“計算機控制系統”課程實驗改革

王培進

(煙臺大學計算機學院，山東 煙臺 264005)

作為高校自動化及相關專業類的學生，如果不能很好地掌握“計算機控制系統”課程傳授的設計技術和應用技術，不懂計算機控制系統的原理與方法，就難以適應畢業后工程設計實踐的需要。因此，必須加強動手操作實踐能力的培養和訓練，以加深對該課程內容的掌握和理解，對培養具有工程實踐能力的人才，具有十分重要意義[1]。

1 課程實驗存在的主要問題

1)仿真實驗與實際工程系統相差較大

許多高校的“計算機控制系統”課程實驗都采用“自動控制原理”課程實驗設備或者是類似的實驗箱。這些實驗設備主要是針對各種模擬電路構成一階和二階等系統，實現計算機控制模擬化設計方法和直接數字設計法中各類控制算法的數字仿真實驗。而且實驗程序一定，模型一定，學生所做只是修改一下參數，觀察實驗曲線，通過實驗曲線理解控制算法。缺少讓學生自己動手設計調試(含編程)一個完整的數字閉環物理控制系統的實驗機會，與實際系統差距很大。

2)實驗內容單一

計算機控制系統有很多類型，主要有計算機操作指導系統、計算機監督控制系統、計算機直接控制系統(DDC)、分布式計算機控制系統(DCS)、基于現場總線的控制系統和計算機集成控制系統等。目前學生在實驗中接觸的主要以計算機直接控制系統為主，其它類型的計算機控制系統接觸不到，只是在課本上學到原理圖，對實際系統一無所知。

2 實驗改革方案及其實現

借助我校“自動化技術綜合實驗中心”建設的機遇，我們對現有的實驗裝置進行了更新，研制了一種新型的“計算機控制系統”實驗裝置。該裝置能提供溫度、流量、液位、轉速和稱重共5種傳感、變送器與檢測裝置;設置了8路開關量輸入輸出模塊和聲光報警裝置;可進行多種參數的檢測和閉環控制實驗;采用MCGS全中文工控組態軟件設計與VB程序設計相結合，實現在線檢測、控制、參數修改、數據的存儲分析、實時曲線和歷史曲線顯示和打印。本裝置具有多重安全保護，提供IEC標準信號及相關測試點供計算機接入進行編程實驗。該系統可以完成如下主要實驗。

1)多路A/D、D/A和開關量輸入輸出實驗

利用數據采集板上的I/O接口，采用VB編程同時實現對液位、電機轉速的采集顯示和超限報警等;利用開關實現電機的起停操作;了解計算機控制軟硬結合實現數據采集與顯示過程，該實驗也可以看作是計算機操作指導系統類型的計算機控制系統。實驗原理圖如圖1所示。

圖1 I/O接口實驗

該實驗讓學生自己連線并動手編程，了解該計算機控制系統的信號產生和輸入輸出是如何通過軟硬結合實現的，增強了學生對計算機控制系統原理的理解。同時，該實驗計算機與數據采集板之間采用RS-232串行通訊，其通訊協議為MODBUS協議。學生掌握該協議編程實現方法，學會了VB程序中串口控件的使用方法。

2)液位計算機監督控制實驗

本實驗采用智能調節儀的PID控制算法進行液位閉環控制，液位變送器采集實驗水箱液位值，送入智能調節儀與設定值進行比較。控制智能調節儀的模擬量輸出，來控制閥的開度，改變泵的流量，達到控制液位的目的。計算機與控制儀表之間進行串行通訊，通過計算機讀取儀表參數、設置儀表參數和顯示實時曲線等，是典型的計算機監督控制系統。實驗原理圖如圖2所示。

圖2 計算機監督控制實驗

本實驗利用MCGS組態軟件，結合實驗裝置，組成一個簡單的界面，能夠顯示當前的液位值、控制值、設定值和通訊狀態四個參數。學習組態軟件的組態過程，實現如下功能:①實現水的流動動畫，計算機與儀表通訊動畫;②當前液位顯示、控制量輸出顯示;③液位實時顯示曲線;液位超限報警記錄表，報警指示燈顯示;④液位設定值、PID三個參數的設置(利用按鈕click事件，寫腳本程序)。

學生通過該實驗，學會了工控中常用的控制組態軟件使用方法，學會了計算機監督控制系統的實現方法。

3)液位計算機直接控制實驗(DDC)

本實驗采用帶有A/D、D/A轉換的數據采集板，利用VB編程或者MCGS組態實現PID控制算法，進行液位閉環控制。實驗原理圖如圖3所示。

本實驗重點培養學生自己編程實現數字PID控制算法，完成實際系統控制要求的能力。

圖3 計算機直接控制實驗

4)分布式計算機控制(DCS)實驗

利用兩臺實驗裝置中的控制儀表作為下位機控制各自的液位，通過RS-232與485轉換器，構成基于RS-485通訊的分布式控制網絡，如圖4所示。

計算機作為上位機，監控下位機的控制過程，可以利用MCGS組態軟件實現相應的監控界面設計和其它監控功能。上述實驗系統，在一些中小企業的生產控制中經常用到。

圖4 分布式控制實驗

5)其它計算機控制系統演示實驗

本實驗環節演示不同類型的計算機控制系統，了解計算機控制技術應用領域，加深對計算機控制的理解。依靠我們購置的控制系統，可以實現如下五種類型計算機控制系統演示實驗。

(1)網絡化控制系統—了解DCS三層網路的構成。該實驗裝置是一個集灌裝、分揀一體化的生產流水線系統，模擬了實際的生產過程。

(2)電梯控制—了解PLC在實際控制系統中的應用。該實驗裝置是一個雙座五層電梯的PLC控制，與實際系統一樣，帶有超重報警功能。

(3)音樂噴泉—了解音樂噴泉的計算機控制原理，該裝置模擬了城市大型廣場的音樂噴泉系統。

(4)嵌入式智能家居—了解當今家庭智能報警與智能小區的管理原理，該實驗裝置集自動抄表、煤氣泄漏與火警等自動報警功能于一體。

(5)現場總線控制—了解現場總線實際控制系統原理與方法。

3 結語

本文介紹了我們研制生產的新的“計算機控制系統”實驗設備，提出了幾種結合工程實際的實驗改革方案。其目的旨在加強和提高自動化及相關專業學生能力和素質的培養，使該課程實驗內容更加符合快速發展的計算機工程控制技術要求，使學生走上工作崗位后能夠盡快地適應實際工作的需要。該方案已經實施了兩屆，得到了學生的高度評價，取得了很好的效果。

[1]張國安.微機控制實驗與課程設計指導書[M].北京:電子工業出版社，2003

[2]陳炳和.計算機控制系統基礎[M].北京:北京航空航天大學出版社，2001

[3]孫增圻.計算機控制理論及應用[M].北京:清華大學出版社，1989