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摘要:探讨了课程设计的前期准备环节、目标、要求、实践安排及成绩评定方式。以一个具有不完全微分PID控制器和卡尔曼滤波器的计算机控制系统为例,给出了该系统的总体框架、软硬件设计和联调的方法。
关键词:计算机控制技术;课程设计;PID控制;卡尔曼滤波
作者简介:申晓宁(1981-),女,江苏南京人,南京信息工程大学信息与控制学院,讲师,工学博士,主要研究方向:智能优化方法。(江苏 南京 210044)
“计算机控制技术”课程涉及微机原理、电路、自动控制原理、模拟电子技术、程序设计等相关知识。对于这门综合性高、实践性强的课程,仅仅在课堂上传授理论知识是不够的,需要有效地开展课程设计等实践教学环节,使学生能够在实践中更加深入地理解和消化理论知识,并初步具有独立设计和调试计算机控制系统的能力,为后续的毕业设计及毕业后的工作奠定基础。
一、课程设计的前期准备
1.实验平台的选取
经过多方调研,南京信息工程大学信息与控制学院购买了浙江天煌教仪公司生产的THBDC-1型计算机控制技术实验平台。该平台既考虑了学校理论教学的需要,又考虑了产品的开放性,如信号采集部分不采用单片机系统,而使用工业上常用的USB数据采集卡,在实验的设计上除了用运放来模拟各种受控对象的数学模型外,还有针对性地设置了温度加热器、步进电机、直流电机、单容水箱四个实际被控对象。同时,该实验平台还配有上位机软件,包括用于显示实验波形的虚拟示波器、用户可编写各种算法及控制程序的VBScript脚本编程器和函数信号发生器等。
2.基础实验的制定
根据“计算机控制技术”理论课的教学进度,穿插了6个基础实验,在理论课结束后,安排课程设计。基础实验包括:A/D与D/A转换、数字滤波器、数字PID调节器、最少拍控制、大林控制及步进电机转速控制。上述实验涵盖了理论课程中的核心内容。实验中,先由指导教师讲解关键技术,如通信接口的功能、软件编程的技巧等,然后由学生动手完成系统连接,算法编写、参数整定和系统调试。该过程既能让学生熟悉实验平台的使用,掌握组成和调试计算机控制系统的基本方法,又能使学生将课本上的理论知识点与实践联系起来,及时巩固课堂重点内容,为后续的课程设计夯实基础。
二、课程设计的目标、要求与安排
指导教师需要在开课前给学生发放课程设计任务书和指导书,并说明设计要求和进度安排,使学生明确目标,合理安排时间,提高效率。同时,在方案设计、元器件选型、程序编制等方面,鼓励学生发表自己的独特见解,以调动学生的主观能动性。
1.课程设计的目标
搭建和调试一个由工业控制机控制,内部存在干扰信号,并基于数字滤波器减少干扰影响的计算机控制系统。通过这个过程掌握电压的采样方法、A/D、D/A转换方法和接口的使用方法、数字滤波的方法。理解常用的控制算法,熟悉利用计算机进行自动控制的系统结构。提高学生综合运用理论知识解决实际问题的技能,使学生具有设计小型计算机控制系统硬件和软件的能力。同时,通过资料搜集、方案分析、系统设计与报告撰写等一系列过程,使学生得到一次科学研究工作的初步训练。
2.课程设计的要求
(1)每组1～2位同学,根据实验室设备及设计任务,搭建实际电路,组成完整的计算机控制系统。
(2)根据被控对象,采用相应的控制和滤波算法,编制程序流程图和源程序,经过系统软硬件联调,获得满意的控制效果。要求系统的响应曲线稳定,上升时间短,无静差,超调小,抗干扰能力强。
(3)每位学生须提交课程设计说明书,内容包括:1)研究目的。2)总体设计方案及系统结构框图。3)详细设计。硬件部分给出元器件型号,电路原理图;软件要求绘制流程图,各模块的具体代码及说明。4)系统软硬件联调的过程说明。5)给出系统在不同控制方案下的响应曲线和控制器输出曲线,并作出详细分析。6)总结遇到的问题及解决途径。
3.课程设计的安排
课程设计时间为一周,具体安排如下:
(1)查阅文献,设计系统总体框图,占用1天。
(2)对装置和元器件作好选型,设计电路原理图和各部分接口电路,搭建硬件电路,占用1天。
(3)设计控制和滤波算法,绘制程序框图,编写代码,软件调试,占用2天。
(4)系统软硬件的联调,参数整定,占用2天。
(5)整理、撰写课程设计说明书,占用1天。
4.课程设计的考核方式及成绩评定
