项目实行招投标制, 划分3个主标, 1标为土建工程, 2标为设备的定购, 3标为整个实验室设备的制作和安装。签定大小合同十几份, 最大承包合同标价为250万, 招投标的合同承包方式, 促使双方都对项目进行了较详细的成本核算, 促进投标方加强施工的管理, 达到节约投资的目的。为此, 根据目标的要求和项目特点, 在项目正式开始实施之前, 制定了如下的线性组织结构:
业主为广西大学“211”办公室, 项目经理为该项目主要决策者。由于项目的决策涉及到设计、施工、资金、生产等, 因此决策往往需要一个过程, 在整个项目的实施过程中, 业主的任何决策都要通过项目经理下达, 以保命令的唯一性和有效性。该实验室作为项目的管理和设计单位, 对项目进行了全部过程、全方位的管理, 负责与施工、设备生产供应单位、安装单位等协调, 进行投资控制、进度控制、质量控制、合同管理、信息管理和现场的组织与协调。
投资控制的效果直接影响着投资项目的成败, 在项目可行性阶段, 根据设计编制初步的投资估算。在整个设计、施工、采购的过程中, 采用了三个方面的措施即组织措施、经济措施和合同措施等来控制投资。组织措施主要采取招标方式, 将整个工程合理划分为三个标段进行公开招标, 经过竞争, 选取价格较低, 有信誉的施工企业进行施工。在选择设备生产和安装单位时, 由有关专家对设备厂家进行现场解答志家提出的技术问题, 对其产品的价格、稳定性、维修等进行考证。采用经济措施与合同措施综合运用, 严格把好合同关, 认真严格审核施工预算和结算。如在进口美国基康公司设备时, 及时了解到国家有关高校设备可免进口税时, 及时调整合同, 单就此项就节约资金10万元。
在2年的时间内计划进行初步设计、施工图设计、组织招标、土建工程施工、设备制作、设备安装、调试并进行试验。首先排出了总进度计划, 包括设计、设备采购、施工、设备生产安装以及学校和有关部门的审批等时间安排, 并采用组织、经济、合同等多方面措施, 实现其进度目标。
组织方面, 将工程划为三个标段, 采取平行发包的方式, 进行有效的衔接。综合采取经济及合同措施, 严格保证资金到位, 保证工程款、材料款及时支付。在施工合同中明确规定提前竣工有奖, 推迟工期罚款, 定期检查督促施工进度。通过以上措施, 确保了工期按计划进行。
质量第一, 在任何项目实施过程中始终将质量放在最重要的位置, 不仅仅要控制施工质量, 而且要对设备生产安装进行审核, 确保满足设计要求。在施工阶段, 提前编制详细工程质量监理实施细则并严格把关, 审核施工单位和设备生产单位的施工方案, 参加隐蔽工程、重要工程验收, 对施工及设备材料、成品、半成品进行检查。加强现场管理, 有效保证了项目的质量和工期。
(三) 结语
电脑控制弦振动实验的研究 篇9
该实验以PASCO弦音计系统为平台进行弦振动研究。PASCO系列实验利用计算机以Datastudio软件为媒介对接口对各种传感器进行控制和数据采集。实验者无论是实验过程中的数据收集和显示, 还是实验后的数据处理和计算, 都要使用到Datastudio软件[3]。该实验结合计算机技术和弦振动原理, 实验现象和数据可以直接在Datastudio软件中直观显示, 能很好地激发学生兴趣;学生能自行设计实验方案, 研究不同弦线在不同拉力、不同弦线长度下对弦振动基频的影响及其规律, 非常适合在高校中作为综合性, 设计性和创新性实验开设, 能很好地培养学生的动手能力和创新精神。
1 弦音计工作原理
弦音计将信号输入到驱动线圈产生交变磁场, 磁场驱动吉他弦振动, 使用探测线圈记录弦的振动情况。利用电压传感器对弦上的波动情况进行电脑监控和数据采集。
