摘 要：文中介紹了一種既能體現(xiàn)工業(yè)控制計算機的特點,又面向自動化工程實際應用的計算機控制實驗教學內容的設計方案,闡述了與實驗教學內容相適應的計算機控制實驗裝置的研制指導思想和主要功能。

關鍵詞：自動化;工業(yè)控制計算機;實驗內容;實驗裝置

Abstract: This article introduced a designed scheme of computer control experimental teaching contents, which could not only reflect the characteristic of IPC, but also be applied in practical automation engineering.The development idea and basic functions of this experimental apparatus of computer control correspoding with the experimental teaching contents were described.

Key words: automation; Industrial Personal Computer （IPC） ; experimental contents; experimental apparatus

1 引 言

《計算機控制技術》課程在自動化專業(yè)教學計劃中是一門重要的專業(yè)課。其主要任務是使學生獲得計算機控制系統(tǒng)的組成、原理、設計等基礎知識和基本應用技術。實驗課是本課程重要的教學環(huán)節(jié)，其目的是使學生在了解計算機控制系統(tǒng)的基本控制方法的基礎上，掌握用C語言程序設計控制系統(tǒng)的方法。培養(yǎng)學生獨立進行計算機控制系統(tǒng)實驗的技能，從而使學生掌握計算機控制系統(tǒng)的一般工程設計方法。

作為一門工程性很強的自動化專業(yè)課程,一直以來在我系微機原理實驗室做計算機控制技術實驗內容顯然不行。因此,從2002年初起,我系開始計劃籌建計算機控制技術專業(yè)實驗室。在籌建的過程中,我系對國內很多大學正在使用或市場上銷售的計算機控制實驗裝置進行了考察，結果發(fā)現(xiàn)它們在實驗教學功能上普遍存在兩點不足：一是實驗內容陳舊;二是不能體現(xiàn)工業(yè)控制計算機在實際工程應用中的特點。最終未能找到合適的面向自動化專業(yè)工程實際的計算機控制實驗教學裝置。2003年3月，我系該項目負責人決定自主設計計算機控制實驗內容并開發(fā)相應的實驗裝置。經過多次對實驗內容及樣機進行修改后,批量生產17臺計算機控制技術實驗裝置裝備我系計算機控制技術實驗室, 2004年10月首次用于2000級自動化專業(yè)本科生的計算機控制技術課程實驗教學,學生普遍反映實驗內容工程性強，實驗教學效果良好。

2 實驗內容的設計

對于工業(yè)控制計算機作為計算機控制系統(tǒng)的核心來說,首先在實驗教學中應體現(xiàn)其作為工業(yè)控制器的特點,只有這樣,才能讓學生充分理解工業(yè)控制計算機的硬件特性和功能。其次,要面向自動化專業(yè)的學生,將實驗內容與工程實際結合起來,以提高學生的學習興趣,培養(yǎng)學生的工程意識。此外,考慮到學生做計算機控制技術實驗時已經具有微機原理、單片機等很多課程實驗的基礎,實驗內容的難度要適當提高,以綜合設計性實驗為主,提高學生的創(chuàng)新能力。根據(jù)教學計劃,計算機控制技術實驗共6個學時,學期末有為期一周的計算機控制技術課程設計,實驗室對全校學生實行全開放型預約實驗。

2. 1 實驗裝置熟悉及I/O通道實驗

計算機控制技術實驗裝置采用積木式結構、使用非常方便。第一次實驗開始時首先由實驗教師向學生介紹實驗裝置功能,然后學生花很短時間熟悉實驗裝置并重點掌握基本輸入輸出通道的功能。I/O通道包括8路數(shù)字量輸入、8路數(shù)字量輸出、4路模擬量輸入和2路模擬量輸出。學生在掌握板卡常用功能的基礎上, 使用C語言程序編寫初始化pcl812板卡子程序（其功能是初始化pcl812板卡，設置pcl板卡數(shù)據(jù)讀取方式，設置中斷計數(shù)器）和初始化中斷及中斷服務子程序。并由定時器中斷觸發(fā)啟動A /D轉換，實現(xiàn)對外部開關信號、模擬量等進行采集。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似,學生通常都能較好地掌握,從而達到實驗目的。

2. 2 濾波實驗

計算機控制系統(tǒng)在生產現(xiàn)場運行，信號的采集、轉換必然受到生產現(xiàn)場各種強烈的干擾，如電網的波動、強電設備的啟停、高壓設備和開關的電磁輻射等造成的干擾都會竄入I/O通道，輕則使采集的信號不精確，重則使系統(tǒng)無法正常運行[1]。

