徐銀梅 付冬梅 王國霞 李文晶

北京科技大學(xué) 北京 100083

半實(shí)物化綜合控制實(shí)驗(yàn)箱

徐銀梅 付冬梅 王國霞 李文晶

北京科技大學(xué) 北京 100083

半實(shí)物化綜合控制實(shí)驗(yàn)裝置以實(shí)驗(yàn)箱的形式體現(xiàn)，它與PC機(jī)共同組成一個(gè)控制系統(tǒng)，以比純軟件仿真更接近實(shí)際工業(yè)過程的形式為學(xué)生提供了綜合控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。介紹了半實(shí)物化綜合控制實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)思想、硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用情況。

綜合控制實(shí)驗(yàn)箱；硬件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)；低成本

目前自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的方法主要有兩種：第一種是利用軟件,如Matlab的方法來模擬被控系統(tǒng)的控制過程,實(shí)驗(yàn)代價(jià)低,比較經(jīng)濟(jì),但是無法包含控制系統(tǒng)的實(shí)際問題，如積分飽和、數(shù)據(jù)傳輸速率和字節(jié)長度的限制等問題。第二種則是利用專用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)真實(shí)的控制過程，學(xué)生在模擬機(jī)上使用運(yùn)算放大器、電阻、電容等模擬器件組成各種典型環(huán)節(jié)及典型系統(tǒng)，再加入階躍、脈沖、正弦波等典型信號(hào)，用示波器、電壓表、掃頻儀等儀器觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線及各種參數(shù)后進(jìn)行分析。此種實(shí)驗(yàn)方式對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼J(rèn)識(shí)，培養(yǎng)各種儀器的使用能力都有很好的作用，但設(shè)備成本高，開放性差。

半實(shí)物化綜合控制實(shí)驗(yàn)裝置的研制與開發(fā)就是依據(jù)自動(dòng)控制原理中等效模型的原理，以硬件電路模擬實(shí)際被控對(duì)象，以普通微機(jī)作為控制系統(tǒng)的控制器，構(gòu)成一個(gè)低成本的、接近實(shí)際的綜合控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)裝置不僅能真實(shí)地模擬實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的被控對(duì)象和控制過程，并且能夠?qū)⒏鞣N控制算法應(yīng)用于被控對(duì)象，從而分析和比較各種不同控制算法和控制參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，這是該實(shí)驗(yàn)裝置與市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品的最大區(qū)別之一。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)箱與其他控制類實(shí)驗(yàn)箱相比操作簡單，每次使用只需通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連，就可以在計(jì)算機(jī)上完成實(shí)驗(yàn)。這大大減少了設(shè)備維護(hù)的工作量。該實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)應(yīng)了自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的多門課程，屬于綜合實(shí)驗(yàn)裝置，有利于各門課程的融會(huì)貫通，這極大地提高有關(guān)控制課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)效果，為學(xué)生深入理解和運(yùn)用控制理論知識(shí)提供一個(gè)良好的實(shí)踐環(huán)境。

1 總體設(shè)計(jì)思路

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中所用到的控制方式大多是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：將被控系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，利用計(jì)算機(jī)的快速數(shù)據(jù)處理能力，根據(jù)相應(yīng)的控制算法進(jìn)行運(yùn)算，得到對(duì)被控對(duì)象的控制輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)控制，得到理想的控制效果。

該實(shí)驗(yàn)裝置希望能夠在最大程度上模擬實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的整個(gè)控制過程。實(shí)驗(yàn)裝置分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件構(gòu)成的被控對(duì)象的控制。其原理圖如圖1所示：

圖1 半實(shí)物化綜合控制實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

硬件系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)，它模擬被控對(duì)象，并連接被控對(duì)象和軟件系統(tǒng)。主要由被控對(duì)象和控制器組成，控制器通過A/D采集獲得被控系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)傳輸給軟件系統(tǒng)，并且接收軟件系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)算得到的控制量數(shù)據(jù)，利用D/A輸出部件實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制，同時(shí)接收軟件系統(tǒng)發(fā)送的命令數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作。

軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的操作以及控制算法的運(yùn)算。軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)的選擇、實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)的設(shè)定、實(shí)驗(yàn)過程操作、控制算法運(yùn)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的顯示與硬件系統(tǒng)通信等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)說明

筆者將按功能模塊(電源、被控對(duì)象、D/A輸出、控制器)簡要介紹實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)箱硬件板如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)箱硬件板

2.1 電源模塊

該實(shí)驗(yàn)裝置的硬件系統(tǒng)用到的芯片的供電要求均為+5V左右,考慮到單片機(jī)對(duì)供電電源的穩(wěn)定性要求較高,因此,選用7805專用穩(wěn)壓芯片提供穩(wěn)定的+5V電壓。而集成運(yùn)算放大器的供電由于可以在一個(gè)比較大的范圍內(nèi),因此,根據(jù)實(shí)際需要保證供電的范圍大于-10V到+10V之間即可。根據(jù)以上分析,在考慮實(shí)際供電電流需求量的前提下,電源模塊采用外接220V交流電轉(zhuǎn)12V,24V,直流電變壓器或者24V電池組提供-12V,0V,+12V電壓,再用7805提供+5V電壓的方式。

2.2 被控對(duì)象

被控對(duì)象由模擬電路搭建而成，包括以下幾類：

帶純滯后的系統(tǒng)：包括一階純滯后系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)是二階純滯后系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)是G(S)=。

