夏曉南，郭志波

(揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

基于Proteus對象模型的計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計研究

夏曉南，郭志波

(揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

首先分析了現(xiàn)行計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計實(shí)驗環(huán)境存在的問題，然后提出了基于Matlab和Proteus對象模型的課程設(shè)計總體方案,并以熱交換池的溫度控制為例給出具體實(shí)施方法。該方案具有很強(qiáng)的綜合性、靈活性，有助于學(xué)生自主地完成計算機(jī)控制系統(tǒng)的組建、開發(fā)、調(diào)試工作，有效提高綜合應(yīng)用能力。

課程設(shè)計；溫度控制；Proteus對象模型

計算機(jī)控制技術(shù)是自動化專業(yè)、自動控制專業(yè)的專業(yè)必修課。該課程是在自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)，通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展和建立起來的，它是實(shí)現(xiàn)綜合自動化的核心技術(shù)，是一門綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。它主要研究如何將計算機(jī)技術(shù)和自動控制理論應(yīng)用于生產(chǎn)過程，并設(shè)計出所需要的計算機(jī)控制系統(tǒng)。它要求學(xué)生掌握一些最基本的計算機(jī)控制系統(tǒng)的分析方法和一般計算機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，并通過課程設(shè)計，進(jìn)一步學(xué)習(xí)與理解計算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成原理、接口電路與應(yīng)用程序，進(jìn)一步鞏固與綜合微機(jī)原理、自控原理、過程控制、自動檢測、軟件技術(shù)基礎(chǔ)、單片機(jī)應(yīng)用及計算機(jī)控制技術(shù)等多門專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)課程知識，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的實(shí)踐技能；培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主、綜合分析的思維與創(chuàng)新能力，最終使學(xué)生初步具有小型計算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計能力。該課程具有較強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性，因而該課程兩周時間的課程設(shè)計對幫助學(xué)生掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試工作具有很重要的意義。目前大多數(shù)院校在課程設(shè)計中采用的方法是在開設(shè)實(shí)驗的設(shè)備上，完成一些綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)設(shè)計題目[1-3]。比如在以C8051F060芯片為核心的ACCT-I計算機(jī)控制實(shí)驗系統(tǒng)上完成直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)或是水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)等設(shè)計課題。由于系統(tǒng)接口電路部分已經(jīng)封裝集成，這部分程序代碼也不可見，實(shí)驗環(huán)境不具有開放性，因而不利于學(xué)生對計算機(jī)控制系統(tǒng)形成直觀的認(rèn)識、建立系統(tǒng)的概念。另一方面是現(xiàn)有實(shí)驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)和使用的芯片相對固定，不利于學(xué)生自主選擇設(shè)計。

考慮上述原因，本文給出一種基于Matlab和Protues軟件，在進(jìn)行算法理論研究的基礎(chǔ)上，利用單片機(jī)作為控制器實(shí)現(xiàn)對象系統(tǒng)性能控制的課程設(shè)計方案。它支持自定義建立對象模型，模擬系統(tǒng)擾動，根據(jù)對象模型和系統(tǒng)特點(diǎn)靈活選擇設(shè)計控制算法，在Matlab軟件中進(jìn)行算法理論仿真研究，在proteus仿真環(huán)境下進(jìn)行包含對象模型、擾動模型、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、端口譯碼電路、輸入輸出接口電路、單片機(jī)控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型、鍵盤及顯示器的軟硬件應(yīng)用仿真，使用的器件也有更多的選擇余地。下面以熱交換機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計為例，詳細(xì)介紹該方案的實(shí)現(xiàn)方法。

