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面向工程实践的工业计算机控制实验设计与装置研制
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更新于2024-09-01
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工业电子中的计算机控制实验内容设计及实验装置研制是针对自动化专业教育中关键课程《计算机控制技术》的一项重要研究。该研究旨在打破传统的实验室设置,创建一种既能体现工业控制计算机特性,又能满足实际工程应用需求的教学方案。实验内容的设计目标明确,不仅要求学生理解计算机控制系统的组成、原理和设计,还要通过C语言编程实践来掌握控制系统设计的方法。 引言部分强调了实验课在教学中的核心地位,它不仅提供理论学习后的实践环节,而且是培养工程设计技能的关键途径。通过计算机控制实验,学生能够学会独立操作和设计控制系统,从而熟悉一般工程设计过程。 以往的实验装置存在两大问题:实验内容过时,无法准确反映工业控制计算机在工程中的实际应用。因此,作者团队决定自主研发一套适应自动化专业工程实际的实验装置。他们考察了市场上的现有产品,并基于对实际需求的理解,于2003年开始自主研发,经过反复修改和完善,最终生产出了一批具有工程实践性的实验设备。 实验内容的设计注重工业控制计算机的实际应用,强调了实验的工程性和针对性。学生在这样的环境中能够接触到实际的工业控制场景,提升解决实际问题的能力。例如,实验可能包括模拟生产线控制、PLC(可编程逻辑控制器)编程、实时数据采集和处理等内容,这些都是工业现场常见的任务。 2004年,这套实验装置首次应用于自动化专业本科生的课程教学,得到了学生的积极反馈,证明了其在提高学生实践能力和理论知识结合方面的有效性。这项研究在推动工业电子领域计算机控制教学的革新方面做出了重要贡献,为培养符合工业需求的自动化专业人才提供了有力支持。
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工业电子中的计算机控制实验内容设计及实验装置研制工业电子中的计算机控制实验内容设计及实验装置研制
摘 要:文中介绍了一种既能体现工业控制计算机的特点,又面向自动化工程实际应用的计算机控制实验教学内容
的设计方案,阐述了与实验教学内容相适应的计算机控制实验装置的研制指导思想和主要功能。 1 引 言
《计算机控制技术》课程在自动化专业教学计划中是一门重要的专业课。其主要任务是使学生获得计算机控
制系统的组成、原理、设计等基础知识和基本应用技术。实验课是本课程重要的教学环节,其目的是使学生在
了解计算机控制系统的基本控制方法的基础上,掌握用C语言程序设计控制系统的方法。培养学生独立进行计算
机控制系统实验的技能,从而使学生掌握计算机控制系统的一般工程设计方法。 作为一门工程性很强的自
动
摘 要:文中介绍了一种既能体现工业控制计算机的特点,又面向自动化工程实际应用的计算机控制实验教学内容的设计方
案,阐述了与实验教学内容相适应的计算机控制实验装置的研制指导思想和主要功能。
1 引 言
《计算机控制技术》课程在自动化专业教学计划中是一门重要的专业课。其主要任务是使学生获得计算机控制系统的组
成、原理、设计等基础知识和基本应用技术。实验课是本课程重要的教学环节,其目的是使学生在了解计算机控制系统的基本
控制方法的基础上,掌握用C语言程序设计控制系统的方法。培养学生独立进行计算机控制系统实验的技能,从而使学生掌握
计算机控制系统的一般工程设计方法。
作为一门工程性很强的自动化专业课程,一直以来在我系微机原理实验室做计算机控制技术实验内容显然不行。因此,从
2002年初起,我系开始计划筹建计算机控制技术专业实验室。在筹建的过程中,我系对国内很多大学正在使用或市场上销售的计
算机控制实验装置进行了考察,结果发现它们在实验教学功能上普遍存在两点不足:一是实验内容陈旧;二是不能体现工业控
