“计算机控制系统”课程实验改革

王培进

(烟台大学计算机学院，山东 烟台 264005)

作为高校自动化及相关专业类的学生，如果不能很好地掌握“计算机控制系统”课程传授的设计技术和应用技术，不懂计算机控制系统的原理与方法，就难以适应毕业后工程设计实践的需要。因此，必须加强动手操作实践能力的培养和训练，以加深对该课程内容的掌握和理解，对培养具有工程实践能力的人才，具有十分重要意义[1]。

1 课程实验存在的主要问题

1)仿真实验与实际工程系统相差较大

许多高校的“计算机控制系统”课程实验都采用“自动控制原理”课程实验设备或者是类似的实验箱。这些实验设备主要是针对各种模拟电路构成一阶和二阶等系统，实现计算机控制模拟化设计方法和直接数字设计法中各类控制算法的数字仿真实验。而且实验程序一定，模型一定，学生所做只是修改一下参数，观察实验曲线，通过实验曲线理解控制算法。缺少让学生自己动手设计调试(含编程)一个完整的数字闭环物理控制系统的实验机会，与实际系统差距很大。

2)实验内容单一

计算机控制系统有很多类型，主要有计算机操作指导系统、计算机监督控制系统、计算机直接控制系统(DDC)、分布式计算机控制系统(DCS)、基于现场总线的控制系统和计算机集成控制系统等。目前学生在实验中接触的主要以计算机直接控制系统为主，其它类型的计算机控制系统接触不到，只是在课本上学到原理图，对实际系统一无所知。

2 实验改革方案及其实现

借助我校“自动化技术综合实验中心”建设的机遇，我们对现有的实验装置进行了更新，研制了一种新型的“计算机控制系统”实验装置。该装置能提供温度、流量、液位、转速和称重共5种传感、变送器与检测装置;设置了8路开关量输入输出模块和声光报警装置;可进行多种参数的检测和闭环控制实验;采用MCGS全中文工控组态软件设计与VB程序设计相结合，实现在线检测、控制、参数修改、数据的存储分析、实时曲线和历史曲线显示和打印。本装置具有多重安全保护，提供IEC标准信号及相关测试点供计算机接入进行编程实验。该系统可以完成如下主要实验。

1)多路A/D、D/A和开关量输入输出实验

利用数据采集板上的I/O接口，采用VB编程同时实现对液位、电机转速的采集显示和超限报警等;利用开关实现电机的起停操作;了解计算机控制软硬结合实现数据采集与显示过程，该实验也可以看作是计算机操作指导系统类型的计算机控制系统。实验原理图如图1所示。

图1 I/O接口实验

该实验让学生自己连线并动手编程，了解该计算机控制系统的信号产生和输入输出是如何通过软硬结合实现的，增强了学生对计算机控制系统原理的理解。同时，该实验计算机与数据采集板之间采用RS-232串行通讯，其通讯协议为MODBUS协议。学生掌握该协议编程实现方法，学会了VB程序中串口控件的使用方法。

2)液位计算机监督控制实验

本实验采用智能调节仪的PID控制算法进行液位闭环控制，液位变送器采集实验水箱液位值，送入智能调节仪与设定值进行比较。控制智能调节仪的模拟量输出，来控制阀的开度，改变泵的流量，达到控制液位的目的。计算机与控制仪表之间进行串行通讯，通过计算机读取仪表参数、设置仪表参数和显示实时曲线等，是典型的计算机监督控制系统。实验原理图如图2所示。

图2 计算机监督控制实验

本实验利用MCGS组态软件，结合实验装置，组成一个简单的界面，能够显示当前的液位值、控制值、设定值和通讯状态四个参数。学习组态软件的组态过程，实现如下功能:①实现水的流动动画，计算机与仪表通讯动画;②当前液位显示、控制量输出显示;③液位实时显示曲线;液位超限报警记录表，报警指示灯显示;④液位设定值、PID三个参数的设置(利用按钮click事件，写脚本程序)。

学生通过该实验，学会了工控中常用的控制组态软件使用方法，学会了计算机监督控制系统的实现方法。

3)液位计算机直接控制实验(DDC)

本实验采用带有A/D、D/A转换的数据采集板，利用VB编程或者MCGS组态实现PID控制算法，进行液位闭环控制。实验原理图如图3所示。

本实验重点培养学生自己编程实现数字PID控制算法，完成实际系统控制要求的能力。

图3 计算机直接控制实验

4)分布式计算机控制(DCS)实验

利用两台实验装置中的控制仪表作为下位机控制各自的液位，通过RS-232与485转换器，构成基于RS-485通讯的分布式控制网络，如图4所示。

计算机作为上位机，监控下位机的控制过程，可以利用MCGS组态软件实现相应的监控界面设计和其它监控功能。上述实验系统，在一些中小企业的生产控制中经常用到。

图4 分布式控制实验

5)其它计算机控制系统演示实验

本实验环节演示不同类型的计算机控制系统，了解计算机控制技术应用领域，加深对计算机控制的理解。依靠我们购置的控制系统，可以实现如下五种类型计算机控制系统演示实验。

(1)网络化控制系统—了解DCS三层网路的构成。该实验装置是一个集灌装、分拣一体化的生产流水线系统，模拟了实际的生产过程。

(2)电梯控制—了解PLC在实际控制系统中的应用。该实验装置是一个双座五层电梯的PLC控制，与实际系统一样，带有超重报警功能。

(3)音乐喷泉—了解音乐喷泉的计算机控制原理，该装置模拟了城市大型广场的音乐喷泉系统。

(4)嵌入式智能家居—了解当今家庭智能报警与智能小区的管理原理，该实验装置集自动抄表、煤气泄漏与火警等自动报警功能于一体。

(5)现场总线控制—了解现场总线实际控制系统原理与方法。

3 结语

本文介绍了我们研制生产的新的“计算机控制系统”实验设备，提出了几种结合工程实际的实验改革方案。其目的旨在加强和提高自动化及相关专业学生能力和素质的培养，使该课程实验内容更加符合快速发展的计算机工程控制技术要求，使学生走上工作岗位后能够尽快地适应实际工作的需要。该方案已经实施了两届，得到了学生的高度评价，取得了很好的效果。

[1]张国安.微机控制实验与课程设计指导书[M].北京:电子工业出版社，2003

[2]陈炳和.计算机控制系统基础[M].北京:北京航空航天大学出版社，2001

[3]孙增圻.计算机控制理论及应用[M].北京:清华大学出版社，1989