面向電子設計競賽的《計算機控制技術》實踐探討

宋春偉 李剛 何金龍 孫冠群 王玉華

摘?要：以微控制及外圍電路實現電子設計競賽電源類項目是“計算機控制技術”課程的典型應用。為了提升設計電源裝置的自由度與通用性，本文以模塊化設計思想作為指導，詳細介紹了仿真、硬件、程序與實施步驟。本文面向電子設計競賽的《計算機控制技術》實踐探討旨在提升學生學習興趣的同時提高自身的自主創新實踐能力。

關鍵詞：計算機控制技術；電子設計競賽；模塊化設計

中圖分類號：G642??文獻標識碼：A

Discussion?on?the?Practice?of?Computer?Control?Technology

for?Electronic?Design?Competition

Song?Chunwei?Li?Gang?He?Jinlong?Sun?Guanqun?Wang?Yuhua

College?of?Modern?Science?and?Technology，China?Jiliang?University?ZhejiangYiwu?322002

Abstract：It?is?a?typical?application?of?the?course?"Computer?Control?Technology"?to?realize?the?power?supply?project?of?the?electronic?design?competition?with?micro?control?and?peripheral?circuits.In?order?to?improve?the?degree?of?freedom?and?universality?of?the?design?of?the?power?supply?device，this?paper?introduces?the?simulation，hardware，program?and?implementation?steps?in?detail?under?the?guidance?of?the?modular?design?idea.This?paper?discusses?the?practice?of?computer?control?technology?for?electronic?design?competition，which?aims?to?enhance?students'?interest?in?learning?and?improve?their?ability?of?independent?innovation?and?practice.

Keywords：Computer?control?technology；Electronic?Design?Competition；Modular?design

計算機控制技術是本科院校電氣信息類專業的一門專業課，該課程理論性較強、綜合性較高［12］。“計算機控制技術”課程在教學過程中發現學生接受知識點積極性不高的原因很大程度上是由于對課程實用性懷疑。電子設計競賽電源類項目如DCDC變換器、并網逆變器、不間斷電源等可選擇的主控制器有專用PWM控制器與微控制器兩種。當采用專用PWM控制器方案時由于其限制條件多且嚴格可實現功能單一往往不能很好地完成競賽項目。而采用微控制器方案能夠很好地完成競賽項目中要求的細節功能。數字控制型電源裝置是“計算機控制技術”極為典型的應用場合。電子設計競賽與“計算機控制技術”課程的結合有望對教師的授課效果與學生的接受知識效果得到很大的改善。下面從仿真驗證、硬件設計、程序設計與具體實施步驟四方面詳細介紹如何將電子設計競賽融入“計算機控制技術”課程實踐中。

1?仿真驗證

電子設計競賽電源類項目成敗的關鍵是其主電路結構與控制方案設計的合理性。如果直接搭建硬件樣機后編寫控制程序進行調試其成功概率很低，保穩的做法是首先可在Matlab/Simulink仿真環境下驗證所設計軟硬件方案的可行性［3］。借助仿真手段可以避免線路雜散電感與電容、采樣環節引入的控制誤差、功率開關管驅動電路的可靠性等次要矛盾。計算機控制與模擬控制的本質區別是具有實時性的特點，即在一定的時間內完成信號的輸入、處理與輸出［4］。為使仿真環境下的控制效果盡可能接近實際控制效果，搭建的數字型電源裝置其控制需體現實時性的特點。根據實時性的要求，最終控制量的輸出需延時一個開關周期且在每個開關周期內保持不變。利用Matlab/Simulink中的觸發模塊將延時一個開關周期的控制器輸出量保持更新周期為開關周期。

2?硬件設計

電子設計競賽電源類項目涉及《計算機控制技術》硬件部分的知識點有：模擬量輸入通道、數字量輸出通道、微控制器及外圍電路、人機交互等。為了能讓學生經《計算機控制技術》實踐后能快速切入而后的電子設計競賽，我們把電源裝置切割成多個功能子模塊，學生根據任務要求選取需要的子模塊。功能子模塊與計算機控制系統各部分的對應關系如表1所示。

如圖1所示，選取的功能子模塊電路板通過塑料柱子固定在底座板上，底座板可選的規格有30cm×30cm、40cm×40cm與50cm×50cm，底座板上布滿間隔2cm的圓孔，各功能子模塊電路四個固定圓孔的間距都為2cm的整數倍。

