半實物化綜合控制實驗箱

徐銀梅 付冬梅 王國霞 李文晶

北京科技大學 北京 100083

半實物化綜合控制實驗箱

徐銀梅 付冬梅 王國霞 李文晶

北京科技大學 北京 100083

半實物化綜合控制實驗裝置以實驗箱的形式體現，它與PC機共同組成一個控制系統，以比純軟件仿真更接近實際工業過程的形式為學生提供了綜合控制系統實驗環境。介紹了半實物化綜合控制實驗箱的設計思想、硬件結構、軟件設計及實際應用情況。

綜合控制實驗箱；硬件系統；軟件系統；低成本

目前自動控制實驗的方法主要有兩種：第一種是利用軟件,如Matlab的方法來模擬被控系統的控制過程,實驗代價低,比較經濟,但是無法包含控制系統的實際問題，如積分飽和、數據傳輸速率和字節長度的限制等問題。第二種則是利用專用的實驗設備來實現真實的控制過程，學生在模擬機上使用運算放大器、電阻、電容等模擬器件組成各種典型環節及典型系統，再加入階躍、脈沖、正弦波等典型信號，用示波器、電壓表、掃頻儀等儀器觀測系統的響應曲線及各種參數后進行分析。此種實驗方式對于培養學生的動手能力，加深對實驗模型的認識，培養各種儀器的使用能力都有很好的作用，但設備成本高，開放性差。

半實物化綜合控制實驗裝置的研制與開發就是依據自動控制原理中等效模型的原理，以硬件電路模擬實際被控對象，以普通微機作為控制系統的控制器，構成一個低成本的、接近實際的綜合控制實驗系統。該實驗裝置不僅能真實地模擬實際工業生產中的被控對象和控制過程，并且能夠將各種控制算法應用于被控對象，從而分析和比較各種不同控制算法和控制參數對控制系統的影響，這是該實驗裝置與市場現有產品的最大區別之一。同時該實驗箱與其他控制類實驗箱相比操作簡單，每次使用只需通過USB接口與計算機相連，就可以在計算機上完成實驗。這大大減少了設備維護的工作量。該實驗箱實驗內容對應了自動化專業學生的多門課程，屬于綜合實驗裝置，有利于各門課程的融會貫通，這極大地提高有關控制課程的實驗教學的教學效果，為學生深入理解和運用控制理論知識提供一個良好的實踐環境。

1 總體設計思路

在實際的工業生產中所用到的控制方式大多是計算機控制系統：將被控系統的相關數據傳輸到計算機中，利用計算機的快速數據處理能力，根據相應的控制算法進行運算，得到對被控對象的控制輸出數據，進而對被控對象實現控制，得到理想的控制效果。

該實驗裝置希望能夠在最大程度上模擬實際工業生產中的整個控制過程。實驗裝置分為硬件系統和軟件系統兩個部分，通過計算機實現對硬件構成的被控對象的控制。其原理圖如圖1所示：

圖1 半實物化綜合控制實驗裝置原理圖

硬件系統是整個實驗裝置的基礎，它模擬被控對象，并連接被控對象和軟件系統。主要由被控對象和控制器組成，控制器通過A/D采集獲得被控系統的輸出數據，將此數據傳輸給軟件系統，并且接收軟件系統經過運算得到的控制量數據，利用D/A輸出部件實現對被控對象的控制，同時接收軟件系統發送的命令數據進行相關的動作。

軟件系統實現整個實驗過程的操作以及控制算法的運算。軟件系統實現不同實驗的選擇、實驗基本數據的設定、實驗過程操作、控制算法運算、實驗結果的顯示與硬件系統通信等功能。

2 硬件設計說明

筆者將按功能模塊(電源、被控對象、D/A輸出、控制器)簡要介紹實現方法。實驗箱硬件板如圖2所示。

圖2 實驗箱硬件板

2.1 電源模塊

該實驗裝置的硬件系統用到的芯片的供電要求均為+5V左右,考慮到單片機對供電電源的穩定性要求較高,因此,選用7805專用穩壓芯片提供穩定的+5V電壓。而集成運算放大器的供電由于可以在一個比較大的范圍內,因此,根據實際需要保證供電的范圍大于-10V到+10V之間即可。根據以上分析,在考慮實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 被控對象

