“自動控制原理”課堂教學演示模型設(shè)計

趙 炯，張 濤，劉思江，凌從高

(同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804)

“自動控制原理”課程的教學通常采用講授法，討論法和聯(lián)系法等。由于該課程理論性比較強，學生對于教師所講授的知識難以融會貫通。因此，如何使用更先進的教學方法來提高教學的效果是擺在我們面前的重要問題。

本文介紹的便攜式“自動控制原理”課堂教學演示模型，旨在直觀地演示該課程中的知識，提高課堂教學效果。按照功能不同，本教學模型可以分為三個組成部分:①被控運動裝置;②單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置;③操作界面與顯示軟件。

1 被控運動裝置

被控運動裝置是整個模型的基礎(chǔ)，主要包括執(zhí)行元件、被控裝置和檢測元件等。其結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮原材料，設(shè)計方案的加工難度，采用的工藝不能太復雜，系統(tǒng)的精度不能太高，能在實驗室簡單的條件下制作出來即可。由于采用直線運動來顯示被控物體的運動狀態(tài)，簡單直觀。據(jù)此，設(shè)計了由無刷直流電機、電機驅(qū)動器、轉(zhuǎn)盤、繞線輪、標記物和標尺等元件組成的被控裝置。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 被控裝置機械結(jié)構(gòu)

電機驅(qū)動器從單片機獲取電機控制信號，驅(qū)動電機，帶動旋轉(zhuǎn)編碼器、轉(zhuǎn)盤和繞線輪轉(zhuǎn)動;旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖，經(jīng)單片機捕捉和處理后可以計算出電機的實際轉(zhuǎn)速，進一步換算出標記物的實際位置，傳給操作界面與顯示軟件，從而顯示被控裝置的運行狀態(tài)和輸出信號跟隨狀況。繞線輪旋轉(zhuǎn)在電機的帶動下，使得標記物在標尺內(nèi)上下運動，演示時可以直觀地看到其在控制信號作用下的運動過程。

為了降低加工制作成本，裝置的箱體選用尺寸、強度、重量合適的工具箱，并在其基礎(chǔ)上進一步加工過線孔、元件安裝底板和固定支撐座等。完成整個裝置的裝配，可達到便攜美觀的目的。

2 單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置

單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置，主要用于處理操作界面發(fā)送的控制命令和參數(shù)，處理產(chǎn)生控制信息，驅(qū)動被控裝置運動及采集被控裝置當前的運動狀態(tài)，反饋給上位機顯示［1］。

2.1 硬件設(shè)計

被控運動裝置采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)來控制電機電壓，以達到控制轉(zhuǎn)速的目的，而實際運行速度和位置調(diào)節(jié)是通過旋轉(zhuǎn)編碼器返回脈沖計算(反饋脈沖分為A、B、Z三相)，通過USB與PC機通信來完成的［2］。而在外部設(shè)備設(shè)計選型時選用帶有USB控制器的MCU，是初學設(shè)計開發(fā)人員的首選。這樣不僅可以大大簡化硬件電路、減小外設(shè)體積，而且還可以大大降低開發(fā)的難度。C8051F340就是順應這種需求而推出的一種新型USB控制器芯片，它是Silicon Laboratorics公司最新推出的可提供USB功能的混合信號微控制器。該公司還為USB驅(qū)動提供了USBXpress開發(fā)套件，使得USB主機和從機驅(qū)動程序開發(fā)可以快捷、高效地完成。

單片機數(shù)據(jù)采集與處理裝置結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 采集與處理硬件原理圖

主機通過JTAG口將程序燒寫到單片機上，并通過Mini USB接口與單片機相連，使用labVIEW編寫的軟件與其進行通信。然后通過接口電路便電機驅(qū)動器驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，同時使用旋轉(zhuǎn)編碼器將采集到的數(shù)據(jù)通過Mini USB接口發(fā)往主機。

2.2 通信軟件設(shè)計

USB外設(shè)開發(fā)除了硬件設(shè)計外，大部分工作集中在固件編程和PC機端驅(qū)動程序以及用戶應用程序的開發(fā)上。USB Xpress提供完整的Windows設(shè)備驅(qū)動，INF驅(qū)動安裝文件，一般利用API實現(xiàn)USB通信的原理框圖如圖3所示［3］。

