专利名称：一种组态式过程控制实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种过程控制实验装置，尤其涉及一种组态式过程控制实验装置，属于自动控制技术领域。
背景技术：
过程控制是自动控制技术中最重要的组成部分之一，学校借助过程控制实验设备，理论联系实际进行教学。过程控制实验设备，通常由控制显示仪表台和过程控制实验实物组成。控制显示仪表台可使实验人员有限制地选择实验类型和参数，并实时显示有限的实验运行参数。过程控制实验实物由实际使用的水箱、锅炉、阀门、管道、泵、传感器、变送器等设备原样或缩小后连接组成，如图1所示，因此只能有限地改变组成方式，不能支持足够多的实验类型。 这种实验设备的优点是直观、演示明显和易于理解，缺点是实验对象简单，与实际装置差别大，动态特性与实际装置差异大，被控环节少且简单，支持实验类型少，对实验运行环境要求高，设备运行频繁易坏，购买价格高，运行维护成本高。自动控制专业的教学和研究迫切需要一种实验类型丰富、组态灵活、运行动态直观、运行维护容易且价格成本低廉的过程控制实验设备，因此有必要对现有的过程控制实验系统进行改进。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种组态式过程控制实验装置，实验类型丰富、组态灵活、运行动态直观、运行维护容易且价格成本低廉。本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种组态式过程控制实验装置，包括提供人机界面接口的上位PC计算机，其中，所述组态式过程控制实验装置还包括至少一个下位计算机模块；所述上位PC计算机和下位计算机模块通过一对多双向通讯及控制模块相连；所述下位计算机模块通过互连接插器和信号发生器相连。上述的组态式过程控制实验装置，其中，所述一对多双向通讯及控制模块由主控计算机模块连接一对多双向通讯总线组成；所述互连接插器由导线和接插器件组成。上述的组态式过程控制实验装置，其中，所述下位计算机模块由含有UART多机通讯接口和A/D、D/A转换接口的单片机以及信号调理电路、辅助电路组成。上述的组态式过程控制实验装置，其中，所述主控计算机模块由含有USB、UART多机通讯接口和A/D、D/A转换接口的单片机以及信号调理电路、辅助电路组成。上述的组态式过程控制实验装置，其中，所述上位PC计算机和主控计算机模块为同一台计算机。本实用新型对比现有技术有如下的有益效果本实用新型提供的组态式过程控制实验装置，通过下位计算机模块代替物理实物，价格低廉；对实验环境无特殊要求，故障率低，容易管理维护，可放手让学生独立做实验；被控对象特性模拟接近实际装置，被控环节灵活多变，支持的实验类型丰富，适合多层次教研要求；物理模型动态图能让学生观察实验的动态过程，又可让学生修改被控对象参数、控制参数和控制方法，观察其实验的差别，使学生提高实验兴趣，充分掌握过程控制知识。
图1为现有过程控制实验设备组成示意图；图2为本实用新型组态式过程控制实验装置组成示意图；图3为本实用新型一对多双向通讯及控制模块组成示意图；图4为本实用新型计算机模块替代实物的装置组成示意图；图5为实施本实用新型的过程控制实验装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。图2为本实用新型组态式过程控制实验装置组成示意图。请参见图2，其中PC计算机运行物理模型动态图，该图由组态软件以及专门设计的软件，应用数据库、画面制作工具、报表等功能，根据实验要求制作。该图是具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线的显示画面，能表现出实际使用的水箱、锅炉、阀门、管道、泵、传感器、变送器等流程控制设备或者小车、电动机等机械运动控制设备，在过程控制实验中的实时动态变化画面和数据变化及曲线。图3为本实用新型一对多双向通讯及控制模块组成示意图，由主控计算机模块连接一对多双向通讯总线组成；该主控计算机模块可以是专用的，也可以与PC计算机合用， 实现将PC计算机的实验参数和命令传递到计算机模块替代实物的装置，将计算机模块替代实物的装置的状态和在其上运行的实验动态参数实时收集并传递到PC计算机的功能。图4为本实用新型计算机模块替代实物的装置组成示意图，由互连插接器(由导线和接插器件组成)连接至少一个信号发生器和至少一个计算机模块组成；实验人员按照物理系统过程控制实验类型要求，将信号发生器和计算机模块通过互连插接器互相连接；信号发生器由实验人员调节给出电信号，传递到计算机模块模拟实现物理系统的激励和扰动，并传递到PC计算机实时显示；实验人员通过PC计算机设置实验项目、控制方法、扰动切入方式、被控对象模式，被控对象参数、PID控制参数和操作命令，借助一对多双向通讯及控制模块，传递到计算机模块；计算机模块据此分别实现被控对象的传递函数、调节器的控制算法和操作器的处理算法，模拟物理实物的特征，替代物理实物实现物理系统过程控制的实验；实验的动态运行参数借助一对多双向通讯及控制模块传递到PC计算机，在PC计算机的物理模型动态图上实时显示出来；PC计算机通过操作命令控制实验的运行、暂停和停止。