自動(dòng)控制原理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備研制及教學(xué)應(yīng)用

夏靜萍, 王 瑛

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇 南京 211106)

自動(dòng)控制原理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備研制及教學(xué)應(yīng)用

夏靜萍, 王 瑛

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 江蘇 南京 211106)

自主研制了基于STM32微處理器的自動(dòng)控制原理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備,詳細(xì)介紹了該實(shí)驗(yàn)設(shè)備的控制結(jié)構(gòu)、硬件控制方案和軟件實(shí)現(xiàn)方案等,并基于該實(shí)驗(yàn)設(shè)備,圍繞“控制系統(tǒng)建模和系統(tǒng)性能改善”,開展自動(dòng)控制原理多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐表明,學(xué)生的工程意識(shí)和實(shí)踐能力得到顯著提高,同時(shí)也豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,有效促進(jìn)自動(dòng)控制原理精品資源課程建設(shè)。

自動(dòng)控制原理； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 伺服控制； STM32； 工程意識(shí)

自動(dòng)控制原理是我校自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)開設(shè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一,其配套的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué),是實(shí)踐能力和工程意識(shí)培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié),應(yīng)強(qiáng)化工程型人才培養(yǎng)的導(dǎo)向作用[1-2]。而傳統(tǒng)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)主要基于“模擬學(xué)習(xí)機(jī)”開展實(shí)驗(yàn)[3],存在以下一些不足:“模擬學(xué)習(xí)機(jī)”是仿真型教學(xué)設(shè)備,主要由運(yùn)放、電阻、電容構(gòu)成模擬電路,與實(shí)物型控制系統(tǒng)有很大差距,學(xué)生很難通過(guò)“模擬學(xué)習(xí)機(jī)”對(duì)控制系統(tǒng)建立直觀認(rèn)知和系統(tǒng)概念。此外,仿真實(shí)驗(yàn)也不能對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中常見的工程型問(wèn)題進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。針對(duì)上述問(wèn)題,我院以培養(yǎng)工程型人才為目標(biāo),自主研制了物理系統(tǒng)型教學(xué)設(shè)備,并將其應(yīng)用在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程,開展了層次豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇

秉承“有效融合理論教學(xué)和工程實(shí)踐”的指導(dǎo)思想,選擇電機(jī)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行研制。電機(jī)伺服控制系統(tǒng)是典型的隨動(dòng)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的精確定位和跟蹤控制,是理論教學(xué)中的經(jīng)典實(shí)例[4],便于學(xué)生理解控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成,也是目前高校廣泛使用的一種教學(xué)設(shè)備[5-8]。該控制系統(tǒng)具備較強(qiáng)的工程應(yīng)用背景,能夠?yàn)閷W(xué)生提供探索和解決工程實(shí)際問(wèn)題的平臺(tái)。

1.1 控制結(jié)構(gòu)

自動(dòng)控制原理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)置了3種控制模式，即開環(huán)速度控制、閉環(huán)速度控制及閉環(huán)位置控制。開環(huán)速度控制模式主要幫助學(xué)生認(rèn)知該控制系統(tǒng)的控制對(duì)象、建立其數(shù)學(xué)模型；閉環(huán)控制模式讓學(xué)生了解并掌握控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)過(guò)程。閉環(huán)位置控制模式下的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,采用這種內(nèi)環(huán)電流環(huán)-中環(huán)速度環(huán)-外環(huán)位置環(huán)的3環(huán)復(fù)合控制結(jié)構(gòu),能夠保障該系統(tǒng)具備良好的控制精度和抗干擾性。控制回路中的數(shù)字控制器選用了工程應(yīng)用較為廣泛的PID控制器和頻域校正網(wǎng)絡(luò)兩種形式。

圖1 控制結(jié)構(gòu)框圖

1.2 硬件控制方案

設(shè)備的硬件控制方案見圖2,采用意法半導(dǎo)體公司推出的STM32微處理器構(gòu)成主控單元,該處理器基于Cortex-M4內(nèi)核,兼具較高的運(yùn)行速度和精度及良好的經(jīng)濟(jì)性[9]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用直流伺服電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng),電機(jī)同軸安裝了傳感器增量式光電編碼器，采集電機(jī)的實(shí)時(shí)位置信號(hào),并經(jīng)過(guò)四倍頻判向電路調(diào)理后送入STM32微處理器。該光電編碼器的脈沖計(jì)數(shù)為10 000線/轉(zhuǎn),經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后,測(cè)量精度可達(dá)0.009°。微處理器根據(jù)監(jiān)控計(jì)算機(jī)傳送的指令信號(hào)和控制器參數(shù)及光電編碼器采集的當(dāng)前信息,解算出控制信號(hào),并經(jīng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。STM32微處理器與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間采用以太網(wǎng)通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。與串口通信方式相比,以太網(wǎng)通信在單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸量更大且傳輸速度更快,保障系統(tǒng)具有更高的控制精度。

