計算機控制實(shí)驗內容設計及實(shí)驗裝置研制
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《計算機控制技術(shù)》課程在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)計劃中是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課。其主要任務(wù)是使學(xué)生獲得計算機控制系統的組成、原理、設計等基礎知識和基本應用技術(shù)。實(shí)驗課是本課程重要的教學(xué)環(huán)節，其目的是使學(xué)生在了解計算機控制系統的基本控制方法的基礎上，掌握用C語(yǔ)言程序設計控制系統的方法。培養學(xué)生獨立進(jìn)行計算機控制系統實(shí)驗的技能，從而使學(xué)生掌握計算機控制系統的一般工程設計方法。
作為一門(mén)工程性很強的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)課程,一直以來(lái)在我系微機原理實(shí)驗室做計算機控制技術(shù)實(shí)驗內容顯然不行。因此,從2002年初起,我系開(kāi)始計劃籌建計算機控制技術(shù)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗室。在籌建的過(guò)程中,我系對國內很多大學(xué)正在使用或市場(chǎng)上銷(xiāo)售的計算機控制實(shí)驗裝置進(jìn)行了考察，結果發(fā)現它們在實(shí)驗教學(xué)功能上普遍存在兩點(diǎn)不足：一是實(shí)驗內容陳舊;二是不能體現工業(yè)控制計算機在實(shí)際工程應用中的特點(diǎn)。最終未能找到合適的面向自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)工程實(shí)際的計算機控制實(shí)驗教學(xué)裝置。2003年3月，我系該項目負責人決定自主設計計算機控制實(shí)驗內容并開(kāi)發(fā)相應的實(shí)驗裝置。經(jīng)過(guò)多次對實(shí)驗內容及樣機進(jìn)行修改后,批量生產(chǎn)17臺計算機控制技術(shù)實(shí)驗裝置裝備我系計算機控制技術(shù)實(shí)驗室,2004年10月首次用于2000級自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科生的計算機控制技術(shù)課程實(shí)驗教學(xué),學(xué)生普遍反映實(shí)驗內容工程性強，實(shí)驗教學(xué)效果良好。
2實(shí)驗內容的設計
對于工業(yè)控制計算機作為計算機控制系統的核心來(lái)說(shuō),首先在實(shí)驗教學(xué)中應體現其作為工業(yè)控制器的特點(diǎn),只有這樣,才能讓學(xué)生充分理解工業(yè)控制計算機的硬件特性和功能。其次,要面向自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生,將實(shí)驗內容與工程實(shí)際結合起來(lái),以提高學(xué)生的學(xué)習興趣,培養學(xué)生的工程意識。此外,考慮到學(xué)生做計算機控制技術(shù)實(shí)驗時(shí)已經(jīng)具有微機原理、單片機等很多課程實(shí)驗的基礎,實(shí)驗內容的難度要適當提高,以綜合設計性實(shí)驗為主,提高學(xué)生的創(chuàng )新能力。根據教學(xué)計劃,計算機控制技術(shù)實(shí)驗共6個(gè)學(xué)時(shí),學(xué)期末有為期一周的計算機控制技術(shù)課程設計,實(shí)驗室對全校學(xué)生實(shí)行全開(kāi)放型預約實(shí)驗。
2.1 實(shí)驗裝置熟悉及I/O通道實(shí)驗
計算機控制技術(shù)實(shí)驗裝置采用積木式結構、使用非常方便。第一次實(shí)驗開(kāi)始時(shí)首先由實(shí)驗教師向學(xué)生介紹實(shí)驗裝置功能,然后學(xué)生花很短時(shí)間熟悉實(shí)驗裝置并重點(diǎn)掌握基本輸入輸出通道的功能。I/O通道包括8路數字量輸入、8路數字量輸出、4路模擬量輸入和2路模擬量輸出。學(xué)生在掌握板卡常用功能的基礎上,使用C語(yǔ)言程序編寫(xiě)初始化pcl812板卡子程序（其功能是初始化pcl812板卡，設置pcl板卡數據讀取方式，設置中斷計數器）和初始化中斷及中斷服務(wù)子程序。并由定時(shí)器中斷觸發(fā)啟動(dòng)A/D轉換，實(shí)現對外部開(kāi)關(guān)信號、模擬量等進(jìn)行采集。由于工業(yè)控制計算機的I/O通道功能比較好理解,且與單片機相應功能類(lèi)似,學(xué)生通常都能較好地掌握,從而達到實(shí)驗目的。
2.2 濾波實(shí)驗
計算機控制系統在生產(chǎn)現場(chǎng)運行，信號的采集、轉換必然受到生產(chǎn)現場(chǎng)各種強烈的干擾，如電網(wǎng)的波動(dòng)、強電設備的啟停、高壓設備和開(kāi)關(guān)的電磁輻射等造成的干擾都會(huì )竄入I/O通道，輕則使采集的信號不精確，重則使系統無(wú)法正常運行[1]。