2.3 D/A輸出模塊

由于要實(shí)現(xiàn)算法對(duì)被控對(duì)象的控制，需要具備控制量的輸出功能。因此，要使用D/A轉(zhuǎn)換部件?？紤]到控制精確度的需要和實(shí)際情況，采用DAC0832芯片。DAC0832芯片內(nèi)部具有與計(jì)算機(jī)接口相關(guān)的電路及引腳，其結(jié)構(gòu)特征是：具有數(shù)字輸入鎖存功能電路，能和CPU數(shù)據(jù)總線直接相連；帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器及D/A轉(zhuǎn)換控制端，CPU可以直接控制數(shù)字量的輸入和轉(zhuǎn)換；與CPU相同的單一+5V電源供電?？紤]到對(duì)二階系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)會(huì)出現(xiàn)控制量為負(fù)的狀態(tài)，選擇的是兩級(jí)放大。圖3是DAC0832電路原理圖。

圖3 DAC0832電路原理圖

2.4 控制器

該實(shí)驗(yàn)裝置采用Meg16單片機(jī)作為硬件系統(tǒng)的控制器。Meg16單片機(jī)內(nèi)置A/D采集部件和串口數(shù)據(jù)接收、發(fā)送部件，可以通過編程比較容易地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和接收發(fā)送功能。改進(jìn)型裝置把串口通信改為了USB口，使實(shí)驗(yàn)裝置使用起來更加方便。

控制器的主要作用是：根據(jù)計(jì)時(shí)器的定時(shí)功能按時(shí)進(jìn)行A/D采集，依靠MAX232串口傳輸芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送到軟件系統(tǒng)中，接收軟件發(fā)送來的控制量數(shù)據(jù)，并依靠D/A輸出功能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量控制被控對(duì)象；同時(shí)根據(jù)軟件發(fā)送的命令數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)作(如A/D采集通道的選擇)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)由VB6.0語言編寫，主要模塊的基本功能介紹如下：

3.1 圖像顯示模塊

圖像顯示模塊的主要功能是顯示被控系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線、誤差數(shù)據(jù)曲線、控制量數(shù)據(jù)曲線等，各個(gè)圖像繪制于各自的圖像顯示區(qū)內(nèi)，可以通過相關(guān)的命令按鍵進(jìn)行圖像的切換。為了便于觀察，圖像繪制于圖像顯示區(qū)的坐標(biāo)上，橫坐標(biāo)用于指示時(shí)間，縱坐標(biāo)用于指示相關(guān)數(shù)據(jù)的大小。

為了便于對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行更深入的研究，圖像顯示模塊還具有圖像放大和移動(dòng)功能，以及橫坐標(biāo)刻度值的改變功能。

3.2 系統(tǒng)設(shè)定模塊

系統(tǒng)設(shè)定模塊用于實(shí)現(xiàn)一些參數(shù)的設(shè)定和被控系統(tǒng)的選擇。該實(shí)驗(yàn)裝置的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都有若干個(gè)特性不同的被控系統(tǒng)供選擇，“被控系統(tǒng)”選擇功能用于在實(shí)驗(yàn)開始之前進(jìn)行被控系統(tǒng)的選擇；“系統(tǒng)狀態(tài)”功能用于選擇被控系統(tǒng)處于何種狀態(tài)；“系統(tǒng)輸入”功能設(shè)定被控系統(tǒng)的輸入信號(hào)的大?。弧皡?shù)設(shè)定”進(jìn)行PID等參數(shù)的輸入。

3.3 操作部件模塊

操作部件模塊主要由命令按鍵、菜單欄、工具欄等組成，通過它們完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的操作。

3.4 數(shù)據(jù)保存模塊

數(shù)據(jù)保存模塊分為實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)保存和實(shí)驗(yàn)圖像保存2個(gè)部分，用于在實(shí)驗(yàn)完成之后將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存，以便進(jìn)一步進(jìn)行深入的研究。在實(shí)驗(yàn)完成之后，通過觀察圖像以及根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算可以得到被控系統(tǒng)的性能指標(biāo)和特征值，將得到的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)記錄框中，單擊“保存數(shù)據(jù)”命令按鍵可調(diào)用保存對(duì)話框進(jìn)行實(shí)驗(yàn)基本數(shù)據(jù)的保存；單擊“保存圖像”命令按鍵可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)圖像的保存。

3.5 控制算法模塊

本實(shí)驗(yàn)裝置的操作軟件可以實(shí)現(xiàn)PID控制算法、仿人比例控制算法、仿人智能積分控制算法對(duì)被控對(duì)象的控制。控制算法內(nèi)置于實(shí)驗(yàn)操作軟件的具體實(shí)驗(yàn)界面當(dāng)中，可以通過參數(shù)設(shè)定部件設(shè)定控制算法的控制參數(shù)(如圖4所示)。

圖4 實(shí)驗(yàn)操作界面

4 結(jié)束語

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

半實(shí)物化綜合控制實(shí)驗(yàn)箱已經(jīng)被兩屆學(xué)生使用，實(shí)際應(yīng)用情況證明此實(shí)驗(yàn)箱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)制的全部功能，收到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。學(xué)生可以根據(jù)自己的能力選擇提供的軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也可以自行設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)特定的控制目標(biāo)，激發(fā)了一部分學(xué)生開發(fā)控制系統(tǒng)軟硬件的興趣。學(xué)生們?cè)u(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)小巧，攜帶方便，操作簡單易學(xué)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖5所示。

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The comprehensive control experiment box of half real object

Xu Yinmei, Fu Dongmei, Wang Guoxia, Li Wenjing
University of science and technology Beijing, Beijing, 100083, China

The comprehensive control experimental equipment of half real object is experimental box, it constitutes a control system together with computer, and provides the experiment environment of the comprehensive control system, that is closer to the actual industrial processes than pure software simulation. The text introduced the design thought, hardware structure, the design of software and actually applied.

comprehensive control experiment box; hardware system; software system; low cost

2010-12-02 稿件編號(hào)：1012017

徐銀梅，碩士，工程師。