圖2 硬件控制方案示意圖

1.3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案

設(shè)備的控制軟件包括實(shí)時(shí)控制軟件和實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件構(gòu)成。實(shí)時(shí)控制軟件基于MDK開發(fā)平臺(tái)采用C語(yǔ)言編寫,主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制信號(hào)解算、傳感器數(shù)據(jù)采集及上下位機(jī)通信等功能。主程序的控制流程如圖3所示,設(shè)置了兩路中斷,一路為網(wǎng)絡(luò)通信中斷,用于接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)的指令和數(shù)據(jù)；一路為頻率1 kHz的定時(shí)器控制中斷。

圖3 主程序流程圖

當(dāng)查詢到控制中斷時(shí),進(jìn)入控制中斷子程序,具體的流程見如圖4。首先對(duì)光電編碼器的信號(hào)進(jìn)行采集和處理,然后判斷當(dāng)前的控制模式和響應(yīng)的類型,確定具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,再進(jìn)一步根據(jù)設(shè)置的控制算法解算并發(fā)送控制信號(hào)。

圖4 控制中斷子程序流程圖

1.4 主要功能界面

1.4.1 數(shù)字示波器子界面

該界面由示波器顯示區(qū)域和示波器設(shè)置區(qū)域組成。示波器的顯示區(qū)域按照被測(cè)量的不同采用不同顏色繪制實(shí)驗(yàn)曲線。示波器的設(shè)置區(qū)主要針對(duì)示波器的類型、測(cè)量量的類型和測(cè)量量的量程進(jìn)行設(shè)置。示波器類型包括顯示、移動(dòng)、縮放和測(cè)量等功能。選中測(cè)量功能時(shí),實(shí)驗(yàn)曲線上將出現(xiàn)2個(gè)十字光標(biāo)用于坐標(biāo)測(cè)量；同時(shí)2個(gè)光標(biāo)之間的坐標(biāo)差也將顯示在測(cè)量數(shù)據(jù)框內(nèi)，如圖5所示。

圖5 數(shù)字示波器界面

1.4.2 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器界面

在不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中設(shè)置了不同的信號(hào)發(fā)生器子界面。進(jìn)行時(shí)域模型測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí),界面如圖6(a)所示,對(duì)信號(hào)的類型、幅值等進(jìn)行設(shè)置；當(dāng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為頻域特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí),信號(hào)發(fā)生器如圖6(b)所示,可以對(duì)頻域信號(hào)進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置或自動(dòng)設(shè)置。無(wú)論使用時(shí)域測(cè)定法還是頻域測(cè)定法，確定數(shù)學(xué)模型后都需要對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)[10-11]。因此在2個(gè)界面中均加入“模型估計(jì)”的功能。輸入估計(jì)出的數(shù)學(xué)模型參數(shù)后,在示波器中顯示相應(yīng)的估計(jì)響應(yīng)曲線,用于在線調(diào)整和校驗(yàn)數(shù)學(xué)模型參數(shù)。

圖6 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器子界面

1.4.3 時(shí)域性能分析子界面

進(jìn)行時(shí)域校正類的實(shí)驗(yàn)時(shí),為了方便學(xué)生實(shí)時(shí)調(diào)整控制器參數(shù),設(shè)置了時(shí)域性能分析的功能按鈕。點(diǎn)擊該按鈕,進(jìn)入時(shí)域性能分析界面,如圖7所示，能夠繪制當(dāng)前控制參數(shù)下的時(shí)域響應(yīng)曲線,并計(jì)算時(shí)域性能指標(biāo)。曲線顯示區(qū)域設(shè)置了選單欄,方便對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行保存、還原、移動(dòng)、放大、刪除,便于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試。

圖7 時(shí)域性能分析子界面

1.4.4 頻域性能分析界面

該界面如圖8所示，主要用于顯示由頻域響應(yīng)曲線及頻域數(shù)據(jù)，該功能還可以與模型估計(jì)功能相結(jié)合。以頻率特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例,實(shí)線代表實(shí)際頻域特性曲線,虛線代表根據(jù)估計(jì)模型模塊的傳遞函數(shù)繪制的模型頻域特性曲線；通過(guò)將兩種曲線繪制在同一坐標(biāo)下,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)的校驗(yàn)。

圖8 頻域性能分析界面

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的教學(xué)應(yīng)用

2.1 教學(xué)實(shí)踐

自動(dòng)控制原理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)物圖見圖9,歷經(jīng)3年的不斷研制和改進(jìn),已投入教學(xué)一線使用,面向我院自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生進(jìn)行自動(dòng)控制原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

