1 引 言

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

作為一門工程性很強(qiáng)的自動化專業(yè)課程,一直以來在我系微機(jī)原理實驗室做計算機(jī)控制技術(shù)實驗內(nèi)容顯然不行。因此,從2002年初起,我系開始計劃籌建計算機(jī)控制技術(shù)專業(yè)實驗室。在籌建的過程中,我系對國內(nèi)很多大學(xué)正在使用或市場上銷售的計算機(jī)控制實驗裝置進(jìn)行了考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們在實驗教學(xué)功能上普遍存在兩點不足：一是實驗內(nèi)容陳舊;二是不能體現(xiàn)工業(yè)控制計算機(jī)在實際工程應(yīng)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(jī)控制實驗教學(xué)裝置。2003年3月，我系該項目負(fù)責(zé)人決定自主設(shè)計計算機(jī)控制實驗內(nèi)容并開發(fā)相應(yīng)的實驗裝置。經(jīng)過多次對實驗內(nèi)容及樣機(jī)進(jìn)行修改后,批量生產(chǎn)17臺計算機(jī)控制技術(shù)實驗裝置裝備我系計算機(jī)控制技術(shù)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(jī)控制技術(shù)課程實驗教學(xué),學(xué)生普遍反映實驗內(nèi)容工程性強(qiáng)，實驗教學(xué)效果良好。

2 實驗內(nèi)容的設(shè)計

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

2. 1實驗裝置熟悉及I/O通道實驗

計算機(jī)控制技術(shù)實驗裝置采用積木式結(jié)構(gòu)、使用非常方便。第一次實驗開始時首先由實驗教師向?qū)W生介紹實驗裝置功能,然后學(xué)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(xué)生在掌握板卡常用功能的基礎(chǔ)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(shè)置pcl板卡數(shù)據(jù)讀取方式，設(shè)置中斷計數(shù)器）和初始化中斷及中斷服務(wù)子程序。并由定時器中斷觸發(fā)啟動A /D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對外部開關(guān)信號、模擬量等進(jìn)行采集。由于工業(yè)控制計算機(jī)的I/O通道功能比較好理解,且與單片機(jī)相應(yīng)功能類似,學(xué)生通常都能較好地掌握,從而達(dá)到實驗?zāi)康摹?/p>

2. 2濾波實驗

計算機(jī)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場運行，信號的采集、轉(zhuǎn)換必然受到生產(chǎn)現(xiàn)場各種強(qiáng)烈的干擾，如電網(wǎng)的波動、強(qiáng)電設(shè)備的啟停、高壓設(shè)備和開關(guān)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(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計時必須采取多種抗干擾措施。如果在實驗教學(xué)中不安排I/O通道抗干擾方面的內(nèi)容,對于學(xué)生真正掌握計算機(jī)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(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(shù)字濾波器能夠更好的幫助學(xué)生理解計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點。學(xué)生實驗時,要求先讀懂加有詳細(xì)注釋的板卡初始化及中斷子程序,然后參考校編《計算機(jī)控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書》中關(guān)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(xué)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(xué)生熟悉數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法,認(rèn)識工業(yè)控制計算機(jī)的硬件特性,理解板卡的有關(guān)驅(qū)動程序及板卡設(shè)置等都有很大的幫助。因為實驗室是全開放的,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驗,自行設(shè)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(xué)生根據(jù)被控對象的傳遞函數(shù)，設(shè)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(xué)生對計算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有整體認(rèn)識。

學(xué)生在做實驗時，把產(chǎn)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(jīng)模擬量輸入通道一進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。模擬對象輸出作為單位負(fù)反饋信號并經(jīng)模擬量輸入通道一進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)板卡采集到給定和反饋信號后,要求學(xué)生調(diào)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(jìn)行閉環(huán)控制，并調(diào)用編寫的顯示圖形子程序,將控制結(jié)果及參數(shù)實時顯示出來?？偠灾?前三次實驗內(nèi)容,既是相互獨立的,又是相互關(guān)聯(lián)的。通過前三次實驗,加強(qiáng)學(xué)生對使用板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程的理解,為將工業(yè)控制計算機(jī)用于計算機(jī)控制系統(tǒng)工程實際打下一定基礎(chǔ)。

