基于Proteus对象模型的计算机控制技术课程设计研究

夏晓南，郭志波

(扬州大学信息工程学院，江苏 扬州 225127)

基于Proteus对象模型的计算机控制技术课程设计研究

夏晓南，郭志波

(扬州大学信息工程学院，江苏 扬州 225127)

首先分析了现行计算机控制技术课程设计实验环境存在的问题，然后提出了基于Matlab和Proteus对象模型的课程设计总体方案,并以热交换池的温度控制为例给出具体实施方法。该方案具有很强的综合性、灵活性，有助于学生自主地完成计算机控制系统的组建、开发、调试工作，有效提高综合应用能力。

课程设计；温度控制；Proteus对象模型

计算机控制技术是自动化专业、自动控制专业的专业必修课。该课程是在自动化技术、计算机技术、控制技术，通信技术和网络技术及管理信息系统的基础上发展和建立起来的，它是实现综合自动化的核心技术，是一门综合性和实践性较强的课程。它主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。它要求学生掌握一些最基本的计算机控制系统的分析方法和一般计算机控制系统软硬件的设计与实现，并通过课程设计，进一步学习与理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序，进一步巩固与综合微机原理、自控原理、过程控制、自动检测、软件技术基础、单片机应用及计算机控制技术等多门专业基础和专业课程知识，提高学生运用理论知识解决实际问题的实践技能；培养学生独立自主、综合分析的思维与创新能力，最终使学生初步具有小型计算机控制系统的硬件及软件设计能力。该课程具有较强的综合性和实践性，因而该课程两周时间的课程设计对帮助学生掌握计算机控制系统的设计、调试工作具有很重要的意义。目前大多数院校在课程设计中采用的方法是在开设实验的设备上，完成一些综合性较强的系统设计题目[1-3]。比如在以C8051F060芯片为核心的ACCT-I计算机控制实验系统上完成直流电机闭环调速控制系统或是水箱液位控制系统的设计和实现等设计课题。由于系统接口电路部分已经封装集成，这部分程序代码也不可见，实验环境不具有开放性，因而不利于学生对计算机控制系统形成直观的认识、建立系统的概念。另一方面是现有实验设备的结构和使用的芯片相对固定，不利于学生自主选择设计。

考虑上述原因，本文给出一种基于Matlab和Protues软件，在进行算法理论研究的基础上，利用单片机作为控制器实现对象系统性能控制的课程设计方案。它支持自定义建立对象模型，模拟系统扰动，根据对象模型和系统特点灵活选择设计控制算法，在Matlab软件中进行算法理论仿真研究，在proteus仿真环境下进行包含对象模型、扰动模型、A/D和D/A转换、端口译码电路、输入输出接口电路、单片机控制器、执行机构模型、键盘及显示器的软硬件应用仿真，使用的器件也有更多的选择余地。下面以热交换机的温度控制系统设计为例，详细介绍该方案的实现方法。

1 任务描述

热交换器的温度控制工艺流程图如图1所示，蓝色为冷水管道，红色为热水管道，通过热交换使得池中水温达到设定温度，T为温度测量和变送装置，TC为控制器，阀为电动调节阀。设计数字控制器，通过Proteus实现热交换器的温度控制过程，使得池中水温保持在设定值上，设计中考虑水的流量扰动。要求能通过键盘设定温度(冷水温度和池水温度)，并显示冷水温度、池水设定温度、池水测量温度、调节阀开度。

图1 热交换机工艺流程图

2 建模及控制方案选择

图2 系统控制方框图

3 控制器设计及Matlab理论仿真研究

设计出前馈控制器Gcf和控制器Gc，借助于Matlab中的SimuLink进行算法仿真，在理论上研究控制器的性能。学生可了解各种控制算法的特点，自主选择控制器设计方案，做出仿真结果，进行控制算法比较。在单位阶跃函数给定作用下观察控制参数对系统控制结果的影响，找出较好的一组控制参数或控制规则。

3.1 前馈控制器Gcf的设计

图3 前馈控制器设计

3.2 主控制器Gcf的设计

这里给出PID控制和模糊控制两种控制方案，在Matlab中设计结构如图4所示。

图4 PID、模糊控制器设计

通过在Matlab中的算法仿真研究初步得到各种算法的控制参数或控制规则。

4 基于Proteus对象模型的控制仿真

利用单片机设计控制器来控制执行器，达到对交换池水温的准确控制。

4.1 硬件设计

在Proteus仿真软件中，选择单片机类型，进行硬件系统设计。硬件电路由单片机最小系统，输入通道、输出通道、键盘显示等部分组成。绘制硬件电路图，明确各电路模块原理。由学生自己完成整个系统的设计，在元器件的选择、与元器件相匹配的接口电路设计上都有充分的灵活性。这里给出Proteus对象模型部分的控制仿真界面如图5所示。

图5 基于Proteus对象模型的控制仿真

4.2 软件设计

先根据软件工程思想设计各级程序流程图，然后在KeilC编程环境下编写单片机控制算法、采样、键盘处理、显示等程序。

4.3 软硬件联调及算法比较

对系统进行软硬件调试，进一步优化算法理论研究的控制参数和控制规则，并可对多种算法的实际控制效果进行比较。

5 结束语

为了激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性，提高实践能力，活跃自主创新思维，让学生在实践中真正掌握计算机控制系统的构成、控制器的设计、接口电路与应用程序的设计与实现方法，本文给出基于Matlab和Proteus对象模型的控制系统仿真方案。它具有综合性、可操作性，让学生在较短的时间内能自主地利用软硬件综合设计手段，完成计算机控制系统的组建、开发、算法研究、软硬件调试工作，提高综合应用能力。

[1] 王伟，王东宏.“计算机控制技术”课程设计的实践[J].江苏大学学报(高教研究版),2003,25(4):101-103.

[2] 申晓宁.计算机控制技术课程设计的改革与探索[J].中国电力教育,2010, 78(27):132-133.

[3] 辅小荣.计算机控制技术课程实践教学探索[J].中国现代教育装备，2011, 21(9)：81-83.

Research on the Curriculum Design of Computer Control Technology Based on Object Model in Proteus

Xia Xiaonan, Guo Zhibo

(InstituteofInformationTechnology,YangzhouUniversity,JiangsuYangzhou225009,China)

The Problem for the existing experiment environment of the curriculum design of computer control technology is firstly analyzed in this paper, then the general scheme of curriculum design based on the object model in Proteus is presented, moreover, the specific method is given through the example of the temperature control of heat-exchanger tank. The scheme has great comprehensiveness and flexibility that can help students to complete building, developing and debugging work of computer control system, which can improve their comprehensive application effectively.

curriculum design; temperature control; object model in Proteus

2016-11-17

夏晓南(1970- )，女，江苏镇江人，讲师，博士，主要研究方向：计算机控制技术、单片机应用。

1674- 4578(2016)06- 0089- 02

TP273；G642

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