圖9 自動(dòng)控制原理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)物圖

圍繞“控制系統(tǒng)的建模和控制系統(tǒng)性能改善”,開展了分層次、分階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué),以實(shí)現(xiàn)循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的認(rèn)知、分析和設(shè)計(jì)能力。開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表1,首先從基礎(chǔ)認(rèn)知型實(shí)驗(yàn)開始,通過(guò)該層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)控制對(duì)象并掌握數(shù)學(xué)模型的常用方法；在此基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),包括“控制系統(tǒng)速度回路PID校正”“控制系統(tǒng)位置回路PID校正”“控制系統(tǒng)頻域校正”。這一層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要引導(dǎo)學(xué)生將經(jīng)典控制理論知識(shí)點(diǎn)運(yùn)用到實(shí)際控制系統(tǒng)的性能改善中。進(jìn)一步以開放實(shí)驗(yàn)選做的形式,面向?qū)I(yè)基礎(chǔ)良好的學(xué)生,開展了更深層次的綜合型實(shí)驗(yàn)——對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)以及控制算法設(shè)計(jì)和編寫等,讓學(xué)生更深入地了解控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、開發(fā)及調(diào)試的常用方法。

表1 配套實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

2.2 教學(xué)反饋

紙上得來(lái)終覺(jué)淺,絕知此事要躬行——這是開展實(shí)驗(yàn)后學(xué)生獲得的最深刻的感受。一方面,理論教學(xué)中的控制對(duì)象、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等一系列抽象的控制概念都映射到具體的實(shí)物中,極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。另一方面,該設(shè)備向?qū)W生提供了探索和解決工程問(wèn)題的平臺(tái),達(dá)到切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)和解決實(shí)際問(wèn)題能力的目的。以“控制對(duì)象的時(shí)域測(cè)定法建模實(shí)驗(yàn)”為例,盡管通過(guò)理論教學(xué),學(xué)生已經(jīng)了解了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，能夠近似為一階系統(tǒng),但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中又會(huì)發(fā)現(xiàn),電機(jī)的實(shí)際模型參數(shù)會(huì)隨著輸入電壓的變化而變化,甚至表現(xiàn)出一些非線性特征,如飽和特性、死區(qū)特性等。這就激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行不斷嘗試和探索,找出數(shù)學(xué)模型參數(shù)的規(guī)律。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)控制對(duì)象有更為全面認(rèn)知，實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)有著積極意義,這也是我們研制并應(yīng)用該教學(xué)設(shè)備的初衷。

3 結(jié)語(yǔ)

以培養(yǎng)工程型人才的教學(xué)需求為導(dǎo)向,自主研制了基于STM32的自動(dòng)控制原理綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備,并將其應(yīng)用于自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課,獲得了良好的教學(xué)效果,有效培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)和實(shí)踐能力。通過(guò)該教學(xué)設(shè)備的研制和應(yīng)用,也進(jìn)一步豐富了自動(dòng)控制原理的硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源,有效促進(jìn)了國(guó)家級(jí)精品資源共享課程建設(shè)。

References)

[1] 黃曉玫,李鴻飛,黃濤.強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(2):1-4.

[2] 徐穎秦,潘豐.自動(dòng)控制原理立體化教學(xué)新體系的探索與實(shí)踐[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2012, 24(2):152-155.

[3] 王鳳如,王小揚(yáng),王瑛.信號(hào)、系統(tǒng)與控制實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:高等教育出版社,2004.

[4] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M]. 6版.北京:科學(xué)出版社,2013.

[5] 孫大衛(wèi),丁興俊,畢經(jīng)存,等.一種典型自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(7)：79-81.

[6] 侯震,楊建華,唐忠林.隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)字化改造[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(12)：84-86:

[7] 彭秀艷,王顯峰,秦亮亮.設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008,27(10):29-30.

[8] 孫鐵成,郭志剛,鐘貴烈,等.利用RTW和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(6):47-50.

[9] 張慧娟.STM32F4系列搶占Cortex—M4內(nèi)核先機(jī)[J]. EDNCHINA電子設(shè)計(jì)技術(shù),2011, 18(11):16-18.

[10] 張溥明,王志中.系統(tǒng)模型與辨識(shí)[M]. 上海:上海交通大學(xué)出版社,2015.

[11] 劉金琨, 沈曉蓉,趙龍.系統(tǒng)辨識(shí)理論及MATLAB仿真[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2013.

Development of comprehensive experimental equipment with automatic control principle and its teaching application

Xia Jingping, Wang Ying

(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

The comprehensive experimental equipment with the automatic control principle based on the STM32 microprocessor is independently developed. The control structure, the hardware control scheme, the software implementation scheme, etc., of the equipment are illuminated in detail. Based on this experimental equipment, the multi-level experimental teaching of the Automatic Control Principle course is carried out around the “Control system modeling and system performance improvement.” The teaching practice shows that the students’ engineering awareness and practical ability are improved remarkably. Meanwhile, this teaching equipment enriches experimental teaching resources, promoting the construction of the excellent course of Automatic Control Principle.

automatic control principle; experimental teaching；servo control; STM32; engineering awareness

TP275；G642.423

: A

: 1002-4956(2017)09-0104-05

2017-03-01修改日期:2017-05-04

江蘇省高等教育教改項(xiàng)目(2015JSJG176)；南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目(2015050300026834)

夏靜萍(1983—),女,江蘇宿遷,工學(xué)碩士,實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制原理實(shí)踐教學(xué).

E-mail:xiajingping@nuaa.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.026