如果线的两端都被固定, 则每个波都会在它到达另一端时发生反射。通常, 连续反射的波的位相不完全相同, 因此合振幅很小。然而, 在某些振动频率, 所有的反射波具有相同的位相, 从而产生一个振幅很大的驻波。这些频率称为共振频率。
在该实验中, 将研究线的长度和共振频率之间的关系。实验表明, 用波长来描述共振条件比用频率来描述更容易理解。通常, 当波长λ满足下述条件时将发生共振:
即线的长度L应等于半波长的整数倍, 而线的两个固定端正好为驻波的波节。
对一柔韧有弹性的金属线, 波在金属线上的传播速度 (V) 由两个变量决定:金属线的线密度 () , 及金属线所受张力 (T) 。关系式为:
不同的金属线有不同的线密度。力的大小可通过改变悬挂物的质量或位置来改变, 波长可通过共振模式来确定, 则波速可由下式得出:
此时我们就可以验证波速与线密度及线所受张力的关系。
2 实验测量与数据记录
2.1 使用FFT测量弦线振动时的基频
如图1可见, 使用电压传感器对弦上的波动情况进行电脑监控和数据采集, 并利用PASCO弦音计系统中自带“Datastudio”软件中的FFT功能, 分析弦振动的基频。图中曲线从左到右依次出现4个明显的等间距分布的峰, 第二个峰对应的频率数值大约为第一个最大峰值对应频率的2倍;以此类推, 第三、第四峰对应的频率数值大约为第一个最大峰值对应频率的3和4倍, 因此第一个最大峰值对应频率即为弦振动的基频104 Hz, 第二、三、四峰对应频率为弦振动的2倍频、3倍频和4倍频。
2.2 改变弦线长度和所受拉力研究弦振动情况
直径为0.337 mm的弦线在改变不同的弦长和不同拉力情况下测量弦共振时基频的数据。将原理中公式 (1) 和 (3) 代入公式 (2) , 基频时公式中n=1, 进行化简可得:
用Y=a+bx-1进行线性回归, y表示频率f, x表示弦长L, 则方程中的斜率b为
根据直径查表得到理论线密度u为0.78 g/m, 在不同拉力的情况下, 根据计算机拟合斜率b的结果可以计算出弦线的线密度, 并计算其与理论值的正确度 (%) 。
3 分析与结论
以PASCO弦音计系统为平台进行弦振动研究, 从数据可以看出, 在相同拉力对, 弦线长度越长, 其弦振动对应的基频越小, 即拉力T不变时, 基频与弦线长度L成反比, 即成正比;在相同弦长时, 弦线所受拉力越大, 其弦振动对应的基频越大, 即弦线长度L不变时, 基频与成正比。
利用PASCO弦音计系统测量了细弦线的线密, 是一种利用弦振动理论测量金属细线线密度的方法。在适合的拉力下, 通过弦长和基频的实验数据, 上机拟合计算出弦线线密度, 其正确度可以控制在5%以内, 达到测量精度的要求。
以PASCO弦音计系统为平台进行弦振动研究, 在此基础上针对高校学生开设综合性、设计性和创新性实验, 有较好的启发作用, 有助于丰富实验内容, 开拓思路, 探讨新的实验方法, 在大学物理实验学习和研究探讨中具有一定的应用价值[4]。
参考文献
[1]魏高尧, 隋成华, 童建平, 等.弦振动实验中几个应注意问题的探讨[C]//第四届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集.2006:254-258.
[2]吕春, 杨萍, 张兵, 等.从弦振动实验方法的多样性, 探索物理实验教学方法[C]//第六届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集.2010:148-151.
[3]李宇飞, 陈新, 陈龙, 等.基于Datastudio软件的传感器热辐射实验的改进[J].科技资讯, 2014, 12 (8) :35-36.