為了提高計算機控制系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)設計時必須采取多種抗干擾措施。如果在實驗教學中不安排I/O通道抗干擾方面的內容,對于學生真正掌握計算機控制系統(tǒng)的組成和特點都不利。常用的抑制串模干擾的方法有兩個：一個是根據(jù)干擾信號的特性來選擇模擬輸入濾波器;另一個是采用數(shù)字濾波技術，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(shù)字濾波器能夠更好的幫助學生理解計算機控制系統(tǒng)的特點。學生實驗時,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《計算機控制技術實驗指導書》中關于實現(xiàn)數(shù)字濾波器的介紹,分析數(shù)字濾波算法的程序框圖,要求學生自行編寫各種數(shù)字濾波算法程序,再輸入A/D通道采集的混合信號,驗證數(shù)字濾波器的濾波效果。本次實驗主要是讓學生熟悉數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法,認識工業(yè)控制計算機的硬件特性,理解板卡的有關驅動程序及板卡設置等都有很大的幫助。因為實驗室是全開放的,對于學有余力或有興趣的學生,還可以加做其他高級濾波算法的實驗,自行設計數(shù)字濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)并編程實現(xiàn)數(shù)字濾波器。

2. 3 數(shù)字PID算法實驗

本次實驗要求學生根據(jù)被控對象的傳遞函數(shù)，設計被控對象的控制器傳遞函數(shù)。采用PID位置式遞推算式、PID增量式遞推算式、防積分飽和PID控制算法實現(xiàn)對被控對象的控制。根據(jù)PID控制對象的參數(shù)整定方法，確定P、I、D參數(shù)。通過連線使學生對計算機控制系統(tǒng)的結構有整體認識。

學生在做實驗時，把產生帶有高頻噪聲干擾的有用信號，讓其通過模擬低通濾波器之后，將濾波器輸出作為閉環(huán)系統(tǒng)的給定輸入并經模擬量輸入通道一進行數(shù)據(jù)采集。模擬對象輸出作為單位負反饋信號并經模擬量輸入通道一進行數(shù)據(jù)采集。當板卡采集到給定和反饋信號后,要求學生調用自編的PID控制算法子程序,根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量?？刂屏客ㄟ^模擬量輸出通道1輸出加到模擬對象的輸入端對其進行閉環(huán)控制，并調用編寫的顯示圖形子程序,將控制結果及參數(shù)實時顯示出來?？偠灾?前三次實驗內容,既是相互獨立的,又是相互關聯(lián)的。通過前三次實驗,加強學生對使用板卡進行數(shù)據(jù)采集過程的理解,為將工業(yè)控制計算機用于計算機控制系統(tǒng)工程實際打下一定基礎。

2. 4 綜合設計實驗

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(tǒng)中,也用于隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產自動化的發(fā)展和過程控制要求的日益復雜而產生的集散控制系統(tǒng)中。由于工業(yè)控制計算機在工業(yè)生產中的實際應用系統(tǒng)通常較為復雜,而實驗教學的課時又非常有限。要想在有限的實驗教學課時內設計出真正的實用系統(tǒng)是不現(xiàn)實的。因此,從工程實際應用系統(tǒng)中抽取“工業(yè)控制計算機控制直流伺服系統(tǒng)設計”、“工業(yè)控制計算機控制溫度控制系統(tǒng)設計”、“工業(yè)控制計算機控制集散控制系統(tǒng)設計”等綜合設計性實驗。這些實驗,既能體現(xiàn)工業(yè)控制計算機的優(yōu)越性,接近自動化專業(yè)學生今后工作的工程實際,又可以在時間內完成。通過學期末課程設計開設的綜合設計性實驗內容,加強學生對工業(yè)控制計算機在工程實際中應用的了解,培養(yǎng)學生的工程興趣,提高學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力。綜合設計性實驗要求有多個實驗題目。每個自然班被分成若干組，每組2～3人。前三次實驗內容使用的掛箱,在綜合設計性實驗中多數(shù)可以直接調用,這樣既讓學生明白前幾次實驗內容的工程價值,又減少在綜合實驗中所花的時間。學生在一周的課程設計時間里,基本上能夠完成一個綜合設計性實驗。

3 實驗裝置的研制

為了滿足自動化專業(yè)實驗教學內容的要求,研制了一套計算機控制技術實驗裝置。同時根據(jù)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。臺灣研華公司生產的研華原裝工業(yè)控制計算機IPC-610L是專門為工業(yè)控制系統(tǒng)而設計的,在工業(yè)電腦和自動化市場中應用非常廣泛。我系計算機控制技術課程選擇工業(yè)控制計算機作為教學機型,因此本實驗裝置研華原裝工業(yè)控制計算機進行開發(fā)。

3. 1 研制的指導思想

（1） 便于綜合性、設計性實驗的實現(xiàn)。設計性及綜合性實驗是提高學生創(chuàng)新能力的重要手段。計算機控制技術實驗裝置具有多功能性,輸入輸出接口功能較強,便于綜合性、設計性實驗的實現(xiàn)。

（2） 便于開放式實驗教學。計算機控制技術實驗裝置采用積木式結構,操作方便,安全性好,便于開放式實驗教學的實行。

（3） 實驗教學面向工程實際。注重貫徹實驗教學面向工程實際的思想。結合所設計的實驗教學內容,使學生明白工業(yè)控制計算機在自己畢業(yè)以后實際工作中的用途及使用方法,從而培養(yǎng)學生的工程興趣,提高實驗教學效果。在計算機控制技術實驗裝置研制之初,就制定了上述幾個指導思想,研制過程中,經過對樣機多次改進,最后用于學生實驗的實驗裝置,也基本上體現(xiàn)了這樣的指導思想。