被控對象由模擬電路搭建而成，包括以下幾類：

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

2.3 D/A輸出模塊

由于要實現算法對被控對象的控制，需要具備控制量的輸出功能。因此，要使用D/A轉換部件。考慮到控制精確度的需要和實際情況，采用DAC0832芯片。DAC0832芯片內部具有與計算機接口相關的電路及引腳，其結構特征是：具有數字輸入鎖存功能電路，能和CPU數據總線直接相連；帶有數據存儲寄存器及D/A轉換控制端，CPU可以直接控制數字量的輸入和轉換；與CPU相同的單一+5V電源供電。考慮到對二階系統進行控制時會出現控制量為負的狀態，選擇的是兩級放大。圖3是DAC0832電路原理圖。

圖3 DAC0832電路原理圖

2.4 控制器

該實驗裝置采用Meg16單片機作為硬件系統的控制器。Meg16單片機內置A/D采集部件和串口數據接收、發送部件，可以通過編程比較容易地實現數據的采集和接收發送功能。改進型裝置把串口通信改為了USB口，使實驗裝置使用起來更加方便。

控制器的主要作用是：根據計時器的定時功能按時進行A/D采集，依靠MAX232串口傳輸芯片將數據發送到軟件系統中，接收軟件發送來的控制量數據，并依靠D/A輸出功能將數字量轉換為模擬量控制被控對象；同時根據軟件發送的命令數據進行相關的動作(如A/D采集通道的選擇)。

3 系統的軟件設計

軟件系統由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的階躍響應曲線、誤差數據曲線、控制量數據曲線等，各個圖像繪制于各自的圖像顯示區內，可以通過相關的命令按鍵進行圖像的切換。為了便于觀察，圖像繪制于圖像顯示區的坐標上，橫坐標用于指示時間，縱坐標用于指示相關數據的大小。

為了便于對被控系統進行更深入的研究，圖像顯示模塊還具有圖像放大和移動功能，以及橫坐標刻度值的改變功能。

3.2 系統設定模塊

系統設定模塊用于實現一些參數的設定和被控系統的選擇。該實驗裝置的每一個實驗都有若干個特性不同的被控系統供選擇，“被控系統”選擇功能用于在實驗開始之前進行被控系統的選擇；“系統狀態”功能用于選擇被控系統處于何種狀態；“系統輸入”功能設定被控系統的輸入信號的大小；“參數設定”進行PID等參數的輸入。

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，通過它們完成整個實驗過程的操作。

3.4 數據保存模塊

數據保存模塊分為實驗基本數據保存和實驗圖像保存2個部分，用于在實驗完成之后將得到的實驗數據保存，以便進一步進行深入的研究。在實驗完成之后，通過觀察圖像以及根據相關公式計算可以得到被控系統的性能指標和特征值，將得到的數據寫入數據記錄框中，單擊“保存數據”命令按鍵可調用保存對話框進行實驗基本數據的保存；單擊“保存圖像”命令按鍵可進行實驗圖像的保存。

3.5 控制算法模塊

本實驗裝置的操作軟件可以實現PID控制算法、仿人比例控制算法、仿人智能積分控制算法對被控對象的控制。控制算法內置于實驗操作軟件的具體實驗界面當中，可以通過參數設定部件設定控制算法的控制參數(如圖4所示)。

圖4 實驗操作界面

4 結束語

圖5 實驗系統圖

半實物化綜合控制實驗箱已經被兩屆學生使用，實際應用情況證明此實驗箱已經實現了預制的全部功能，收到了預期的實驗效果。學生可以根據自己的能力選擇提供的軟件進行實驗，也可以自行設計軟件實現特定的控制目標，激發了一部分學生開發控制系統軟硬件的興趣。學生們評價實驗箱設計小巧，攜帶方便，操作簡單易學。實驗系統圖如圖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：1012017

徐銀梅，碩士，工程師。