(精品論文)計(jì)算機(jī)控制論文自動(dòng)控制論文

計(jì)算機(jī)控制論文自動(dòng)控制論文計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)的改革與探索摘要:探討了課程設(shè)計(jì)的前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié)、目標(biāo)、要求、實(shí)踐安排及成績?cè)u(píng)定方式。以一個(gè)具有不完全微分PID控制器和卡爾曼濾波器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為例,給出了該系統(tǒng)的總體框架、軟硬件設(shè)計(jì)和聯(lián)調(diào)的方法。 關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)控制技術(shù);課程設(shè)計(jì);PID控制;卡爾曼濾波 “計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程涉及微機(jī)原理、電路、自動(dòng)控制原理、模擬電子技術(shù)、程序設(shè)計(jì)等相關(guān)知識(shí)。對(duì)于這門綜合性高、實(shí)踐性強(qiáng)的課程,僅僅在課堂上傳授理論知識(shí)是不夠的,需要有效地開展課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),使學(xué)生能夠在實(shí)踐中更加深入地理解和消化理論知識(shí),并初步具有獨(dú)立設(shè)計(jì)和調(diào)試計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的能力,為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)及畢業(yè)后的工作奠定基礎(chǔ)。 一、課程設(shè)計(jì)的前期準(zhǔn)備 1.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選取 經(jīng)過多方調(diào)研,南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院購買了浙江天煌教儀公司生產(chǎn)的THBDC-1型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)既考慮了學(xué)校理論教學(xué)的需要,又考慮了產(chǎn)品的開放性,如信號(hào)采集部分不采用單片機(jī)系統(tǒng),而使用工業(yè)上常用的USB數(shù)據(jù)采集卡,在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上除了用運(yùn)放來模擬各種受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型外,還有針對(duì)性地設(shè)置了溫度加熱器、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、單容水箱四個(gè)實(shí)際被控對(duì)象。同時(shí),該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還配有上位機(jī)軟件,包括用于顯示實(shí)驗(yàn)波形的虛擬示波器、用戶可編寫各種算法及控制程序的VBScript腳本編程器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等。 2.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的制定 根據(jù)“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”理論課的教學(xué)進(jìn)度,穿插了6個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),在理論課結(jié)束后,安排課程設(shè)計(jì)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括:A/D與D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波器、數(shù)字PID調(diào)節(jié)器、最少拍控制、大林控制及步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。上述實(shí)驗(yàn)涵蓋了理論課程中的核心內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)中,先由指導(dǎo)教師講解關(guān)鍵技術(shù),如通信接口的功能、軟件編程的技巧等,然后由學(xué)生動(dòng)手完成系統(tǒng)連接,算法編寫、參數(shù)整定和系統(tǒng)調(diào)試。該過程既能讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用,掌握組成和調(diào)試計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本方法,又能使學(xué)生將課本上的理論知識(shí)點(diǎn)與實(shí)踐聯(lián)系起來,及時(shí)鞏固課堂重點(diǎn)內(nèi)容,為后續(xù)的課程設(shè)計(jì)夯實(shí)基礎(chǔ)。 二、課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)、要求與安排 指導(dǎo)教師需要在開課前給學(xué)生發(fā)放課程設(shè)計(jì)任務(wù)書和指導(dǎo)書,并說明設(shè)計(jì)要求和進(jìn)度安排,使學(xué)生明確目標(biāo),合理安排時(shí)間,提高效率。同時(shí),在方案設(shè)計(jì)、元器件選型、程序編制等方面,鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)表自己的獨(dú)特見解,以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。 1.課程設(shè)計(jì)的目標(biāo) 搭建和調(diào)試一個(gè)由工業(yè)控制機(jī)控制,內(nèi)部存在干擾信號(hào),并基于數(shù)字濾波器減少干擾影響的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。通過這個(gè)過程掌握電壓的采樣方法、A/D、D/A轉(zhuǎn)換方法和接口的使用方法、數(shù)字濾波的方法。理解常用的控制算法,熟悉利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。