“计算机控制”课程设计的探索

孙崎岖，孙丽宏，李 梅

(中国计量学院机电工程学院，浙江 杭州 310018)

高校许多专业都开设有“计算机控制”课程，该课程理论性较强，学习起来抽象难懂，所以有必要开设相关的实践环节，强化理论学习。

本文介绍了一项简单的“计算机控制”的课程设计，主要是基于数据采集卡实现对一个二阶系统的计算机控制。通过该课程设计，可以锻炼学生综合运用所学知识解决问题和分析问题的能力，深化计算机控制的理论和实践学习。

1 计算机控制系统的构成

典型的计算机控制系统框图如图1所示，数字控制器是计算机控制系统的核心部分。计算机控制算法根据系统的误差，求出控制量u*(t)，使系统沿着误差减小的方向运动。

本课程设计的主要内容就是设计一个典型的计算机控制系统，重点在于数字控制器的设计;除此之外还要进行硬件设计及数字控制器的软件实现。

图1 计算机控制系统

2 设计任务

为了便于管理，我们将学生分组，每组7～8人，每组题目略有差别，采用如下几种设计任务。

(1)利用运算放大器设计一个二阶控制对象的模拟控制电路系统，该系统是一个二阶闭环系统，并能提供5V阶跃输入信号。控制对象的传递函数如表1所示。

表1 模拟控制对象的传递函数

(2)根据指定的被控对象，利用计算机、数据采集卡和模拟控制对象电路组成一个计算机控制系统。利用Protel绘制系统的原理图和PCB板图;制作电路板并焊接元件实现硬件电路［1］。

(3)设计一个最少拍数字控制器;用Visual Basic编制程序实现最少拍控制算法;调试系统后观察并记录最少拍控制系统的阶跃响应曲线。

(4)利用Matlab仿真实现最少拍控制系统，观察并记录最少拍控制系统的阶跃响应曲线。

(5)比较分析最少拍控制系统的Matlab仿真结果与实际测量结果，完成报告。

本课程设计的时间设置为三周，一般安排在学期末。由于电路设计和电路板制作需要较长时间，通常在学期初将任务布置下去，组织各组讨论，几周后每班分别提交2～3个方案，审阅修改后制作版图，同时进行控制算法的编程实现。在集中设计的三周时间里，完成购买材料和电路板焊接;调试及Matlab仿真;设计结果进行分析并撰写报告，最后进行答辩。

3 计算机控制的实现

3.1 硬件实现

被控对象为二阶系统，可利用到典型的惯性环节电路构成，如图2所示。

图2 惯性环节

该惯性环节的传递函数为

式中，k=R1/R0，T=R1C。

由图1所示的典型计算机控制框图，可得到控制系统的模拟电路框图如图3所示。5V电源和按钮产生控制所需的阶跃信号。数模转换由数据采集卡自带AD和DA实现，接口电路见文献［2］。

图3 模拟控制电路系统原理图

为了对比有无计算机控制时的系统响应，利用可选模块J13和J15的1-1或2-2端子分别进行控制。另外防止数据采集卡的输入和输出通道的损坏，AD和DA通道都设有两组可供选择。

3.2 计算机算法的实现

控制系统的核心是计算机算法，即数字控制器的设计。计算机算法有多种，最基本的就是最少拍算法。最少拍控制算法的原理参见文献［3］。

一旦求解出系统的数字控制器，就可以利用计算机语言编程实现。本设计采用的是VB，可进行参数设置。算法选择及计算机控制系统的输出显示，当然还可以用示波器捕捉系统的输出。

3.3 最少拍控制系统的Matlab仿真

为了对比设计控制效果，设计了Matlab仿真环节。利用Simulink搭建最少拍控制系统框图(图4)并设置各模块参数。注意修改离散时间模块和零阶保持器的采样时间常数，每一模块的采样时间要保持一致;最后进行仿真运行，得到计算机控制系统单位阶跃响应的Matlab仿真结果。

图4 最少拍控制系统Simulink仿真

3.4 结果比较

得到的计算机控制实际输出响应和Matlab仿真输出结果后，即可进行比较分析，从而得出最少拍控制的特点以及误差产生的原因。

4 结语

经过几届学生的实践，本课程设计的组织和实施过程日益完善，也得到了学生的好评。该课程设计将原本抽象的计算机控制用一个简单的实例进行诠释，使学生对计算机控制有更直观的认识。另外全程参与和动手实现环节的设置也提高了学生的学习兴趣，锻炼了其动手能力和创新能力。

［1］胡烨.姚鹏翼.陈明等.Protel 99SE原理图与PCB设计教程［M］.北京:机械工业出版社.2010

［2］PCI2003数据采集卡说明书［M］.北京:北京阿尔泰科贸有限公司

［2］李明学.周广兴.于海英等.计算机控制技术［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.2001