1 任務(wù)描述

熱交換器的溫度控制工藝流程圖如圖1所示，藍(lán)色為冷水管道，紅色為熱水管道，通過熱交換使得池中水溫達(dá)到設(shè)定溫度，T為溫度測量和變送裝置，TC為控制器，閥為電動調(diào)節(jié)閥。設(shè)計數(shù)字控制器，通過Proteus實(shí)現(xiàn)熱交換器的溫度控制過程，使得池中水溫保持在設(shè)定值上，設(shè)計中考慮水的流量擾動。要求能通過鍵盤設(shè)定溫度(冷水溫度和池水溫度)，并顯示冷水溫度、池水設(shè)定溫度、池水測量溫度、調(diào)節(jié)閥開度。

圖1 熱交換機(jī)工藝流程圖

2 建模及控制方案選擇

圖2 系統(tǒng)控制方框圖

3 控制器設(shè)計及Matlab理論仿真研究

設(shè)計出前饋控制器Gcf和控制器Gc，借助于Matlab中的SimuLink進(jìn)行算法仿真，在理論上研究控制器的性能。學(xué)生可了解各種控制算法的特點(diǎn)，自主選擇控制器設(shè)計方案，做出仿真結(jié)果，進(jìn)行控制算法比較。在單位階躍函數(shù)給定作用下觀察控制參數(shù)對系統(tǒng)控制結(jié)果的影響，找出較好的一組控制參數(shù)或控制規(guī)則。

3.1 前饋控制器Gcf的設(shè)計

圖3 前饋控制器設(shè)計

3.2 主控制器Gcf的設(shè)計

這里給出PID控制和模糊控制兩種控制方案，在Matlab中設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PID、模糊控制器設(shè)計

通過在Matlab中的算法仿真研究初步得到各種算法的控制參數(shù)或控制規(guī)則。

4 基于Proteus對象模型的控制仿真

利用單片機(jī)設(shè)計控制器來控制執(zhí)行器，達(dá)到對交換池水溫的準(zhǔn)確控制。

4.1 硬件設(shè)計

在Proteus仿真軟件中，選擇單片機(jī)類型，進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計。硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)，輸入通道、輸出通道、鍵盤顯示等部分組成。繪制硬件電路圖，明確各電路模塊原理。由學(xué)生自己完成整個系統(tǒng)的設(shè)計，在元器件的選擇、與元器件相匹配的接口電路設(shè)計上都有充分的靈活性。這里給出Proteus對象模型部分的控制仿真界面如圖5所示。

圖5 基于Proteus對象模型的控制仿真

4.2 軟件設(shè)計

先根據(jù)軟件工程思想設(shè)計各級程序流程圖，然后在KeilC編程環(huán)境下編寫單片機(jī)控制算法、采樣、鍵盤處理、顯示等程序。

4.3 軟硬件聯(lián)調(diào)及算法比較

對系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件調(diào)試，進(jìn)一步優(yōu)化算法理論研究的控制參數(shù)和控制規(guī)則，并可對多種算法的實(shí)際控制效果進(jìn)行比較。

5 結(jié)束語

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的積極性，提高實(shí)踐能力，活躍自主創(chuàng)新思維，讓學(xué)生在實(shí)踐中真正掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、控制器的設(shè)計、接口電路與應(yīng)用程序的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法，本文給出基于Matlab和Proteus對象模型的控制系統(tǒng)仿真方案。它具有綜合性、可操作性，讓學(xué)生在較短的時間內(nèi)能自主地利用軟硬件綜合設(shè)計手段，完成計算機(jī)控制系統(tǒng)的組建、開發(fā)、算法研究、軟硬件調(diào)試工作，提高綜合應(yīng)用能力。

[1] 王偉，王東宏.“計算機(jī)控制技術(shù)”課程設(shè)計的實(shí)踐[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(高教研究版),2003,25(4):101-103.

[2] 申曉寧.計算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計的改革與探索[J].中國電力教育,2010, 78(27):132-133.

[3] 輔小榮.計算機(jī)控制技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，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

夏曉南(1970- )，女，江蘇鎮(zhèn)江人，講師，博士，主要研究方向：計算機(jī)控制技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用。

1674- 4578(2016)06- 0089- 02

TP273；G642

A