計算機控制實(shí)驗內容設計及實(shí)驗裝置研制
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3實(shí)驗裝置的研制
為了滿(mǎn)足自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)實(shí)驗教學(xué)內容的要求,研制了一套計算機控制技術(shù)實(shí)驗裝置。同時(shí)根據課程設計內容的需要,配套設計了一些典型控制對象，如自制直流機組、電烙鐵等。臺灣研華公司生產(chǎn)的研華原裝工業(yè)控制計算機IPC-610L是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)控制系統而設計的,在工業(yè)電腦和自動(dòng)化市場(chǎng)中應用非常廣泛。我系計算機控制技術(shù)課程選擇工業(yè)控制計算機作為教學(xué)機型,因此本實(shí)驗裝置研華原裝工業(yè)控制計算機進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
3.1 研制的指導思想
（1）便于綜合性、設計性實(shí)驗的實(shí)現。設計性及綜合性實(shí)驗是提高學(xué)生創(chuàng )新能力的重要手段。計算機控制技術(shù)實(shí)驗裝置具有多功能性,輸入輸出接口功能較強,便于綜合性、設計性實(shí)驗的實(shí)現。
（2）便于開(kāi)放式實(shí)驗教學(xué)。計算機控制技術(shù)實(shí)驗裝置采用積木式結構,操作方便,安全性好,便于開(kāi)放式實(shí)驗教學(xué)的實(shí)行。
（3）實(shí)驗教學(xué)面向工程實(shí)際。注重貫徹實(shí)驗教學(xué)面向工程實(shí)際的思想。結合所設計的實(shí)驗教學(xué)內容,使學(xué)生明白工業(yè)控制計算機在自己畢業(yè)以后實(shí)際工作中的用途及使用方法,從而培養學(xué)生的工程興趣,提高實(shí)驗教學(xué)效果。在計算機控制技術(shù)實(shí)驗裝置研制之初,就制定了上述幾個(gè)指導思想,研制過(guò)程中,經(jīng)過(guò)對樣機多次改進(jìn),最后用于學(xué)生實(shí)驗的實(shí)驗裝置,也基本上體現了這樣的指導思想。
3.2 裝置的基本功能
本實(shí)驗裝置由工業(yè)控制計算機、UNIT1～UNIT4掛箱及典型控制對象模型組成。工業(yè)控制計算機是實(shí)驗裝置的核心部件，在工業(yè)控制計算機中還有兩塊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等功能的綜合板，插在ISA10插槽中;PCL-833板卡用來(lái)對光電編碼器的脈沖進(jìn)行計數，插在ISA7插槽中。
UNIT1～UNIT4的每個(gè)掛箱只要拔掉后面的插頭即可方便地拆下，各掛箱之間可靈活組合、操作方便、直觀(guān)、用途廣泛。UNIT1面板包括電源控制、信號源和通道實(shí)驗三個(gè)部分。其中信號源部分包括噪聲源、階躍信號源和混合電路，噪聲源通過(guò)UNIT1掛箱內印制電路板上的撥碼開(kāi)關(guān)切換輸出脈沖噪聲或均勻噪聲。階躍信號源可以通過(guò)手動(dòng)調節電位器提供-10～10V的直流輸出，并可通過(guò)乒乓開(kāi)關(guān)控制直流電源的通和斷提供階躍輸入信號?；旌想娐肥莾陕吠嘞嗉与娐?。通道實(shí)驗部分包括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。
UNIT2掛箱的主要功能是完成濾波實(shí)驗和數字PID算法實(shí)驗。包括模擬濾波電路、數字濾波電路和模擬對象電路三部分。模擬濾波電路圖如圖1所示。
圖1模擬濾波電路圖
在UNIT2掛箱中的數字濾波電路只是一個(gè)示意圖，并無(wú)實(shí)際電路。在示意圖上標注說(shuō)明濾波輸入經(jīng)A/D通道1進(jìn)入工業(yè)控制計算機，濾波輸出經(jīng)D/A通道1從工業(yè)控制計算機輸出，并將2路通道與I/O接口電路相連。學(xué)生實(shí)驗時(shí),只要按要求把混合信號插入指定的A/D通道端口即可觀(guān)察濾波效果。模擬對象電路主要有運算放大器和若干電容、電阻組成。學(xué)生做實(shí)驗時(shí)可通過(guò)UNIT2掛箱面板上的乒乓開(kāi)關(guān)選擇一階或二階模擬對象。各模擬對象的電路原理圖如圖2所示。
圖2模擬對象原理圖
與圖2對應的模擬對象傳遞函數為：
（a）（b）UNIT3主要用于完成電機位置控制和轉速控制實(shí)驗，附加集散控制系統實(shí)驗示意圖。電機控制原理圖如圖3所示。電機位置控制實(shí)質(zhì)是構成一個(gè)位置環(huán)，輸入脈沖序列和反饋脈沖序列產(chǎn)生位置誤差脈沖序列信號，誤差脈沖序列信號加到驅動(dòng)板上，以H型雙極可逆PWM方式驅動(dòng)直流伺服電機低速高轉矩轉動(dòng)，到達期望位置。圖3中的A/D和D/A均通過(guò)PCL-812PG板卡實(shí)現，脈沖板指插在工業(yè)控制計算機ISA10插槽中的PCL-833板卡。驅動(dòng)板在UNIT3掛箱內部，它是H型雙極可逆PWM驅動(dòng)系統。增量式光電編碼器每圈可輸出1024個(gè)A相和B相脈沖和1個(gè)零位脈沖，A、B相脈沖信號的相位差為90度。三個(gè)脈沖信號均為差分信號，輸入到PCL833脈沖板進(jìn)行脈沖計數。學(xué)生實(shí)驗時(shí)可直接將給定信號連接到UNIT1掛箱面板上對應的A/D通道，工業(yè)控制計算機通過(guò)D/A通道輸出控制電壓，當控制電壓為-10～10V時(shí)，驅動(dòng)板所輸出的電樞電壓能讓自制的直流電機組的轉速在-1500～1500轉/分內變化。這樣的設計主要是考慮到學(xué)生畢竟是在做計算機控制技術(shù)實(shí)驗,應將訓練的重點(diǎn)放在控制算法的掌握上,盡量減少學(xué)生在其它設計和調試中所花的時(shí)間。同時(shí),將實(shí)驗裝置的電路原理圖附在實(shí)驗指導書(shū)的后面,供學(xué)生學(xué)習參考用。
圖3電機控制原理圖
集散控制系統實(shí)驗在UNIT3掛箱內并無(wú)實(shí)際電路。集散控制系統采用工業(yè)以太網(wǎng)卡和TCP/IP協(xié)議構成的現場(chǎng)總線(xiàn)，現場(chǎng)總線(xiàn)將上位機和下位機連接起來(lái)，組成集散控制系統。下位機的數據傳輸線(xiàn)通過(guò)集線(xiàn)器與上位機交換數據。實(shí)驗軟件分為兩部分：上位機上有集散控制系統的監控界面，在Windows2000下的組態(tài)王6.5軟件中運行;下位機是現場(chǎng)數據采集界面，也運行于組態(tài)王6.5環(huán)境下。
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