2. 4綜合設(shè)計實驗

工業(yè)控制計算機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用非常廣泛。它可應(yīng)用于電機(jī)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(chǎn)自動化的發(fā)展和過程控制要求的日益復(fù)雜而產(chǎn)生的集散控制系統(tǒng)中。由于工業(yè)控制計算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的實際應(yīng)用系統(tǒng)通常較為復(fù)雜,而實驗教學(xué)的課時又非常有限。要想在有限的實驗教學(xué)課時內(nèi)設(shè)計出真正的實用系統(tǒng)是不現(xiàn)實的。因此,從工程實際應(yīng)用系統(tǒng)中抽取“工業(yè)控制計算機(jī)控制直流伺服系統(tǒng)設(shè)計”、“工業(yè)控制計算機(jī)控制溫度控制系統(tǒng)設(shè)計”、“工業(yè)控制計算機(jī)控制集散控制系統(tǒng)設(shè)計”等綜合設(shè)計性實驗。這些實驗,既能體現(xiàn)工業(yè)控制計算機(jī)的優(yōu)越性,接近自動化專業(yè)學(xué)生今后工作的工程實際,又可以在時間內(nèi)完成。通過學(xué)期末課程設(shè)計開設(shè)的綜合設(shè)計性實驗內(nèi)容,加強(qiáng)學(xué)生對工業(yè)控制計算機(jī)在工程實際中應(yīng)用的了解,培養(yǎng)學(xué)生的工程興趣,提高學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力。綜合設(shè)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(nèi)容使用的掛箱,在綜合設(shè)計性實驗中多數(shù)可以直接調(diào)用,這樣既讓學(xué)生明白前幾次實驗內(nèi)容的工程價值,又減少在綜合實驗中所花的時間。學(xué)生在一周的課程設(shè)計時間里,基本上能夠完成一個綜合設(shè)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(xué)內(nèi)容的要求,研制了一套計算機(jī)控制技術(shù)實驗裝置。同時根據(jù)課程設(shè)計內(nèi)容的需要,配套設(shè)計了一些典型控制對象，如自制直流機(jī)組、電烙鐵等。***研華公司生產(chǎn)的研華原裝工業(yè)控制計算機(jī)IPC-610L是專門為工業(yè)控制系統(tǒng)而設(shè)計的,在工業(yè)電腦和自動化市場中應(yīng)用非常廣泛。我系計算機(jī)控制技術(shù)課程選擇工業(yè)控制計算機(jī)作為教學(xué)機(jī)型,因此本實驗裝置研華原裝工業(yè)控制計算機(jī)進(jìn)行開發(fā)。

3. 1研制的指導(dǎo)思想

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

（2） 便于開放式實驗教學(xué)。計算機(jī)控制技術(shù)實驗裝置采用積木式結(jié)構(gòu),操作方便,安全性好,便于開放式實驗教學(xué)的實行。

