“計算機控制”課程設計的探索

孫崎嶇，孫麗宏，李 梅

(中國計量學院機電工程學院，浙江 杭州 310018)

高校許多專業(yè)都開設有“計算機控制”課程，該課程理論性較強，學習起來抽象難懂，所以有必要開設相關的實踐環(huán)節(jié)，強化理論學習。

本文介紹了一項簡單的“計算機控制”的課程設計，主要是基于數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)對一個二階系統(tǒng)的計算機控制。通過該課程設計，可以鍛煉學生綜合運用所學知識解決問題和分析問題的能力，深化計算機控制的理論和實踐學習。

1 計算機控制系統(tǒng)的構成

典型的計算機控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，數(shù)字控制器是計算機控制系統(tǒng)的核心部分。計算機控制算法根據(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動。

本課程設計的主要內容就是設計一個典型的計算機控制系統(tǒng)，重點在于數(shù)字控制器的設計;除此之外還要進行硬件設計及數(shù)字控制器的軟件實現(xiàn)。

圖1 計算機控制系統(tǒng)

2 設計任務

為了便于管理，我們將學生分組，每組7～8人，每組題目略有差別，采用如下幾種設計任務。

(1)利用運算放大器設計一個二階控制對象的模擬控制電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個二階閉環(huán)系統(tǒng)，并能提供5V階躍輸入信號。控制對象的傳遞函數(shù)如表1所示。

表1 模擬控制對象的傳遞函數(shù)

(2)根據(jù)指定的被控對象，利用計算機、數(shù)據(jù)采集卡和模擬控制對象電路組成一個計算機控制系統(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現(xiàn)硬件電路［1］。

(3)設計一個最少拍數(shù)字控制器;用Visual Basic編制程序實現(xiàn)最少拍控制算法;調試系統(tǒng)后觀察并記錄最少拍控制系統(tǒng)的階躍響應曲線。

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

(5)比較分析最少拍控制系統(tǒng)的Matlab仿真結果與實際測量結果，完成報告。

本課程設計的時間設置為三周，一般安排在學期末。由于電路設計和電路板制作需要較長時間，通常在學期初將任務布置下去，組織各組討論，幾周后每班分別提交2～3個方案，審閱修改后制作版圖，同時進行控制算法的編程實現(xiàn)。在集中設計的三周時間里，完成購買材料和電路板焊接;調試及Matlab仿真;設計結果進行分析并撰寫報告，最后進行答辯。

3 計算機控制的實現(xiàn)

3.1 硬件實現(xiàn)

被控對象為二階系統(tǒng)，可利用到典型的慣性環(huán)節(jié)電路構成，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所示的典型計算機控制框圖，可得到控制系統(tǒng)的模擬電路框圖如圖3所示。5V電源和按鈕產生控制所需的階躍信號。數(shù)模轉換由數(shù)據(jù)采集卡自帶AD和DA實現(xiàn)，接口電路見文獻［2］。

圖3 模擬控制電路系統(tǒng)原理圖

為了對比有無計算機控制時的系統(tǒng)響應，利用可選模塊J13和J15的1-1或2-2端子分別進行控制。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通道都設有兩組可供選擇。

3.2 計算機算法的實現(xiàn)

控制系統(tǒng)的核心是計算機算法，即數(shù)字控制器的設計。計算機算法有多種，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［3］。

一旦求解出系統(tǒng)的數(shù)字控制器，就可以利用計算機語言編程實現(xiàn)。本設計采用的是VB，可進行參數(shù)設置。算法選擇及計算機控制系統(tǒng)的輸出顯示，當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

為了對比設計控制效果，設計了Matlab仿真環(huán)節(jié)。利用Simulink搭建最少拍控制系統(tǒng)框圖(圖4)并設置各模塊參數(shù)。注意修改離散時間模塊和零階保持器的采樣時間常數(shù)，每一模塊的采樣時間要保持一致;最后進行仿真運行，得到計算機控制系統(tǒng)單位階躍響應的Matlab仿真結果。

圖4 最少拍控制系統(tǒng)Simulink仿真

3.4 結果比較

得到的計算機控制實際輸出響應和Matlab仿真輸出結果后，即可進行比較分析，從而得出最少拍控制的特點以及誤差產生的原因。

4 結語

經(jīng)過幾屆學生的實踐，本課程設計的組織和實施過程日益完善，也得到了學生的好評。該課程設計將原本抽象的計算機控制用一個簡單的實例進行詮釋，使學生對計算機控制有更直觀的認識。另外全程參與和動手實現(xiàn)環(huán)節(jié)的設置也提高了學生的學習興趣，鍛煉了其動手能力和創(chuàng)新能力。

［1］胡燁.姚鵬翼.陳明等.Protel 99SE原理圖與PCB設計教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社.2010

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

［2］李明學.周廣興.于海英等.計算機控制技術［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社.2001