图5为实施本实用新型的过程控制实验装置结构示意图，是本实用新型的一种较佳的实施方式。PC计算机通过USB串行通讯与主控计算机模块连接，主控计算机模块通过 UART多机通讯总线及信号线分别与4个信号发生器和18个计算机模块连接，信号发生器和计算机模块通过互连插接器由实验人员按照物理系统过程控制实验要求互相连接。信号发生器主要由电位器构成，由实验人员调节给出电平信号，传递到计算机模块模拟实现物理系统的激励和扰动。实验人员通过PC计算机设置实验项目、控制方法、扰动切入方式、 被控对象模式，被控对象参数、PID控制参数和操作命令，通过USB串行通讯、主控计算机模块和UART多机通讯总线，传递到计算机模块；计算机模块据此分别实现被控对象的传递函数、调节器的控制算法和操作器的处理算法，模拟物理实物的特征，替代物理实物实现物理系统过程控制的实验；信号发生器和计算机模块的实验动态运行参数通过UART多机通讯总线及信号线、主控计算机模块和USB串行通讯，传递到PC计算机，在PC计算机的物理模型动态图上实时显示出来；PC计算机通过操作命令控制实验的运行、暂停和停止。主控计算机模块由含有USB、UART多机通讯接口和A/D、D/A转换接口的单片机 C8051F320以及信号调理电路、辅助电路组成，其程序主要完成信息数据在PC计算机和信号发生器、计算机模块之间的上传下达。计算机模块由含有UART多机通讯接口和A/D、D/A转换接口的单片机C8051F410 以及信号调理电路、辅助电路组成，其程序主要是三类函数，择要排列如下被控对象类惯性环节，带延迟惯性环节，积分环节，比例积分环节，比例微分+惯性环节，纯延迟环节等；调节器控制算法类给定输入增量型PID控制，给定输入反作用PID控制(增量型)，通道Hl输入PID控制(增量型)，给定输入位式PID控制(增量型)，给定输入不完全微分PID控制(增量型)，给定输入位置型PID控制，给定输入积分分离PID控制(位置型)，给定输入带死区特性PID控制(位置型)等；操作器类加法器，减法器，乘法器，除法器，比值器，平方器，开平方器，反相器，高选择器，低选择器等。计算机模块的主程序根据PC计算机下达的实验的类型、参数和命令，选择和设置这三类函数根据系统时钟实时运行，以模拟物理实物的特征；并将动态运行参数上传给PC 计算机，以实现替代物理实物进行物理系统过程控制实验的功能。该实验系统能实现双容水箱液位定值控制、锅炉内胆水温与夹套水温串级控制、 上箱水温与液位前馈补偿解耦控制等许多种过程控制实验类型，借助组态软件以及专门设计的软件，应用数据库、画面制作工具、报表等功能，可以分别设计这些实验的物理模型动态图，可以用动画和数字显示液位、流量、温度、电热丝控制电压、阀门开度角位置、电动调节阀控制电压、变频调速磁力泵控制电压、溢流管流量、实验运行时间等实验参数和运行、 暂停、停止等实验状态，还可以修改实验给定参数。综上所述，本实用新型提供的组态式过程控制实验装置实现了用计算机模块替代实物进行过程控制实验的功能，具有实验类型丰富、组态灵活、运行动态直观、运行维护容易且价格成本低廉的突出优点。虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
权利要求1.一种组态式过程控制实验装置，包括提供人机界面接口的上位PC计算机，其特征在于，所述组态式过程控制实验装置还包括至少一个下位计算机模块；所述上位PC计算机和下位计算机模块通过一对多双向通讯及控制模块相连；所述下位计算机模块通过互连接插器和信号发生器相连。
2.如权利要求1所述的组态式过程控制实验装置，其特征在于，所述一对多双向通讯及控制模块由主控计算机模块连接一对多双向通讯总线组成；所述互连接插器由导线和接插器件组成。
3.如权利要求1所述的组态式过程控制实验装置，其特征在于，所述下位计算机模块由含有UART多机通讯接口和A/D、D/A转换接口的单片机以及信号调理电路、辅助电路组成。
4.如权利要求2所述的组态式过程控制实验装置，其特征在于，所述主控计算机模块由含有USB、UART多机通讯接口和A/D、D/A转换接口的单片机以及信号调理电路、辅助电路组成。
5.如权利要求2所述的组态式过程控制实验装置，其特征在于，所述上位PC计算机和主控计算机模块为同一台计算机。
专利摘要本实用新型公开了一种组态式过程控制实验装置，包括提供人机界面接口的上位PC计算机，其中，所述组态式过程控制实验装置还包括至少一个实现被控对象的传递函数、调节器的控制算法和操作器的处理算法，模拟物理实物特征的下位计算机模块；所述上位PC计算机和下位计算机模块通过一对多双向通讯及控制模块相连；所述下位计算机模块通过互连接插器和信号发生器相连。本实用新型提供的组态式过程控制实验装置，通过下位计算机模块代替物理实物，实验类型丰富、组态灵活、运行动态直观、运行维护容易且价格成本低廉。
文档编号G05B19/418GK202018588SQ201120048420
公开日2011年10月26日 申请日期2011年2月27日 优先权日2011年2月27日
发明者周磊, 夏华龙, 张慧萍, 曾亚, 罗贻康 申请人:上海埃威航空电子有限公司