為了提高計算機控制系統的可靠性，在系統設計時(shí)必須采取多種抗干擾措施。如果在實(shí)驗教學(xué)中不安排I/O通道抗干擾方面的內容,對于學(xué)生真正掌握計算機控制系統的組成和特點(diǎn)都不利。常用的抑制串模干擾的方法有兩個(gè)：一個(gè)是根據干擾信號的特性來(lái)選擇模擬輸入濾波器;另一個(gè)是采用數字濾波技術(shù)，例如可采用平均值法、中值法、一階慣性濾波等算法濾去干擾信號[1]。相比較而言,數字濾波器能夠更好的幫助學(xué)生理解計算機控制系統的特點(diǎn)。學(xué)生實(shí)驗時(shí),要求先讀懂加有詳細注釋的板卡初始化及中斷子程序,然后參考校編《計算機控制技術(shù)實(shí)驗指導書(shū)》中關(guān)于實(shí)現數字濾波器的介紹,分析數字濾波算法的程序框圖,要求學(xué)生自行編寫(xiě)各種數字濾波算法程序,再輸入A/D通道采集的混合信號,驗證數字濾波器的濾波效果。本次實(shí)驗主要是讓學(xué)生熟悉數字濾波器的實(shí)現方法,認識工業(yè)控制計算機的硬件特性,理解板卡的有關(guān)驅動(dòng)程序及板卡設置等都有很大的幫助。因為實(shí)驗室是全開(kāi)放的,對于學(xué)有余力或有興趣的學(xué)生,還可以加做其他高級濾波算法的實(shí)驗,自行設計數字濾波器系統傳遞函數并編程實(shí)現數字濾波器。
2.3 數字PID算法實(shí)驗
本次實(shí)驗要求學(xué)生根據被控對象的傳遞函數，設計被控對象的控制器傳遞函數。采用PID位置式遞推算式、PID增量式遞推算式、防積分飽和PID控制算法實(shí)現對被控對象的控制。根據PID控制對象的參數整定方法，確定P、I、D參數。通過(guò)連線(xiàn)使學(xué)生對計算機控制系統的結構有整體認識。
學(xué)生在做實(shí)驗時(shí)，把產(chǎn)生帶有高頻噪聲干擾的有用信號，讓其通過(guò)模擬低通濾波器之后，將濾波器輸出作為閉環(huán)系統的給定輸入并經(jīng)模擬量輸入通道一進(jìn)行數據采集。模擬對象輸出作為單位負反饋信號并經(jīng)模擬量輸入通道一進(jìn)行數據采集。當板卡采集到給定和反饋信號后,要求學(xué)生調用自編的PID控制算法子程序,根據采樣時(shí)刻的偏差值計算控制量?？刂屏客ㄟ^(guò)模擬量輸出通道1輸出加到模擬對象的輸入端對其進(jìn)行閉環(huán)控制，并調用編寫(xiě)的顯示圖形子程序,將控制結果及參數實(shí)時(shí)顯示出來(lái)?？偠灾?前三次實(shí)驗內容,既是相互獨立的,又是相互關(guān)聯(lián)的。通過(guò)前三次實(shí)驗,加強學(xué)生對使用板卡進(jìn)行數據采集過(guò)程的理解,為將工業(yè)控制計算機用于計算機控制系統工程實(shí)際打下一定基礎。
2.4 綜合設計實(shí)驗
工業(yè)控制計算機在工業(yè)控制中的應用非常廣泛。它可應用于電機控制、溫度控制等系統中,也用于隨著(zhù)現代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展和過(guò)程控制要求的日益復雜而產(chǎn)生的集散控制系統中。由于工業(yè)控制計算機在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應用系統通常較為復雜,而實(shí)驗教學(xué)的課時(shí)又非常有限。要想在有限的實(shí)驗教學(xué)課時(shí)內設計出真正的實(shí)用系統是不現實(shí)的。因此,從工程實(shí)際應用系統中抽取“工業(yè)控制計算機控制直流伺服系統設計”、“工業(yè)控制計算機控制溫度控制系統設計”、“工業(yè)控制計算機控制集散控制系統設計”等綜合設計性實(shí)驗。這些實(shí)驗,既能體現工業(yè)控制計算機的優(yōu)越性,接近自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生今后工作的工程實(shí)際,又可以在時(shí)間內完成。通過(guò)學(xué)期末課程設計開(kāi)設的綜合設計性實(shí)驗內容,加強學(xué)生對工業(yè)控制計算機在工程實(shí)際中應用的了解,培養學(xué)生的工程興趣,提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實(shí)際問(wèn)題的能力。綜合設計性實(shí)驗要求有多個(gè)實(shí)驗題目。每個(gè)自然班被分成若干組，每組2～3人。前三次實(shí)驗內容使用的掛箱,在綜合設計性實(shí)驗中多數可以直接調用,這樣既讓學(xué)生明白前幾次實(shí)驗內容的工程價(jià)值,又減少在綜合實(shí)驗中所花的時(shí)間。學(xué)生在一周的課程設計時(shí)間里,基本上能夠完成一個(gè)綜合設計性實(shí)驗。
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