計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)裝置研制
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《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》課程在自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)計(jì)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、原理、設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)知識(shí)和基本應(yīng)用技術(shù)。實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)控制系統(tǒng)的方法。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的技能，從而使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般工程設(shè)計(jì)方法。
作為一門工程性很強(qiáng)的自動(dòng)化專業(yè)課程,一直以來在我系微機(jī)原理實(shí)驗(yàn)室做計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容顯然不行。因此,從2002年初起,我系開始計(jì)劃籌建計(jì)算機(jī)控制技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。在籌建的過程中,我系對(duì)國內(nèi)很多大學(xué)正在使用或市場(chǎng)上銷售的計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)功能上普遍存在兩點(diǎn)不足：一是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊;二是不能體現(xiàn)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在實(shí)際工程應(yīng)用中的特點(diǎn)。最終未能找到合適的面向自動(dòng)化專業(yè)工程實(shí)際的計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。2003年3月，我系該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人決定自主設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并開發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置。經(jīng)過多次對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及樣機(jī)進(jìn)行修改后,批量生產(chǎn)17臺(tái)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置裝備我系計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,2004年10月首次用于2000級(jí)自動(dòng)化專業(yè)本科生的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué),學(xué)生普遍反映實(shí)驗(yàn)內(nèi)容工程性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好。
2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)
對(duì)于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心來說,首先在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)體現(xiàn)其作為工業(yè)控制器的特點(diǎn),只有這樣,才能讓學(xué)生充分理解工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的硬件特性和功能。其次,要面向自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生,將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與工程實(shí)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(shí)。此外,考慮到學(xué)生做計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)已經(jīng)具有微機(jī)原理、單片機(jī)等很多課程實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的難度要適當(dāng)提高,以綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主,提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。根據(jù)教學(xué)計(jì)劃,計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)共6個(gè)學(xué)時(shí),學(xué)期末有為期一周的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)室對(duì)全校學(xué)生實(shí)行全開放型預(yù)約實(shí)驗(yàn)。
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置熟悉及I/O通道實(shí)驗(yàn)
計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置采用積木式結(jié)構(gòu)、使用非常方便。第一次實(shí)驗(yàn)開始時(shí)首先由實(shí)驗(yàn)教師向?qū)W生介紹實(shí)驗(yàn)裝置功能,然后學(xué)生花很短時(shí)間熟悉實(shí)驗(yàn)裝置并重點(diǎn)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(jì)數(shù)器）和初始化中斷及中斷服務(wù)子程序。并由定時(shí)器中斷觸發(fā)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部開關(guān)信號(hào)、模擬量等進(jìn)行采集。由于工業(yè)控制計(jì)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(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?BR>
2.2 濾波實(shí)驗(yàn)
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換必然受到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種強(qiáng)烈的干擾，如電網(wǎng)的波動(dòng)、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(huì)竄入I/O通道，輕則使采集的信號(hào)不精確，重則使系統(tǒng)無法正常運(yùn)行[1]。
為了提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須采取多種抗干擾措施。如果在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不安排I/O通道抗干擾方面的內(nèi)容,對(duì)于學(xué)生真正掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)都不利。常用的抑制串模干擾的方法有兩個(gè)：一個(gè)是根據(jù)干擾信號(hào)的特性來選擇模擬輸入濾波器;另一個(gè)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(hào)[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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí),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(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》中關(guān)于實(shí)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(hào),驗(yàn)證數(shù)字濾波器的濾波效果。本次實(shí)驗(yàn)主要是讓學(xué)生熟悉數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法,認(rèn)識(shí)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的硬件特性,理解板卡的有關(guān)驅(qū)動(dòng)程序及板卡設(shè)置等都有很大的幫助。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室是全開放的,對(duì)于學(xué)有余力或有興趣的學(xué)生,還可以加做其他高級(jí)濾波算法的實(shí)驗(yàn),自行設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)并編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器。
2.3 數(shù)字PID算法實(shí)驗(yàn)
本次實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)被控對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。根據(jù)PID控制對(duì)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(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有整體認(rèn)識(shí)。
學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，把產(chǎn)生帶有高頻噪聲干擾的有用信號(hào)，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(duì)象輸出作為單位負(fù)反饋信號(hào)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(hào)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(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量?？刂屏客ㄟ^模擬量輸出通道1輸出加到模擬對(duì)象的輸入端對(duì)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(shí)時(shí)顯示出來。總而言之,前三次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,既是相互獨(dú)立的,又是相互關(guān)聯(lián)的。通過前三次實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)學(xué)生對(duì)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(jì)算機(jī)用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工程實(shí)際打下一定基礎(chǔ)。
2.4 綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
工業(yè)控制計(jì)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(dòng)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(jì)算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)通常較為復(fù)雜,而實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課時(shí)又非常有限。要想在有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)內(nèi)設(shè)計(jì)出真正的實(shí)用系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。因此,從工程實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中抽取“工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制直流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制集散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn),既能體現(xiàn)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性,接近自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生今后工作的工程實(shí)際,又可以在時(shí)間內(nèi)完成。通過學(xué)期末課程設(shè)計(jì)開設(shè)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在工程實(shí)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(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求有多個(gè)實(shí)驗(yàn)題目。每個(gè)自然班被分成若干組，每組2～3人。前三次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使用的掛箱,在綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中多數(shù)可以直接調(diào)用,這樣既讓學(xué)生明白前幾次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的工程價(jià)值,又減少在綜合實(shí)驗(yàn)中所花的時(shí)間。學(xué)生在一周的課程設(shè)計(jì)時(shí)間里,基本上能夠完成一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。
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