指导教师要定期检查学生的设计进展,给予适当的指导,这样有助于教师及时发现学生存在的问题,同时深入了解每位学生的工作态度、对理论知识的理解程度、发现和解决问题的能力等。在最终验收时,教师严格把关,要求人手一机独立进行系统调试,给出结果,并回答一至两个问题。在成绩评定中,结合平时检查、提问抽查、设计方案的合理性、设计效果、答辩与课程设计说明书质量等方面综合考察。具体比例可定为:线路图、程序及报告占30%,系统性能指标占20%,答辩占20%,设计期间表现占30%。上述方法能够激发学生的积极性,使总评成绩更加公正。对于学习不自觉的学生起到了约束作用,对学习主动的同学,也是很好的鞭策。
三、设计实例
1.设计题目
某温度控制对象的传函为:,系统输入幅值为3的阶跃信号。请完成以下任务:1)分别在控制器和被控对象的输出端施加控制干扰和测量干扰信号;2)采用不完全微分PID控制算法,并使用抗积分饱和方法;3)在系统中设计卡尔曼滤波器实现信号的滤波。
2.总体设计
采用THBDC-1平台与上位机组成控制系统。实验平台模拟被控对象,上位机作为控制器和滤波器,两者通过数据采集卡中的A/D和D/A接口进行通讯,实现对被控对象的控制。系统框图如图1所示。
3.硬件设计
由被控对象的传递函数,设计电路如图2所示。
控制和测量噪声可设计为尖脉冲,电路如图3所示。
信号与干扰通过加法器产生测试信号,如图4所示。
4.软件设计
软件设计包括不完全微分PID和卡尔曼滤波算法。程序流程图如图5所示。
5.系统软硬件联调
按电路图连接各硬件模块及与上位机的通讯接口,搭建闭环控制系统。在上位机软件中运行脚本文件,通过虚拟示波器观测加入滤波器前后系统的响应曲线及控制量的变化曲线。改变采样周期及PID算法中的各参数值,直至获取满意的控制效果。
四、结束语
计算机控制技术课程设计的教学改革已经两年,从对学生的调查和成绩统计可以看出,学生综合运用专业理论知识和独立分析、解决问题的能力均得到了提高,团队合作意识也有所增强;另一方面,课程设计对教师传授理论课程也起到了促进作用,同时增进了教师与学生间的交流。
参考文献:
[1]袁少强.计算机控制实验教学的改革与探讨[J].实验室研究与探索,2003,(2):34-35.
[2]鞠阳.计算机控制技术课程教学方法改革探索[J].南京工程学院(社会科学版),2007,(1):45-47.
(责任编辑:郝魁府)
关键词:计算机控制技术;课程设计;PID控制;卡尔曼滤波
作者简介:申晓宁(1981-),女,江苏南京人,南京信息工程大学信息与控制学院,讲师,工学博士,主要研究方向:智能优化方法。(江苏 南京 210044)
“计算机控制技术”课程涉及微机原理、电路、自动控制原理、模拟电子技术、程序设计等相关知识。对于这门综合性高、实践性强的课程,仅仅在课堂上传授理论知识是不够的,需要有效地开展课程设计等实践教学环节,使学生能够在实践中更加深入地理解和消化理论知识,并初步具有独立设计和调试计算机控制系统的能力,为后续的毕业设计及毕业后的工作奠定基础。
一、课程设计的前期准备
1.实验平台的选取
经过多方调研,南京信息工程大学信息与控制学院购买了浙江天煌教仪公司生产的THBDC-1型计算机控制技术实验平台。该平台既考虑了学校理论教学的需要,又考虑了产品的开放性,如信号采集部分不采用单片机系统,而使用工业上常用的USB数据采集卡,在实验的设计上除了用运放来模拟各种受控对象的数学模型外,还有针对性地设置了温度加热器、步进电机、直流电机、单容水箱四个实际被控对象。同时,该实验平台还配有上位机软件,包括用于显示实验波形的虚拟示波器、用户可编写各种算法及控制程序的VBScript脚本编程器和函数信号发生器等。
2.基础实验的制定
根据“计算机控制技术”理论课的教学进度,穿插了6个基础实验,在理论课结束后,安排课程设计。基础实验包括:A/D与D/A转换、数字滤波器、数字PID调节器、最少拍控制、大林控制及步进电机转速控制。上述实验涵盖了理论课程中的核心内容。实验中,先由指导教师讲解关键技术,如通信接口的功能、软件编程的技巧等,然后由学生动手完成系统连接,算法编写、参数整定和系统调试。该过程既能让学生熟悉实验平台的使用,掌握组成和调试计算机控制系统的基本方法,又能使学生将课本上的理论知识点与实践联系起来,及时巩固课堂重点内容,为后续的课程设计夯实基础。
二、课程设计的目标、要求与安排
