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3实验装置的研制
　　
为了满足自动化专业实验教学内容的要求,研制了一套计算机控制技术实验装置。同时根据课程设计内容的需要,配套设计了一些典型控制对象，如自制直流机组、电烙铁等。台湾研华公司生产的研华原装工业控制计算机IPC-610L是专门为工业控制系统而设计的,在工业电脑和自动化市场中应用非常广泛。我系计算机控制技术课程选择工业控制计算机作为教学机型,因此本实验装置研华原装工业控制计算机进行开发。
　　
3.1　研制的指导思想
　　
（1）便于综合性、设计性实验的实现。设计性及综合性实验是提高学生创新能力的重要手段。计算机控制技术实验装置具有多功能性,输入输出接口功能较强,便于综合性、设计性实验的实现。
　　
（2）便于开放式实验教学。计算机控制技术实验装置采用积木式结构,操作方便,安全性好,便于开放式实验教学的实行。
　　
（3）实验教学面向工程实际。注重贯彻实验教学面向工程实际的思想。结合所设计的实验教学内容,使学生明白工业控制计算机在自己毕业以后实际工作中的用途及使用方法,从而培养学生的工程兴趣,提高实验教学效果。在计算机控制技术实验装置研制之初,就制定了上述几个指导思想,研制过程中,经过对样机多次改进,最后用于学生实验的实验装置,也基本上体现了这样的指导思想。
　　
3.2　装置的基本功能
　　
本实验装置由工业控制计算机、UNIT1～UNIT4挂箱及典型控制对象模型组成。工业控制计算机是实验装置的核心部件，在工业控制计算机中还有两块ISA接口的板卡PCL-812PG和PCL-833。PCL-812PG板卡是包含有A/D、D/A、DI、DO等功能的综合板，插在ISA10插槽中;PCL-833板卡用来对光电编码器的脉冲进行计数，插在ISA7插槽中。
　　
UNIT1～UNIT4的每个挂箱只要拔掉后面的插头即可方便地拆下，各挂箱之间可灵活组合、操作方便、直观、用途广泛。UNIT1面板包括电源控制、信号源和通道实验三个部分。其中信号源部分包括噪声源、阶跃信号源和混合电路，噪声源通过UNIT1挂箱内印制电路板上的拨码开关切换输出脉冲噪声或均匀噪声。阶跃信号源可以通过手动调节电位器提供-10～10V的直流输出，并可通过乒乓开关控制直流电源的通和断提供阶跃输入信号。混合电路是两路同相相加电路。通道实验部分包括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。
　　
UNIT2挂箱的主要功能是完成滤波实验和数字PID算法实验。包括模拟滤波电路、数字滤波电路和模拟对象电路三部分。模拟滤波电路图如图1所示。

图1模拟滤波电路图
　　
在UNIT2挂箱中的数字滤波电路只是一个示意图，并无实际电路。在示意图上标注说明滤波输入经A/D通道1进入工业控制计算机，滤波输出经D/A通道1从工业控制计算机输出，并将2路通道与I/O接口电路相连。学生实验时,只要按要求把混合信号插入指定的A/D通道端口即可观察滤波效果。模拟对象电路主要有运算放大器和若干电容、电阻组成。学生做实验时可通过UNIT2挂箱面板上的乒乓开关选择一阶或二阶模拟对象。各模拟对象的电路原理图如图2所示。

图2模拟对象原理图
　　
与图2对应的模拟对象传递函数为：

　　

（a）（b）UNIT3主要用于完成电机位置控制和转速控制实验，附加集散控制系统实验示意图。电机控制原理图如图3所示。电机位置控制实质是构成一个位置环，输入脉冲序列和反馈脉冲序列产生位置误差脉冲序列信号，误差脉冲序列信号加到驱动板上，以H型双极可逆PWM方式驱动直流伺服电机低速高转矩转动，到达期望位置。图3中的A/D和D/A均通过PCL-812PG板卡实现，脉冲板指插在工业控制计算机ISA10插槽中的PCL-833板卡。驱动板在UNIT3挂箱内部，它是H型双极可逆PWM驱动系统。增量式光电编码器每圈可输出1024个A相和B相脉冲和1个零位脉冲，A、B相脉冲信号的相位差为90度。三个脉冲信号均为差分信号，输入到PCL833脉冲板进行脉冲计数。学生实验时可直接将给定信号连接到UNIT1挂箱面板上对应的A/D通道，工业控制计算机通过D/A通道输出控制电压，当控制电压为-10～10V时，驱动板所输出的电枢电压能让自制的直流电机组的转速在-1500～1500转/分内变化。这样的设计主要是考虑到学生毕竟是在做计算机控制技术实验,应将训练的重点放在控制算法的掌握上,尽量减少学生在其它设计和调试中所花的时间。同时,将实验装置的电路原理图附在实验指导书的后面,供学生学习参考用。


图3电机控制原理图
　　
集散控制系统实验在UNIT3挂箱内并无实际电路。集散控制系统采用工业以太网卡和TCP/IP协议构成的现场总线，现场总线将上位机和下位机连接起来，组成集散控制系统。下位机的数据传输线通过集线器与上位机交换数据。实验软件分为两部分：上位机上有集散控制系统的监控界面，在Windows2000下的组态王6.5软件中运行;下位机是现场数据采集界面，也运行于组态王6.5环境下。

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关键词： 工业控制计算机 实验内容 实验装置