計算機(jī)控制實驗內(nèi)容設(shè)計及實驗裝置研制
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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。臺灣研華公司生產(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?。通道實驗部分包括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。
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。
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