电气控制线路实验常见故障分析 篇10
各种生产机械的电气控制设备有着各种各样的电气控制线路。这些控制线路不管是简单的还是复杂的,一般都是由一些基本的控制环节组成的,在分析控制线路的原理和判断其故障时,一般都是从这些基本环节着手。因此,掌握电气控制线路的基本环节,对生产机械整个电气控制线路的工作原理分析及维修有着很大的帮助。
1 基本电气控制线路实验
在电气控制线路的基本环节中,自锁、正反转和顺序等是比较常见的控制线路,也是电气控制线路实验的基本内容,笔者从事电气控制线路教学多年,现将这三种线路在学生实验过程中常见的故障总结如下:
1.1 自锁控制线路实验
自锁控制线路主要作用是可以使电动机连续运行。
正常现象:按下启动按钮SB2,电动机启动;松开SB2,电动机继续运行;按下停止按钮SB1,电动机停止。
故障现象:按下启动按钮SB2,电动机启动;松开SB2,电动机继续运行;按下停止按钮SB1,电动机不会停止,只有切断电源,电动机才会停止。
故障分析:停止按钮SB1没有起作用。故障原因:如图1。
KM常开自锁触点本应该接在线号3-4之间,即接在SB1的出线侧(3)和SB2的出线侧(4)之间,但是学生在接线过程中将KM的常开自锁触点接在了线号2-4之间,把SB1的进、出线侧(2)和(3)接反了,造成了停止按钮SB1失去了作用。
1.2 正反转控制线路实验
正反转控制线路作用是可以实现三相异步电动机双方向旋转运行。它实际是在自锁控制线路的基础上分别多串了另外一个接触器的常闭触点即互锁触点(目的是为了避免电源短路)。
正常现象:按下启动按钮SB2,电动机正转;按下停止按钮SB1,电动机停止;按下启动按钮SB3,电动机反转。均不会启动,没有任何现象。
故障分析:电源不通电或者线路接错。
故障原因:在排除电源、接触器、熔断器、热继电器等低压电器自身故障后,查看线路。如图2。
KM2的互锁触点应该接在线号4-5之间,KM1的互锁触点应该接在线号7-8之间,这样可以保证KM1和KM2两个接触器不能同时得电,从而不会出现电源短路的故障。学生在接线时,将KM1和KM2的互锁触点位置接反了,KM1接在4-5之间,KM2接在7-8之间,用自己的互锁触点来控制自己的线圈,结果只能是两个接触器都不会得电。
1.3 顺序控制线路实验
在装有多台电动机的生产机械上,各电动机所起的作用不同,有时需要按一定的顺序启动才能保证操作过程的合理和工作的安全可靠,这些顺序关系反映在控制线路上,就是顺序控制。
正常现象:先按下启动按钮SB2,电动机M1先启动,再按下启动按钮SB3,电动机M2后启动,按下停止按钮SB1,M1、M2同时停止。如果先按下SB3,没有任何现象。
故障现象:按下SB2,M1、M2同时启动;按下SB3,M1、M2同时停止。
故障分析:接在线号1-6之间的KM1常开触点没有起到顺序控制的作用。
故障原因:如图3。
KM1常开触点本应接在1-6之间,学生接线时,将接在1的一侧接在了7上,使得KM1常开触点并在了启动按钮SB3两端,从而造成了两台电动机同时启动的现象。
2 结束语
学生在实验、实训过程中,经常会混淆低压电器的进线、出线侧,造成这种情况的原因,第一是对线路不熟悉;第二是遇到比较复杂的线路、使用导线较多时,思路不清晰。针对以上问题,首先学生应该能顺利的画出线路原理图,在图上标出线号;其次在实验、实训过程中同一相要使用同一颜色的导线,在导线两端需注明线号,以便于实验、实训教学任务的顺利完成。
参考文献
[1]王炳实.机床电气控制[M].北京:机械工业出版社,2004(3).