3?程序設計

數字型電源裝置中微控制程序需完成信號讀入、信號處理與信號輸出。信號讀入包含給定量的讀取以及經AD轉換器轉換的數字反饋量的讀取，給定量的設定方式具體有直接在程序中設定、人機交互設備輸入與模擬電壓經AD轉換后輸入。為簡化硬件結構AD轉換器可采用微控制器內部AD，信號處理的核心任務是數字控制器控制量的計算，控制器采用數字PID［56］。由于電源裝置非線性因素的存在，很難準確地對實際系統建模，因此理論上整定的PID參數也不一定很合理。較簡單的做法是首先選取仿真模型中的PID參數，然后在此參數附近選取多組參數，經多次調試選取合理的PID參數，這種做法對于理論功底較弱的學生來說很合適，信號的輸出主要是數字控制信號的輸出。整個控制過程如圖2所示，設置定時器為增減模式，定時器周期到來時啟動AD，AD轉換結束程序轉入AD中斷子程序，在AD中斷子程序中讀取采樣反饋值與外部人機設備給定設定值，而后由數字PID計算出控制量，在下一個周期值到來時刻將控制量裝載比較器獲得PWM波或是數字控制量。

為使學生能夠容易掌握，按由易到難的原則，將整個控制程序分解為若干個功能子程序。控制過程與功能子程序的對應關系如表2所示。所有功能子程序都理解掌握后，學生按實際情況選取所需子程序后拼接成完整程序進行調試。

4?具體實施步驟

在具體實踐之前需讓學生回顧一下計算機控制系統的整體結構以及各部分的功能。尤其是數字控制器區別于看得見摸得著的模擬控制器，讓學生掌握如何通過數字控制器的脈沖傳遞函數獲得關于誤差輸入和控制量輸出的差分方程，然后根據差分方程編寫實現數字控制器的程序代碼。選擇控制量是直流信號的DCDC變換器以及控制量是交流信號的逆變器這兩個最為典型的電源裝置作為課程實踐內容。確定電源裝置輸入輸出設計參數后，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型。對提出的數字控制方案進行仿真驗證后，進入實際的樣機搭建。選擇所需的硬件子模塊，統計并購買元器件，硬件子模塊焊接完成后進行拼接。硬件樣機搭建完成后進入程序的編寫調試。整個課程實踐完成后選取電子設計競賽往年試題中的電源類項目，若能完成則說明真正掌握了如何設計數字控制系統。整個具體實施步驟簡化流程如圖3所示。

結語

面向電子設計競賽的計算機控制技術課程實踐的初衷是將學生的發展前途與課程學習相結合，促進學生學習的興趣與動力，達到提高學生獨立實踐能力與教師授課效果的雙贏。本文詳細分析了計算機控制系統與數字型電源裝置各部分的對應關系。并且在模塊化分解與整合的思想指導下，闡述了仿真驗證、硬件設計、程序設計與具體實施步驟的內容與相互之間的關系。

參考文獻：

［1］王慧.計算機控制系統［M］.北京：化學工業出版社，2011：170180.

［2］于海生.微型計算機控制技術［M］.第二版.北京：清華大學出版社，2009：153160.

［3］閆明明，楊平，熊靜琪.基于Matlab/Simulink輔助的《計算機控制技術》實驗案例［J］.實驗科學與技術，2014，12（2）：5355.

［4］劉慶豐.計算機控制技術［M］.北京：科學出版社，2011：12.

［5］余雷，張茂青，費樹岷.“計算機控制技術”課程PID控制部分的教學［J］.電氣電子教學學報，2012，34（2）：104106.

［6］周少武，陳敏，沈紅遠，等.Matlab在計算機控制技術課程“PID控制器參數整定”中的應用［J］.信息系統工程，2010（10）：3840.

基金項目：中國計量大學現代科技學院教改項目“《計算機控制技術》課程實踐教學探討”；中國計量大學現代科技學院重點專業校級培育項目“電氣工程及其自動化專業建設研究”；浙江省高校領軍人才培養計劃；浙江省自然科學基金項目（LY22E070008）

作者簡介：宋春偉（1987—?），男，漢族，浙江嘉興人，博士，講師，研究方向：電氣工程及其自動化專業教學與科研。