提高學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的技能,使學(xué)生具有設(shè)計(jì)小型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件和軟件的能力。同時(shí),通過資料搜集、方案分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與報(bào)告撰寫等一系列過程,使學(xué)生得到一次科學(xué)研究工作的初步訓(xùn)練。 2.課程設(shè)計(jì)的要求 (1)每組12位同學(xué),根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及設(shè)計(jì)任務(wù),搭建實(shí)際電路,組成完整的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 (2)根據(jù)被控對(duì)象,采用相應(yīng)的控制和濾波算法,編制程序流程圖和源程序,經(jīng)過系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào),獲得滿意的控制效果。要求系統(tǒng)的響應(yīng)曲線穩(wěn)定,上升時(shí)間短,無靜差,超調(diào)小,抗干擾能力強(qiáng)。 (3)每位學(xué)生須提交課程設(shè)計(jì)說明書,內(nèi)容包括:1)研究目的。2)總體設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。3)詳細(xì)設(shè)計(jì)。硬件部分給出元器件型號(hào),電路原理圖;軟件要求繪制流程圖,各模塊的具體代碼及說明。4)系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào)的過程說明。5)給出系統(tǒng)在不同控制方案下的響應(yīng)曲線和控制器輸出曲線,并作出詳細(xì)分析。6)總結(jié)遇到的問題及解決途徑。 3.課程設(shè)計(jì)的安排 課程設(shè)計(jì)時(shí)間為一周,具體安排如下: (1)查閱文獻(xiàn),設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖,占用1天。 (2)對(duì)裝置和元器件作好選型,設(shè)計(jì)電路原理圖和各部分接口電路,搭建硬件電路,占用1天。 (3)設(shè)計(jì)控制和濾波算法,繪制程序框圖,編寫代碼,軟件調(diào)試,占用2天。 (4)系統(tǒng)軟硬件的聯(lián)調(diào),參數(shù)整定,占用2天。 (5)整理、撰寫課程設(shè)計(jì)說明書,占用1天。 4.課程設(shè)計(jì)的考核方式及成績?cè)u(píng)定 指導(dǎo)教師要定期檢查學(xué)生的設(shè)計(jì)進(jìn)展,給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo),這樣有助于教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題,同時(shí)深入了解每位學(xué)生的工作態(tài)度、對(duì)理論知識(shí)的理解程度、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力等。在最終驗(yàn)收時(shí),教師嚴(yán)格把關(guān),要求人手一機(jī)獨(dú)立進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試,給出結(jié)果,并回答一至兩個(gè)問題。在成績?cè)u(píng)定中,結(jié)合平時(shí)檢查、提問抽查、設(shè)計(jì)方案的合理性、設(shè)計(jì)效果、答辯與課程設(shè)計(jì)說明書質(zhì)量等方面綜合考察。具體比例可定為:線路圖、程序及報(bào)告占30%,系統(tǒng)性能指標(biāo)占20%,答辯占20%,設(shè)計(jì)期間表現(xiàn)占30%。上述方法能夠激發(fā)學(xué)生的積極性,使總評(píng)成績更加公正。對(duì)于學(xué)習(xí)不自覺的學(xué)生起到了約束作用,對(duì)學(xué)習(xí)主動(dòng)的同學(xué),也是很好的鞭策。 三、設(shè)計(jì)實(shí)例 1.設(shè)計(jì)題目 某溫度控制對(duì)象的傳函為:,系統(tǒng)輸入幅值為3的階躍信號(hào)。請(qǐng)完成以下任務(wù):1)分別在控制器和被控對(duì)象的輸出端施加控制干擾和測量干擾信號(hào);2)采用不完全微分PID控制算法,并使用抗積分飽和方法;3)在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波。 2.總體設(shè)計(jì) 采用THBDC-1平臺(tái)與上位機(jī)組成控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬被控對(duì)象,上位機(jī)作為控制器和濾波器,兩者通過數(shù)據(jù)采集卡中的A/D和D/A接口進(jìn)行通訊,實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 3.硬件設(shè)計(jì) 由被控對(duì)象的傳遞函數(shù),設(shè)計(jì)電路如圖2所示。 控制和測量噪聲可設(shè)計(jì)為尖脈沖,電路如圖3所示。 信號(hào)與干擾通過加法器產(chǎn)生測試信號(hào),如圖4所示。 4.軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)包括不完全微分PID和卡爾曼濾波算法。程序流程圖如圖5所示。 5.系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調(diào) 按電路圖連接各硬件模塊及與上位機(jī)的通訊接口,搭建閉環(huán)控制系統(tǒng)。在上位機(jī)軟件中運(yùn)行腳本文件,通過虛擬示波器觀測加入濾波器前后系統(tǒng)的響應(yīng)曲線及控制量的變化曲線。改變采樣周期及PID算法中的各參數(shù)值,直至獲取滿意的控制效果。 四、結(jié)束語 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革已經(jīng)兩年,從對(duì)學(xué)生的調(diào)查和成績統(tǒng)計(jì)可以看出,學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)和獨(dú)立分析、解決問題的能力均得到了提高,團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)也有所增強(qiáng);另一方面,課程設(shè)計(jì)對(duì)教師