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计算机控制实验内容设计及实验装置研制

2实验内容的设计  对于作为计算机控制系统的核心来说,首先在实验教学中应体现其作为工业控制器的特点,只有这样,才能让学生充分理解的硬件特性和功能。其次,要面向自动化专业的学生,将实验内容与工程实际结合起来,以提高学生的学习兴趣,培养学生的工程意识。此外,考虑到学生做计算机控制技术实验时已经具有微机原理、单片机等很多课程实验的基础,实验内容的难度要适当提高,以综合设计性实验为主,提高学生的创新能力。根据教学计划,计算机控制技术实验共6个学时,学期末有为期一周的计算机控制技术课程设计,实验室对全校学生实行全开放型预约实验。  2.1 实验装置熟悉及I/O通道实验  计算机控制技术实验装置采用积木式结构、使用非常方便。第一次实验开始时首先由实验教师向学生介绍实验装置功能,然后学生花很短时间熟悉实验装置并重点掌握基本输入输出通道的功能。I/O通道包括8路数字量输入、8路数字量输出、4路模拟量输入和2路模拟量输出。学生在掌握板卡常用功能的基础上,使用C语言程序编写初始化pcl812板卡子程序(其功能是初始化pcl812板卡,设置pcl板卡数据读取方式,设置中断计数器)和初始化中断及中断服务子程序。并由定时器中断触发启动A/D转换,实现对外部开关信号、模拟量等进行采集。由于工业控制计算机的I/O通道功能比较好理解,且与单片机相应功能类似,学生通常都能较好地掌握,从而达到实验目的。  2.2 滤波实验  计算机控制系统在生产现场运行,信号的采集、转换必然受到生产现场各种强烈的干扰,如电网的波动、强电设备的启停、高压设备和开关的电磁辐射等造成的干扰都会窜入I/O通道,轻则使采集的信号不精确,重则使系统无法正常运行[1]。  为了提高计算机控制系统的可靠性,在系统设计时必须采取多种抗干扰措施。如果在实验教学中不安排I/O通道抗干扰方面的内容,对于学生真正掌握计算机控制系统的组成和特点都不利。常用的抑制串模干扰的方法有两个:一个是根据干扰信号的特性来选择模拟输入滤波器;另一个是采用数字滤波技术,例如可采用平均值法、中值法、一阶惯性滤波等算法滤去干扰信号[1]。相比较而言,数字滤波器能够更好的帮助学生理解计算机控制系统的特点。学生实验时,要求先读懂加有详细注释的板卡初始化及中断子程序,然后参考校编《计算机控制技术实验指导书》中关于实现数字滤波器的介绍,分析数字滤波算法的程序框图,要求学生自行编写各种数字滤波算法程序,再输入A/D通道采集的混合信号,验证数字滤波器的滤波效果。本次实验主要是让学生熟悉数字滤波器的实现方法,认识工业控制计算机的硬件特性,理解板卡的有关驱动程序及板卡设置等都有很大的帮助。因为实验室是全开放的,对于学有余力或有兴趣的学生,还可以加做其他高级滤波算法的实验,自行设计数字滤波器系统传递函数并编程实现数字滤波器。  2.3 数字PID算法实验  本次实验要求学生根据被控对象的传递函数,设计被控对象的控制器传递函数。采用PID位置式递推算式、PID增量式递推算式、防积分饱和PID控制算法实现对被控对象的控制。根据PID控制对象的参数整定方法,确定P、I、D参数。通过连线使学生对计算机控制系统的结构有整体认识。  学生在做实验时,把产生带有高频噪声干扰的有用信号,让其通过模拟低通滤波器之后,将滤波器输出作为闭环系统的给定输入并经模拟量输入通道一进行数据采集。模拟对象输出作为单位负反馈信号并经模拟量输入通道一进行数据采集。当板卡采集到给定和反馈信号后,要求学生调用自编的PID控制算法子程序,根据采样时刻的偏差值计算控制量。控制量通过模拟量输出通道1输出加到模拟对象的输入端对其进行闭环控制,并调用编写的显示图形子程序,将控制结果及参数实时显示出来。总而言之,前三次实验内容,既是相互独立的,又是相互关联的。通过前三次实验,加强学生对使用板卡进行数据采集过程的理解,为将工业控制计算机用于计算机控制系统工程实际打下一定基础。  2.4 综合设计实验  工业控制计算机在工业控制中的应用非常广泛。它可应用于电机控制、温度控制等系统中,也用于随着现代大型工业生产自动化的发展和过程控制要求的日益复杂而产生的集散控制系统中。由于工业控制计算机在工业生产中的实际应用系统通常较为复杂,而实验教学的课时又非常有限。要想在有限的实验教学课时内设计出真正的实用系统是不现实的。因此,从工程实际应用系统中抽取“工业控制计算机控制直流伺服系统设计”、“工业控制计算机控制温度控制系统设计”、“工业控制计算机控制集散控制系统设计”等综合设计性实验。这些实验,既能体现工业控制计算机的优越性,接近自动化专业学生今后工作的工程实际,又可以在时间内完成。通过学期末课程设计开设的综合设计性实验内容,加强学生对工业控制计算机在工程实际中应用的了解,培养学生的工程兴趣,提高学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。综合设计性实验要求有多个实验题目。每个自然班被分成若干组,每组2~3人。前三次实验内容使用的挂箱,在综合设计性实验中多数可以直接调用,这样既让学生明白前几次实验内容的工程价值,又减少在综合实验中所花的时间。学生在一周的课程设计时间里,基本上能够完成一个综合设计性实验。