“計(jì)算機(jī)控制”課程設(shè)計(jì)的探索

孫崎嶇，孫麗宏，李 梅

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

高校許多專業(yè)都開設(shè)有“計(jì)算機(jī)控制”課程，該課程理論性較強(qiáng)，學(xué)習(xí)起來抽象難懂，所以有必要開設(shè)相關(guān)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，強(qiáng)化理論學(xué)習(xí)。

本文介紹了一項(xiàng)簡(jiǎn)單的“計(jì)算機(jī)控制”的課程設(shè)計(jì)，主要是基于數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)二階系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制。通過該課程設(shè)計(jì)，可以鍛煉學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題和分析問題的能力，深化計(jì)算機(jī)控制的理論和實(shí)踐學(xué)習(xí)。

1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，數(shù)字控制器是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分。計(jì)算機(jī)控制算法根據(jù)系統(tǒng)的誤差，求出控制量u*(t)，使系統(tǒng)沿著誤差減小的方向運(yùn)動(dòng)。

本課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是設(shè)計(jì)一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，重點(diǎn)在于數(shù)字控制器的設(shè)計(jì);除此之外還要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)及數(shù)字控制器的軟件實(shí)現(xiàn)。

圖1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

2 設(shè)計(jì)任務(wù)

為了便于管理，我們將學(xué)生分組，每組7～8人，每組題目略有差別，采用如下幾種設(shè)計(jì)任務(wù)。

(1)利用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一個(gè)二階控制對(duì)象的模擬控制電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)二階閉環(huán)系統(tǒng)，并能提供5V階躍輸入信號(hào)。控制對(duì)象的傳遞函數(shù)如表1所示。

表1 模擬控制對(duì)象的傳遞函數(shù)

(2)根據(jù)指定的被控對(duì)象，利用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和模擬控制對(duì)象電路組成一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。利用Protel繪制系統(tǒng)的原理圖和PCB板圖;制作電路板并焊接元件實(shí)現(xiàn)硬件電路［1］。

(3)設(shè)計(jì)一個(gè)最少拍數(shù)字控制器;用Visual Basic編制程序?qū)崿F(xiàn)最少拍控制算法;調(diào)試系統(tǒng)后觀察并記錄最少拍控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。

(4)利用Matlab仿真實(shí)現(xiàn)最少拍控制系統(tǒng)，觀察并記錄最少拍控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。

(5)比較分析最少拍控制系統(tǒng)的Matlab仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果，完成報(bào)告。

本課程設(shè)計(jì)的時(shí)間設(shè)置為三周，一般安排在學(xué)期末。由于電路設(shè)計(jì)和電路板制作需要較長(zhǎng)時(shí)間，通常在學(xué)期初將任務(wù)布置下去，組織各組討論，幾周后每班分別提交2～3個(gè)方案，審閱修改后制作版圖，同時(shí)進(jìn)行控制算法的編程實(shí)現(xiàn)。在集中設(shè)計(jì)的三周時(shí)間里，完成購(gòu)買材料和電路板焊接;調(diào)試及Matlab仿真;設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析并撰寫報(bào)告，最后進(jìn)行答辯。

3 計(jì)算機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

被控對(duì)象為二階系統(tǒng)，可利用到典型的慣性環(huán)節(jié)電路構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 慣性環(huán)節(jié)

該慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

式中，k=R1/R0，T=R1C。

由圖1所示的典型計(jì)算機(jī)控制框圖，可得到控制系統(tǒng)的模擬電路框圖如圖3所示。5V電源和按鈕產(chǎn)生控制所需的階躍信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換由數(shù)據(jù)采集卡自帶AD和DA實(shí)現(xiàn)，接口電路見文獻(xiàn)［2］。

圖3 模擬控制電路系統(tǒng)原理圖

為了對(duì)比有無計(jì)算機(jī)控制時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)，利用可選模塊J13和J15的1-1或2-2端子分別進(jìn)行控制。另外防止數(shù)據(jù)采集卡的輸入和輸出通道的損壞，AD和DA通道都設(shè)有兩組可供選擇。

3.2 計(jì)算機(jī)算法的實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)的核心是計(jì)算機(jī)算法，即數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)算法有多種，最基本的就是最少拍算法。最少拍控制算法的原理參見文獻(xiàn)［3］。

一旦求解出系統(tǒng)的數(shù)字控制器，就可以利用計(jì)算機(jī)語言編程實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用的是VB，可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。算法選擇及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸出顯示，當(dāng)然還可以用示波器捕捉系統(tǒng)的輸出。

3.3 最少拍控制系統(tǒng)的Matlab仿真

為了對(duì)比設(shè)計(jì)控制效果，設(shè)計(jì)了Matlab仿真環(huán)節(jié)。利用Simulink搭建最少拍控制系統(tǒng)框圖(圖4)并設(shè)置各模塊參數(shù)。注意修改離散時(shí)間模塊和零階保持器的采樣時(shí)間常數(shù)，每一模塊的采樣時(shí)間要保持一致;最后進(jìn)行仿真運(yùn)行，得到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的Matlab仿真結(jié)果。

圖4 最少拍控制系統(tǒng)Simulink仿真

3.4 結(jié)果比較

得到的計(jì)算機(jī)控制實(shí)際輸出響應(yīng)和Matlab仿真輸出結(jié)果后，即可進(jìn)行比較分析，從而得出最少拍控制的特點(diǎn)以及誤差產(chǎn)生的原因。

4 結(jié)語

經(jīng)過幾屆學(xué)生的實(shí)踐，本課程設(shè)計(jì)的組織和實(shí)施過程日益完善，也得到了學(xué)生的好評(píng)。該課程設(shè)計(jì)將原本抽象的計(jì)算機(jī)控制用一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例進(jìn)行詮釋，使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)控制有更直觀的認(rèn)識(shí)。另外全程參與和動(dòng)手實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了其動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

［1］胡燁.姚鵬翼.陳明等.Protel 99SE原理圖與PCB設(shè)計(jì)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2010

［2］PCI2003數(shù)據(jù)采集卡說明書［M］.北京:北京阿爾泰科貿(mào)有限公司

［2］李明學(xué).周廣興.于海英等.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.2001