3. 2 裝置的基本功能

本實驗裝置由工業(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板卡用來對光電編碼器的脈沖進行計數(shù)，插在ISA7插槽中。

UNIT1～UNIT4的每個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、用途廣泛。UNIT1面板包括電源控制、信號源和通道實驗三個部分。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UNIT1掛箱內印制電路板上的撥碼開關切換輸出脈沖噪聲或均勻噪聲。階躍信號源可以通過手動調節(jié)電位器提供-10～10V的直流輸出，并可通過乒乓開關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嘞嗉与娐贰Ｍǖ缹嶒灢糠职?路數(shù)字量輸入、8路數(shù)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驗和數(shù)字PID算法實驗。包括模擬濾波電路、數(shù)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(shù)字濾波電路只是一個示意圖，并無實際電路。在示意圖上標注說明濾波輸入經A/D通道1進入工業(yè)控制計算機，濾波輸出經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。學生實驗時,只要按要求把混合信號插入指定的A/D通道端口即可觀察濾波效果。模擬對象電路主要有運算放大器和若干電容、電阻組成。學生做實驗時可通過UNIT2掛箱面板上的乒乓開關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(shù)為：

UNIT3主要用于完成電機位置控制和轉速控制實驗，附加集散控制系統(tǒng)實驗示意圖。電機控制原理圖如圖3所示。電機位置控制實質是構成一個位置環(huán)，輸入脈沖序列和反饋脈沖序列產生位置誤差脈沖序列信號，誤差脈沖序列信號加到驅動板上，以H型雙極可逆PWM方式驅動直流伺服電機低速高轉矩轉動，到達期望位置。圖3中的A/D和D/A均通過PCL-812PG板卡實現(xiàn)，脈沖板指插在工業(yè)控制計算機ISA10插槽中的PCL-833板卡。驅動板在UNIT3掛箱內部，它是H型雙極可逆PWM驅動系統(tǒng)。增量式光電編碼器每圈可輸出1024個A相和B相脈沖和1個零位脈沖，A、B相脈沖信號的相位差為90度。三個脈沖信號均為差分信號，輸入到PCL833脈沖板進行脈沖計數(shù)。學生實驗時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D/A通道輸出控制電壓，當控制電壓為-10～10V時，驅動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生畢竟是在做計算機控制技術實驗,應將訓練的重點放在控制算法的掌握上,盡量減少學生在其它設計和調試中所花的時間。同時,將實驗裝置的電路原理圖附在實驗指導書的后面,供學生學習參考用。

圖3 電機控制原理圖

集散控制系統(tǒng)實驗在UNIT3掛箱內并無實際電路。集散控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網卡和TCP/IP協(xié)議構成的現(xiàn)場總線，現(xiàn)場總線將上位機和下位機連接起來，組成集散控制系統(tǒng)。下位機的數(shù)據(jù)傳輸線通過集線器與上位機交換數(shù)據(jù)。實驗軟件分為兩部分：上位機上有集散控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，在Windows2000下的組態(tài)王6.5軟件中運行;下位機是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集界面，也運行于組態(tài)王6.5環(huán)境下。

集散控制系統(tǒng)實驗結構圖如圖4所示。

圖4 集散控制系統(tǒng)實驗結構圖

UNIT4主要用于完成溫度控制實驗及實驗裝置的顯示任務。在溫度控制中，ADAM4016是關鍵元件。ADAM4016發(fā)出三路開關信號去控制三個固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器通過控制交流電源的通斷去控制發(fā)熱體的實際功率，發(fā)熱體是由三個20W的烙鐵頭緊箍在一起組成。溫度傳感器是Pt100。溫度信號由一體化變送器變成電流信號0～200℃對應4～20mA。變送器還可實時地顯示發(fā)熱體的溫度。實驗裝置采用三星15英寸液晶顯示屏顯示實驗結果。

圖5 溫度控制原理圖

根據(jù)綜合設計性實驗的需要,設計了相應的典型控制對象模型，例如自制直流機組和發(fā)熱體。這些控制對象模型與工程實際中的系統(tǒng)特性相似,只是體積小一些,輔助電路簡化了一些。學生實驗時,可以在實驗裝置上根據(jù)需要搭接不同掛箱,并通過輸入輸出通道將這些控制對象與計算機控制系統(tǒng)相連。

計算機控制技術實驗裝置見圖6，已通過學校專家的鑒定,專家一致認為該實驗裝置以工業(yè)控制計算機為核心，采用積木式結構，按實際工業(yè)控制系統(tǒng)標準設計，使用方便，實驗內容豐富，有助于提高學生的動手能力、工業(yè)控制計算機的使用能力和軟件編程能力，全面提高學生對計算機控制技術的應用水平，并給教師和研究生提供了一個科研及產品開發(fā)的平臺，其綜合設計思想先進,目前已達到國內領先水平。

圖6 計算機控制技術實驗裝置

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