指导教师需要在开课前给学生发放课程设计任务书和指导书,并说明设计要求和进度安排,使学生明确目标,合理安排时间,提高效率。同时,在方案设计、元器件选型、程序编制等方面,鼓励学生发表自己的独特见解,以调动学生的主观能动性。
1.课程设计的目标
搭建和调试一个由工业控制机控制,内部存在干扰信号,并基于数字滤波器减少干扰影响的计算机控制系统。通过这个过程掌握电压的采样方法、A/D、D/A转换方法和接口的使用方法、数字滤波的方法。理解常用的控制算法,熟悉利用计算机进行自动控制的系统结构。提高学生综合运用理论知识解决实际问题的技能,使学生具有设计小型计算机控制系统硬件和软件的能力。同时,通过资料搜集、方案分析、系统设计与报告撰写等一系列过程,使学生得到一次科学研究工作的初步训练。
2.课程设计的要求
(1)每组1～2位同学,根据实验室设备及设计任务,搭建实际电路,组成完整的计算机控制系统。
(2)根据被控对象,采用相应的控制和滤波算法,编制程序流程图和源程序,经过系统软硬件联调,获得满意的控制效果。要求系统的响应曲线稳定,上升时间短,无静差,超调小,抗干扰能力强。
(3)每位学生须提交课程设计说明书,内容包括:1)研究目的。2)总体设计方案及系统结构框图。3)详细设计。硬件部分给出元器件型号,电路原理图;软件要求绘制流程图,各模块的具体代码及说明。4)系统软硬件联调的过程说明。5)给出系统在不同控制方案下的响应曲线和控制器输出曲线,并作出详细分析。6)总结遇到的问题及解决途径。
3.课程设计的安排
课程设计时间为一周,具体安排如下:
(1)查阅文献,设计系统总体框图,占用1天。
(2)对装置和元器件作好选型,设计电路原理图和各部分接口电路,搭建硬件电路,占用1天。
(3)设计控制和滤波算法,绘制程序框图,编写代码,软件调试,占用2天。
(4)系统软硬件的联调,参数整定,占用2天。
(5)整理、撰写课程设计说明书,占用1天。
4.课程设计的考核方式及成绩评定
指导教师要定期检查学生的设计进展,给予适当的指导,这样有助于教师及时发现学生存在的问题,同时深入了解每位学生的工作态度、对理论知识的理解程度、发现和解决问题的能力等。在最终验收时,教师严格把关,要求人手一机独立进行系统调试,给出结果,并回答一至两个问题。在成绩评定中,结合平时检查、提问抽查、设计方案的合理性、设计效果、答辩与课程设计说明书质量等方面综合考察。具体比例可定为:线路图、程序及报告占30%,系统性能指标占20%,答辩占20%,设计期间表现占30%。上述方法能够激发学生的积极性,使总评成绩更加公正。对于学习不自觉的学生起到了约束作用,对学习主动的同学,也是很好的鞭策。
三、设计实例
1.设计题目
某温度控制对象的传函为:,系统输入幅值为3的阶跃信号。请完成以下任务:1)分别在控制器和被控对象的输出端施加控制干扰和测量干扰信号;2)采用不完全微分PID控制算法,并使用抗积分饱和方法;3)在系统中设计卡尔曼滤波器实现信号的滤波。
2.总体设计
采用THBDC-1平台与上位机组成控制系统。实验平台模拟被控对象,上位机作为控制器和滤波器,两者通过数据采集卡中的A/D和D/A接口进行通讯,实现对被控对象的控制。系统框图如图1所示。
3.硬件设计
由被控对象的传递函数,设计电路如图2所示。
控制和测量噪声可设计为尖脉冲,电路如图3所示。
信号与干扰通过加法器产生测试信号,如图4所示。
4.软件设计
软件设计包括不完全微分PID和卡尔曼滤波算法。程序流程图如图5所示。
5.系统软硬件联调
按电路图连接各硬件模块及与上位机的通讯接口,搭建闭环控制系统。在上位机软件中运行脚本文件,通过虚拟示波器观测加入滤波器前后系统的响应曲线及控制量的变化曲线。改变采样周期及PID算法中的各参数值,直至获取满意的控制效果。
四、结束语
计算机控制技术课程设计的教学改革已经两年,从对学生的调查和成绩统计可以看出,学生综合运用专业理论知识和独立分析、解决问题的能力均得到了提高,团队合作意识也有所增强;另一方面,课程设计对教师传授理论课程也起到了促进作用,同时增进了教师与学生间的交流。
参考文献:
[1]袁少强.计算机控制实验教学的改革与探讨[J].实验室研究与探索,2003,(2):34-35.
[2]鞠阳.计算机控制技术课程教学方法改革探索[J].南京工程学院(社会科学版),2007,(1):45-47.
(责任编辑:郝魁府)