高校电气控制实验室建设探讨 篇11
关键词：电气控制；专业实验室；实验教学
高等学校是培养高素质人才的基地，而高等学校的实验教学是整个人才培养体系中的一个重要环节。当今社会，由于国际金融危机的影响，产业由劳动密集型向知识密集型的转变，使得社会对自动化专业人才的需求向多样化、个性化方向发展。这就要求学生不仅要具备扎实的理论基础，又要具备开拓创新能力和较强的实际动手能力。而这些能力的培养要求我们不断地改革实验教学的内容和模式，让每个学生在实践中锻炼自己，完善自己，以适应社会对高素质人才的需求。面对高等教育发展的要求，结合本院新建教学实验楼的建设，学院将电子信息与控制工程系自动化专业实验室由以前的三部分整合成一个电气控制实验室，这样可以做到仪器设备的优化配置，实现资源共享，提高管理效能和教育教学质量，更好地体现了高等教育“以人为本”的现代大学新理念，使学生在校期间能受到良好的工程实践能力的锻炼。
一、高校实验室建设中存在的问题
高校的专业实验室，特别是建校时间不长的院校的专业实验室，在建设和管理方面一直存在一些共同的问题：
一是由于高校扩招带来了学生人数的急剧增加，实验室建设的步伐跟不上扩招的增长，导致现有的专业实验室设备数量和学生人数之间的比例严重失调；二是受传统教育观念、旧的教育体制与目标的影响，重理论轻实践、重课堂轻实验的现象仍然普遍存在，高校专业实验室在建设和管理方面得不到应有的重视和发展；三是教育经费的投入有限，特别是地方高校，在地方财力有限的情况下，仅仅够维持学院的运转，无暇顾及专业实验室的建设投入。
这种现象对学生的就业产生了不利的影响，最终会影响学生综合素质的提高。社会的发展需要各种熟练的专业技术人员，地方高校培养的人才主要是面向生产一线的。需要具有一定的理论基础和较强的动手能力。而实验室具有知识密集、技术水平、高科研能力强、仪器设备先进等特点，是实施素质教育、培养学生创新意识和创造能力的重要基地，对于提高学生的实践能力具有极为重要的作用。
二、广西工学院电气控制实验室概况
我校电气控制实验室于2004年10月投入使用。实验用房面积约300平方米。电气控制实验室由DJK-1型电力电子技术及电机控制实验装置10台，THPLC-A型可编程控制器20台，配套电脑20台，直流电机组若干，交流电机组若干及配套的仪表一批，20台电脑均配有MCGS组态软件，外加自制设备一批，总价值约为100万元，其中自制设备约为10万元，自制设备包括铣床、刨床、磨床电器模拟控制屏和工厂供电实验柜。由于机床电器模拟屏和供电实验柜是自制的，实验人员对其性能和原理都比较熟悉。因而教学生使用时不但可使学生明白工作原理，还可有意设置一些故障让学生通过一些简单仪表加以排除，以增强学生的动手能力。电力电子技术可做单相全控桥、三相全控桥、有源逆变、直流调速等20多项实验。可编程控制器实验装置由可编程控制器和模拟装置及电脑组成，可做实验有基本指令编程联系、十字路空交通等控制、水塔水位控制等16项。由于可编程控制器的配套电脑中装有组态软件，具有将控制对象转换成高级动画的功能，为学生提供了与具体对象进行现场联机调试的实验环境，使我们有条件进行计算机控制的工程能力训练，从而改变了以往书本对黑板、眼睛对屏幕的“空对空”教学模式，强化了工程训练能力。
电气控制实验室是基于本科教学，将教学与科研相结合的自动化专业实验室。该实验室可开设的实验课程有：工厂电气控制、电力电子技术、工厂供电、电机拖动技术。另外，还承担课程设计、毕业设计、综合实验等教学任务。还为一批科研项目如异步电动机软启动控制器提供了实验条件。
三、广西工学院电气控制实验室的建设
1教学仪器的购置与设备的自行研制。在实验室组建初期，由于实验经费所限，在经过市场调查及对各种品牌教学仪器的价格和实际应用的分析比较后，提出了我校实验室重建方案——购置现成的教学仪器与自行研制部分设备相结合。购买了一批实验设备，在使用过程中对电力电子实验装置所出现的故障，在教师指导下组织学生进行维修，使学生初步了解设备的元件、原理和结构。强化了动手能力，养成了独立工作的习惯。同时也更好地保证了设备的正常运行。此外，还与厂家合作，将可编程控制与电脑连接，实现了动画控制，加深了学生对控制对象的理解。通过使用表明，該系统实验稳定，很好地满足了实验要求，具有开发周期短、成本低、性能高、功能易扩大等优点。这样既节约了实验建设的经费，又提高了学生的动手能力，使学生能更好地掌握和巩固所学专业知识，拓宽了知识面。