（3） 實驗教學(xué)面向工程實際。注重貫徹實驗教學(xué)面向工程實際的思想。結(jié)合所設(shè)計的實驗教學(xué)內(nèi)容,使學(xué)生明白工業(yè)控制計算機(jī)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(xué)生的工程興趣,提高實驗教學(xué)效果。在計算機(jī)控制技術(shù)實驗裝置研制之初,就制定了上述幾個指導(dǎo)思想,研制過程中,經(jīng)過對樣機(jī)多次改進(jìn),最后用于學(xué)生實驗的實驗裝置,也基本上體現(xiàn)了這樣的指導(dǎo)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(jī)、UNIT1～UNIT4掛箱及典型控制對象模型組成。工業(yè)控制計算機(jī)是實驗裝置的核心部件，在工業(yè)控制計算機(jī)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(jìn)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(nèi)印制電路板上的撥碼開關(guān)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(diào)節(jié)電位器提供-10～10V的直流輸出，并可通過乒乓開關(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(biāo)注說明濾波輸入經(jīng)A/D通道1進(jìn)入工業(yè)控制計算機(jī)，濾波輸出經(jīng)D/A通道1從工業(yè)控制計算機(jī)輸出，并將2路通道與I/O接口電路相連。學(xué)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(xué)生做實驗時可通過UNIT2掛箱面板上的乒乓開關(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(yīng)的模擬對象傳遞函數(shù)為：

（a） （b） UNIT3主要用于完成電機(jī)位置控制和轉(zhuǎn)速控制實驗，附加集散控制系統(tǒng)實驗示意圖。電機(jī)控制原理圖如圖3所示。電機(jī)位置控制實質(zhì)是構(gòu)成一個位置環(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(qū)動板上，以H型雙極可逆PWM方式驅(qū)動直流伺服電機(jī)低速高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動，到達(dá)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(jī)ISA10插槽中的PCL-833板卡。驅(qū)動板在UNIT3掛箱內(nèi)部，它是H型雙極可逆PWM驅(qū)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(jìn)行脈沖計數(shù)。學(xué)生實驗時可直接將給定信號連接到UNIT1掛箱面板上對應(yīng)的A/D通道，工業(yè)控制計算機(jī)通過D/A通道輸出控制電壓，當(dāng)控制電壓為-10～10V時，驅(qū)動板所輸出的電樞電壓能讓自制的直流電機(jī)組的轉(zhuǎn)速在-1500～1500轉(zhuǎn)/分內(nèi)變化。這樣的設(shè)計主要是考慮到學(xué)生畢竟是在做計算機(jī)控制技術(shù)實驗,應(yīng)將訓(xùn)練的重點放在控制算法的掌握上,盡量減少學(xué)生在其它設(shè)計和調(diào)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(dǎo)書的后面,供學(xué)生學(xué)習(xí)參考用。

圖3 電機(jī)控制原理圖

集散控制系統(tǒng)實驗在UNIT3掛箱內(nèi)并無實際電路。集散控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)卡和TCP/IP協(xié)議構(gòu)成的現(xiàn)場總線，現(xiàn)場總線將上位機(jī)和下位機(jī)連接起來，組成集散控制系統(tǒng)。下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸線通過集線器與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。實驗軟件分為兩部分：上位機(jī)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(jī)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(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 集散控制系統(tǒng)實驗結(jié)構(gòu)圖

UNIT4主要用于完成溫度控制實驗及實驗裝置的顯示任務(wù)。在溫度控制中，ADAM4016是關(guān)鍵元件。ADAM4016發(fā)出三路開關(guān)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(yīng)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(jié)果。

圖5 溫度控制原理圖

根據(jù)綜合設(shè)計性實驗的需要,設(shè)計了相應(yīng)的典型控制對象模型，例如自制直流機(jī)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(xué)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(jī)控制系統(tǒng)相連。

計算機(jī)控制技術(shù)實驗裝置見圖6，已通過學(xué)校專家的鑒定,專家一致認(rèn)為該實驗裝置以工業(yè)控制計算機(jī)為核心，采用積木式結(jié)構(gòu)，按實際工業(yè)控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，使用方便，實驗內(nèi)容豐富，有助于提高學(xué)生的動手能力、工業(yè)控制計算機(jī)的使用能力和軟件編程能力，全面提高學(xué)生對計算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用水平，并給教師和研究生提供了一個科研及產(chǎn)品開發(fā)的平臺，其綜合設(shè)計思想先進(jìn),目前已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖6 計算機(jī)控制技術(shù)實驗裝置