制计算机在实际工程应用中的特点。最终未能找到合适的面向自动化专业工程实际的计算机控制实验教学装置。2003年3月,
我系该项目负责人决定自主设计计算机控制实验内容并开发相应的实验装置。经过多次对实验内容及样机进行修改后,批量生
产17台计算机控制技术实验装置装备我系计算机控制技术实验室, 2004年10月首次用于2000级自动化专业本科生的计算机控
制技术课程实验教学,学生普遍反映实验内容工程性强,实验教学效果良好。
2 实验内容的设计
对于工业控制计算机作为计算机控制系统的核心来说,首先在实验教学中应体现其作为工业控制器的特点,只有这样,才能让
学生充分理解工业控制计算机的硬件特性和功能。其次,要面向自动化专业的学生,将实验内容与工程实际结合起来,以提高学生
的学习兴趣,培养学生的工程意识。此外,考虑到学生做计算机控制技术实验时已经具有微机原理、单片机等很多课程实验的基
础,实验内容的难度要适当提高,以综合设计性实验为主,提高学生的创新能力。根据教学计划,计算机控制技术实验共6个学时,学
期末有为期一周的计算机控制技术课程设计,实验室对全校学生实行全开放型预约实验。
2. 1 实验装置熟悉及I/O通道实验
计算机控制技术实验装置采用积木式结构、使用非常方便。第一次实验开始时首先由实验教师向学生介绍实验装置功能,
然后学生花很短时间熟悉实验装置并重点掌握基本输入输出通道的功能。I/O通道包括8路数字量输入、8路数字量输出、4路模
拟量输入和2路模拟量输出。学生在掌握板卡常用功能的基础上, 使用C语言程序编写初始化pcl812板卡子程序(其功能是初始
化pcl812板卡,设置pcl板卡数据读取方式,设置中断计数器)和初始化中断及中断服务子程序。并由定时器中断触发启动A
/D转换,实现对外部开关信号、模拟量等进行采集。由于工业控制计算机的I/O通道功能比较好理解,且与单片机相应功能类似,
学生通常都能较好地掌握,从而达到实验目的。
2. 2 滤波实验
计算机控制系统在生产现场运行,信号的采集、转换必然受到生产现场各种强烈的干扰,如电网的波动、强电设备的启
停、高压设备和开关的电磁辐射等造成的干扰都会窜入I/O通道,轻则使采集的信号不精确,重则使系统无法正常运行[1]。
为了提高计算机控制系统的可靠性,在系统设计时必须采取多种抗干扰措施。如果在实验教学中不安排I/O通道抗干扰方
面的内容,对于学生真正掌握计算机控制系统的组成和特点都不利。常用的抑制串模干扰的方法有两个:一个是根据干扰信号
的特性来选择模拟输入滤波器;另一个是采用数字滤波技术,例如可采用平均值法、中值法、一阶惯性滤波等算法滤去干扰信
号[1]。相比较而言, 数字滤波器能够更好的帮助学生理解计算机控制系统的特点。学生实验时,要求先读懂加有详细注释的板卡
初始化及中断子程序,然后参考校编《计算机控制技术实验指导书》中关于实现数字滤波器的介绍,分析数字滤波算法的程序框
图,要求学生自行编写各种数字滤波算法程序,再输入A/D通道采集的混合信号,验证数字滤波器的滤波效果。本次实验主要是让
学生熟悉数字滤波器的实现方法,认识工业控制计算机的硬件特性,理解板卡的有关驱动程序及板卡设置等都有很大的帮助。因
为实验室是全开放的,对于学有余力或有兴趣的学生,还可以加做其他高级滤波算法的实验,自行设计数字滤波器系统传递函数并
编程实现数字滤波器。
2. 3 数字PID算法实验
本次实验要求学生根据被控对象的传递函数,设计被控对象的控制器传递函数。采用PID位置式递推算式、PID增量式递
推算式、防积分饱和PID控制算法实现对被控对象的控制。根据PID控制对象的参数整定方法,确定P、I、D参数。通过连线
使学生对计算机控制系统的结构有整体认识。
学生在做实验时,把产生带有高频噪声干扰的有用信号,让其通过模拟低通滤波器之后,将滤波器输出作为闭环系统的给
定输入并经模拟量输入通道一进行数据采集。模拟对象输出作为单位负反馈信号并经模拟量输入通道一进行数据采集。当板卡
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