2教学与实践相结合，加强职业技能培养。在这些装置的研制过程中，学院始终坚持教学与实践相结合，将学生的课程设计和毕业设计融入其中，激发学生从事科研工作的兴趣、锻炼学生的工程实践能力，提高学生的创新意识与能力，为实验室的管理和创新迈出了可喜的一步。在当今严峻的经济形势和就业形势下，做为学校的一个专业实验室有能力也有义务为学生的就业创造条件。我们在完成专业教学实验任务外，还针对学生专业特点，着重对学生的动手能力进行培养，尽量缩短学生毕业后融入社会的时间。如开设电工考证班等，还准备开设仪器仪表，配电室维修电工，维修电工等多个工种的培养。由学生根据自己将来可能从事的工作选出适合自己的工种来进行培训。目的就是为学生进入企业从基层做起创造条件，同时减少企业的培训负担，有利于我们的学生就业。我们还将继续努力创造条件，开设更多的培训项目，为企业培养更多有用、实用人才。
四、加强广西工学院电气控制实验室的管理
实验室是高校教学、科研工作的重要场所，实验室的管理与建设对实践教学的质量影响很大。作为与生产实践相结合，以培养符合社会需要的工业控制人才为目标的专业实验室，工程电气控制实验室建立了一系列管理方法。主要有以下措施：(1)实验室由具有较强理论基础、动手能力和计算机编程能力的教师坐班，担任指导教师。在学生研究过程中，充分发挥其指导作用。(2)实验仪器设备建立档案，实行专人负责、专人管理。(3)电机拖动实验中涉及控制参数的选择。若选择不合理，得出的结果就不正确。因此每次做完实验都要检查学生所得参数，参数不正确，做实验方法便可能有错，这样便要求学生重做直到得出正确参数。(4)建立一系列的规章制度：①学生实验守则，②指导教师工作守则；③安全管理制度；④对于各专项实验有相应的实验要求；⑤在完成实验任务外，如果有时间还鼓励师生进入实验室开展自己感兴趣的创新型实验研究。
在现有的管理基础之上我们还需做好以下工作：
1加强规划，重点跨越。实验室建设是一个复杂的系统工程，资金需求量大、涉及范围广。从我校的实际出发，建设和发展电气控制实验室要坚持有所为、有所不为的方针，突出重点，面向国家目标和我校的现实需求，结合我校的优势与特色学科，加强战略目标的规划与研究，争取实现实验室实力水平的整体提升，在一定程度上实现跨越。
2增加投入，建立投入保障机制。首先主管部门要加大对实验室的投入力度，要调动各方面的积极性，建立多元化的投入机制；实验室要以服务求支持，以贡献求发展，积极与企业联合共建，争取多方面的投入支持，加强实验室资金监管，避免重复建设-加强研究设备的自主研发，鼓励共享，提高资金使用效益。
五、结束语
控制实验 篇12
本校自动化实验室采用的“THJ-3型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象系统,该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数,可实现系统参数辨识,单回路控制,串级控制,前馈—反馈控制,比值控制,解耦控制等多种控制形式。设备中的模拟锅炉可进行温度控制系统的实验,其中锅炉夹套水温控制系统的结构如图1所示,图2是锅炉夹套水温定值控制系统的方框图。系统中锅炉内胆为动态循环水,磁力泵、电动调节阀、锅炉内胆组成循环供水系统,被控变量为锅炉夹套的水温,即要求锅炉夹套水温稳定于给定值。实验前先通过变频器-磁力泵动力支路给锅炉内胆和锅炉夹套均打满水,然后关闭锅炉内胆和夹套的进水阀。待实验系统投入运行以后,再打开锅炉内胆的进水阀,允许变频器-磁力泵以固定的小流量使锅炉内胆的水处于循环状态。在锅炉夹套水温的控制过程中,由于锅炉内胆循环水的作用,使得锅炉内胆与夹套热交换更充分,因而控制效果较好。系统采用的调节器为工业上常用的宇光AI—808智能调节仪[3]。现为了提高锅炉夹套水温控制系统的动态性能,对控制系统进行改造,采用西门子S7-200 PLC代替常规调节器,采用模糊PID控制算法代替常规PID控制实现锅炉内胆水温控制。
2 模糊PI D控制的结构(算法)
