計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)裝置研制
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3實(shí)驗(yàn)裝置的研制
為了滿足自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的要求,研制了一套計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置。同時(shí)根據(jù)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容的需要,配套設(shè)計(jì)了一些典型控制對(duì)象，如自制直流機(jī)組、電烙鐵等。臺(tái)灣研華公司生產(chǎn)的研華原裝工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC-610L是專門為工業(yè)控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的,在工業(yè)電腦和自動(dòng)化市場(chǎng)中應(yīng)用非常廣泛。我系計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程選擇工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為教學(xué)機(jī)型,因此本實(shí)驗(yàn)裝置研華原裝工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
3.1 研制的指導(dǎo)思想
（1）便于綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)性及綜合性實(shí)驗(yàn)是提高學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置具有多功能性,輸入輸出接口功能較強(qiáng),便于綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。
（2）便于開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置采用積木式結(jié)構(gòu),操作方便,安全性好,便于開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)行。
（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)面向工程實(shí)際。注重貫徹實(shí)驗(yàn)教學(xué)面向工程實(shí)際的思想。結(jié)合所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,使學(xué)生明白工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在自己畢業(yè)以后實(shí)際工作中的用途及使用方法,從而培養(yǎng)學(xué)生的工程興趣,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置研制之初,就制定了上述幾個(gè)指導(dǎo)思想,研制過(guò)程中,經(jīng)過(guò)對(duì)樣機(jī)多次改進(jìn),最后用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置,也基本上體現(xiàn)了這樣的指導(dǎo)思想。
3.2 裝置的基本功能
本實(shí)驗(yàn)裝置由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、UNIT1～UNIT4掛箱及典型控制對(duì)象模型組成。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是實(shí)驗(yàn)裝置的核心部件，在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中還有兩塊ISA接口的板卡PCL-812PG和PCL-833。PCL-812PG板卡是包含有A/D、D/A、DI、DO等功能的綜合板，插在ISA10插槽中;PCL-833板卡用來(lái)對(duì)光電編碼器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，插在ISA7插槽中。
UNIT1～UNIT4的每個(gè)掛箱只要拔掉后面的插頭即可方便地拆下，各掛箱之間可靈活組合、操作方便、直觀、用途廣泛。UNIT1面板包括電源控制、信號(hào)源和通道實(shí)驗(yàn)三個(gè)部分。其中信號(hào)源部分包括噪聲源、階躍信號(hào)源和混合電路，噪聲源通過(guò)UNIT1掛箱內(nèi)印制電路板上的撥碼開(kāi)關(guān)切換輸出脈沖噪聲或均勻噪聲。階躍信號(hào)源可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器提供-10～10V的直流輸出，并可通過(guò)乒乓開(kāi)關(guān)控制直流電源的通和斷提供階躍輸入信號(hào)。混合電路是兩路同相相加電路。通道實(shí)驗(yàn)部分包括8路數(shù)字量輸入、8路數(shù)字量輸出、4路模擬量輸入和2路模擬量輸出。
UNIT2掛箱的主要功能是完成濾波實(shí)驗(yàn)和數(shù)字PID算法實(shí)驗(yàn)。包括模擬濾波電路、數(shù)字濾波電路和模擬對(duì)象電路三部分。模擬濾波電路圖如圖1所示。
圖1模擬濾波電路圖
在UNIT2掛箱中的數(shù)字濾波電路只是一個(gè)示意圖，并無(wú)實(shí)際電路。在示意圖上標(biāo)注說(shuō)明濾波輸入經(jīng)A/D通道1進(jìn)入工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，濾波輸出經(jīng)D/A通道1從工業(yè)控制計(jì)算機(jī)輸出，并將2路通道與I/O接口電路相連。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí),只要按要求把混合信號(hào)插入指定的A/D通道端口即可觀察濾波效果。模擬對(duì)象電路主要有運(yùn)算放大器和若干電容、電阻組成。學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過(guò)UNIT2掛箱面板上的乒乓開(kāi)關(guān)選擇一階或二階模擬對(duì)象。各模擬對(duì)象的電路原理圖如圖2所示。
圖2模擬對(duì)象原理圖
與圖2對(duì)應(yīng)的模擬對(duì)象傳遞函數(shù)為：
（a）（b）UNIT3主要用于完成電機(jī)位置控制和轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn)，附加集散控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)示意圖。電機(jī)控制原理圖如圖3所示。電機(jī)位置控制實(shí)質(zhì)是構(gòu)成一個(gè)位置環(huán)，輸入脈沖序列和反饋脈沖序列產(chǎn)生位置誤差脈沖序列信號(hào)，誤差脈沖序列信號(hào)加到驅(qū)動(dòng)板上，以H型雙極可逆PWM方式驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)低速高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)期望位置。圖3中的A/D和D/A均通過(guò)PCL-812PG板卡實(shí)現(xiàn)，脈沖板指插在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)ISA10插槽中的PCL-833板卡。驅(qū)動(dòng)板在UNIT3掛箱內(nèi)部，它是H型雙極可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。增量式光電編碼器每圈可輸出1024個(gè)A相和B相脈沖和1個(gè)零位脈沖，A、B相脈沖信號(hào)的相位差為90度。三個(gè)脈沖信號(hào)均為差分信號(hào)，輸入到PCL833脈沖板進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)可直接將給定信號(hào)連接到UNIT1掛箱面板上對(duì)應(yīng)的A/D通道，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)D/A通道輸出控制電壓，當(dāng)控制電壓為-10～10V時(shí)，驅(qū)動(dòng)板所輸出的電樞電壓能讓自制的直流電機(jī)組的轉(zhuǎn)速在-1500～1500轉(zhuǎn)/分內(nèi)變化。這樣的設(shè)計(jì)主要是考慮到學(xué)生畢竟是在做計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn),應(yīng)將訓(xùn)練的重點(diǎn)放在控制算法的掌握上,盡量減少學(xué)生在其它設(shè)計(jì)和調(diào)試中所花的時(shí)間。同時(shí),將實(shí)驗(yàn)裝置的電路原理圖附在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的后面,供學(xué)生學(xué)習(xí)參考用。
圖3電機(jī)控制原理圖
集散控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在UNIT3掛箱內(nèi)并無(wú)實(shí)際電路。集散控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)卡和TCP/IP協(xié)議構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線，現(xiàn)場(chǎng)總線將上位機(jī)和下位機(jī)連接起來(lái)，組成集散控制系統(tǒng)。下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸線通過(guò)集線器與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)軟件分為兩部分：上位機(jī)上有集散控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，在Windows2000下的組態(tài)王6.5軟件中運(yùn)行;下位機(jī)是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集界面，也運(yùn)行于組態(tài)王6.5環(huán)境下。
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評(píng)論