计算机控制技术实验装置的功能及研制方法

　　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。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17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 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。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[1]。

　　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PID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。***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。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、UNIT1～UNIT4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。UNIT1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。

　　图1 模拟滤波电路图

　　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。

　　图2 模拟对象原理图

　　与图2对应的模拟对象传递函数为：

　　（a） （b） UNIT3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PWM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。

　　图3 电机控制原理图

　　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。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。

　　图4 集散控制系统实验结构图

　　UNIT4主要用于完成温度控制实验及实验装置的显示任务。在温度控制中，ADAM4016是关键元件。ADAM4016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0～200℃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。

　　图5 温度控制原理图

　　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。

　　计算机控制技术实验装置见图6，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。

　　图6 计算机控制技术实验装置