传统PID(比例、积分和微分)控制原理简单,使用方便,适应性强,可以广泛应用于各种工业过程控制领域。但是PID控制器对象电炉加热器温度具有非线性、大时滞、强耦合等特点,控制效果并不理想;同时PID控制器没有自适应工况变化的能力,对一些系统参数会变化的过程,存在参数改变不方便等问题,PID控制就无法有效地对系统进行在线控制。不能满足在系统参数发生变化时PID参数随之发生相应改变的要求,严重的影响了控制效果。为此,研究PID参数自整定和智能控制算法具有重要的工程意义。
过程控制实验装置电炉加热器温度对象具有严重的滞后性,用常规的PID控制,由于参数一经设定,不随系统参数变化而改变,影响控制质量,而模糊控制级数有限,单纯使用使得控制程序难以保证,本文采用了在动态过程中改变PID参数即模糊控制PID的办法。
由参数可调节的PID来完成对温度的控制,模糊控制器实现对PID三个参数的自动校正。
温度PID控制的公式为:
式中:Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数,T(t)为调节器输出,e(t)为偏听偏差值。
模糊控制是在PID控制算法的基础上,通过总结工程设计人员知识和实践经验,找出PID参数与误差e及误差变化率e c之间的模糊关系,建立合适的模糊规则,运行中不断地检测和运算误差e和误差变化率ec,再利用模糊规则进行模糊推理,查询模糊矩阵表进行在线PID参数自调整,以满足不同的e和ec对控制参数的不同要求,使被控对象有良好的动、静态性能[1],如图3是模糊PID控制结构图。
3 模糊PID控制器设计
控制系统采用“双入三出”的模糊控制器。输入量为温度值给定值与测量值的偏差e以及偏差变化率ec,输出量为比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td。由图3可知,控制过程为控制器定时采样温度值和温度值变化率与给定值比较,得温度值偏差e以及偏差变化率ec,并以此作为PLC控制器的输入变量,经模糊控制器输出比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td给PID控制器进行调节,然后经D/A转换送温控对象。
模糊控制器包括输入量模糊化、模糊推理(模糊决策和模糊控制规则)和反模糊3个部分。
3.1 输入模糊化
E和Ec分别为e和ec模糊化后的模糊量,KP、KI、KD分别为Kp、Ti、Td模糊化后的模糊量。
e、ec论域等级为e=ec=[-3,-2,-1,0,1,2,3],模糊化子集为E=Ec=[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]。
Kp、Ti、Td论域等级为Kp=Ti=Td=[-3,-2,-1,0,1,2,3],模糊化子集为KP=TI=TD[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]。
[NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB]表示[负大,负中,负小,零,正小,正中,正大]。
e、ec和Kp、Ti、Td的隶属度如表1、表2所示。
3.2 模糊决策和模糊控制规则
总结电加热器温度的控制过程中经验,得出控制规则,如表3、表4、表5所示。选取控制量变化的原则是:当误差大或较大时,选择控制量以消除误差为主。而当误差较小时,选择控制量要注意防止超调。
由表3、表4、表5的模糊规则可写成条件语句,即
If e=Ai and ec=Bi then Kp or Ti or Td =Ci
其中Ai、Bi和Ci是定义在e、ec和Kp、Ti、Td的论域X、Y、Z上的模糊集,每条规则
共有4 9条规则,全部系统模糊集为:
∨表示“并”;当e、ec分别取模糊集X、Y时,输出(Kp、Ti、Td)的模糊子集为[1]:
根据输入e、ec模糊量化后得到的X、Y可计算出Kp对应的Zij,如表6所示。
以系统的稳定性为主。例如,当温度值低很多(低于目标值),且温度值有进一步快速降低的趋势时,比例系数Kp增大,应加大电炉加热器电压。可用模糊语句实现这条规则(If e=NB and ec=NB then Kp=PB)。当误差为负大且误差变化为正大或正中时,控制量不宜再增加,应取控制量的变化为0,以免出现超调。一共有49条规则。
3.3 输出反模糊化
具体实现上述控制算法的关键在于解决输入量等级量化程序梯形图设计和查表获取模糊控制量的查表程序梯形图设计。
4 模糊PID控制的PLC实现
4.1 程序设计流程
PLC程序设计流程图如图4所示[2]。
4.2 输入量等级量化的梯形图设计
根据e和ec论域所分的等级,将实际温度变化范围分为7档,依据式下式将基本论域区间[]的精确量按四舍五入原则量化为论域区间[a,b]的论域元素(模糊量),n=3,e为温度变化值,y为量化级数。
S7-200的A/D转换模块,理论上模糊控制器的输入的取值范围可能为0~32000。然而,实际上仅刚开始起动等很少时候可能达到32000。在正常运行过程中,的基本论域取值比上述范围要小得多,一般可取为[0,+2400],模糊量化的论域取为[-3,+3],则量化因子为6/2400=1/400,e对应的模糊化论域如表7所示。
输入量的变化量e模糊化程序见子程序SBR-1如图5所示,量化值存入VW200,ec量化值存入VW300,限于篇幅e c模糊化程序在此略。
4.3 模糊控制表程序
模糊控制查询表是经模糊推理与逆模糊化运算获得的一个7*7(基于上述对语言变量论域范围的设定)的二维矩阵。表2给出了一个模糊控制查询表Kp的实例,表中矩阵元素Kp是由输入量e和ec的论域元素确定的输出控制量的量化值。
将查询表元素逐行依次存储在P L C的VD500~V D 5 4 8中。查表程序设计利用变址寄存器,通过采取“基址+偏移地址”寻址的设计方法来实现。设e和ec的论域元素分别为X、Y,则输出量比例Kp的位置为:表首地址+[7(X+6)+(Y+6)],表首地址为VD500。同理将Ti、Td论域元素分别存放在VD600~VD648、VD700~VD748中,程序略。
Kp的查询表程序为SBR-2,如图6所示。
4.4 反模糊化程序
把由表6查出的控制量模糊论域中的值Z p i j(即VD500~VD548中的值)乘以比例因子K1便可以得到实际的比例系数Kp*=K1χZpij,实际的积分时间Ti*=K2χZiij,实际的微分时间Td*=K3χZdij。在本实验装置的温度控制系统中取比例系数范围是0~10,积分时间范围是0~10分钟,微分时间范围是0~5分钟,,故K1=10/6=1.6667,K2=10/6=1.6667,K3=5/6=0.5。程序如图7所示。
4.5 参数可调的PID运算程序
PLC在执行PID调节指令时,须对算法中的7个参数进行运算,为此S7-200的PID指令使用一个存储回路参数的回路表,PID回路表的格式及含义如表8所示。
(1) 主程序如图 8 所示
(2)中断程序如图9所示
5 结束语
采用阶跃输入作为激励和最终输出的目标值,通过PID常规控制器和模糊PID控制器对相同输入的响应特性曲线来进行二者之间的比较。通过运行在Matlab中建立的模型,可以得到如图10的响应特性曲线。相对于常规PID控制来说,模糊PID控制有着响应时间短、更快的反应速度,并且超调小。这表明对于温度过程控制系统,采用模糊PID控制可以取得更好的性能,基本实现对控制系统的快速、准确控制。
本文通过利用西门子S7-200实现过程控制系统实验装置中的温度模糊控制,这一算法的改进给PID参数在线调整提供了很大的方便,与常规的PID控制相比,模糊PID控制克服了温度控制的时变、非线性等不利因素的影响,具有鲁棒性强、动态性能好等特点。
摘要：本文介绍了用S7-200实现过程控制系统实验装置中锅炉夹套的温度模糊控制设计思想,对模糊PID控制的结构、模糊PID控制器的设计、模糊PID控制的PLC实现进行了分析,文中详细介绍了模糊控制器程序的编写方法,结果表明,用PLC实现的模糊控制器简单实用。
关键词：过程控制系统实验装置,模糊PID,PLC
参考文献
[1]曾光奇.模糊控制理论与工程应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2006,(9):58-70.
[2]李敬兆,张崇巍.基于PLC直接查表方式实现的模糊控制器研究[J].电工电子技术杂志,2001,(9):31-32.
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