圖3 單片機與PC機的USB通信原理框圖

單片機端，需要先調(diào)用USB器件驅(qū)動程序，然后編寫應用程序，而應用程序通過USB器件驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)訪問USB底層硬件。借助USB Xpress提供的USB器件API，即 USB_F340.LIB，可以方便的實現(xiàn)C8051F340單片機作為USB器件的通信。在軟件編程時，需將USB Xpress提供的API函數(shù)的封裝庫USB_F340.LIB調(diào)入編譯軟件的鏈接器中，并在主程序中用“include”命令包含USB_API.h頭文件(申明了USB Xpress提供的10個API函數(shù))，從而實現(xiàn)對USB數(shù)據(jù)包的讀寫［4］。單片機利用API實現(xiàn)USB通信流程如圖4所示。

圖4 單片機利用API實現(xiàn)USB通信流程

當C8051F340單片機作為器件對主機進行讀寫操作時其機制不同。當單片機對主機進行寫操作時，直接調(diào)用Block_Write()函數(shù)即可;當單片機對USB主機進行讀操作時，讀操作的實現(xiàn)流程依賴于USB總線處于何種工作方式。例如，當USB總線處于中斷傳輸模式時，只有USB API中斷發(fā)生時，USB器件才能獲取USB主機數(shù)據(jù)，完成對主機的讀操作，幾Block_Read()函數(shù)調(diào)用一般放在USB API中斷服務程序中進行。通信協(xié)議定義如表2所示。

表2 通信協(xié)議定義

3 操作界面與顯示軟件

操作界面與顯示軟件，通過USB接口連接單片機采集與被控裝置，從單片機中讀取被控對象的狀態(tài)信息，并以直觀的形式予以顯示，同時可通過操作界面直接向單片機傳輸操作信息，進行系統(tǒng)設(shè)置與控制。

操作界面與顯示軟件具體完成:①定義控制模式和產(chǎn)生不同類型的輸入信號;②設(shè)置系統(tǒng)控制參數(shù)和顯示被控裝置實際運行狀態(tài)等信息;③繪制顯示系統(tǒng)的時間響應和頻率響應曲線，并據(jù)此分析系統(tǒng)的各項控制性能指標。

我們在對操作界面的功能分析的基礎(chǔ)上，選用了LabVIEW來開發(fā)上位機應用程序。LabVIEW它內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復雜性，為用戶提供強大功能的同時還保證了系統(tǒng)的靈活性［5］。LabVIEW將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在同一個環(huán)境中，開發(fā)人員可在此平臺上無縫地集成一套完整的應用方案。利用LabVIEW軟件開發(fā)USB應用程序，不僅可以獲得良好人機交互的GUI界面，還可以加快開發(fā)進程。

在PC機上安裝 SiUSBXp.dll，可以實現(xiàn)在PC機上通過LabVIEW軟件編寫的GUI程序與作為USB器件的C8051F340單片機之間的通信。Lab-VIEW軟件編寫的GUI程序可以通過LabVIEW中的CLF節(jié)點(LabVIEW高級子模塊中的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點)調(diào)用USBXpress提供的USB主機API，達到訪問USB底層硬件的目的。

首先在LabVIEW軟件的程序面板中放置一個空的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點，CLF節(jié)點可見LabVIEW程序框圖中函數(shù)面板—互聯(lián)接口—庫和可執(zhí)行程序—調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點。空的調(diào)用庫幽數(shù)節(jié)點是設(shè)有任何作用的，需要對它進行有效設(shè)置。通過雙擊空的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點可產(chǎn)生如圖5所示的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點配置對話框。

圖5 LabVIEW調(diào)用SiUSBXp.dll庫函數(shù)節(jié)點

此時，需先在“庫名或路徑”框中設(shè)置USB主機API函數(shù)的封裝庫SiUSBXp.dll的路徑，然后在“函數(shù)名”下拉菜單中選擇當前想要調(diào)用的SI_GetNum-Devices()函數(shù)，在“線程”框中選擇“在UI線程中運行”，在“調(diào)用規(guī)范”框中選擇“stdcall(WINAPI)”，最后在“參數(shù)”菜單中進行相應設(shè)置。所有設(shè)置完畢，得到圖5所示的名為“SI_GetNumDevices”的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點。

可以方便地將USB主機API函數(shù)中所有需要用到的函數(shù)生成為Labview可以直接調(diào)用的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點形式，來實現(xiàn)對USB底層硬件的訪問［6］。

主機調(diào)用API實現(xiàn)USB通信的流程如圖6所示。上位設(shè)計軟件如圖7所示。

圖6 上位機USB通信

圖7 LabVIEW軟件設(shè)計圖

通過界面，用戶可以選擇控制模式為開環(huán)/閉環(huán)，并設(shè)定輸入信號類型和相應參數(shù)。給定輸入信號后，界面將繪制輸入信號曲線，并實時將編碼器采集得到的實際位移值繪制成曲線，通過對比系統(tǒng)的輸入輸出位移隨時間變化的，可以分析系統(tǒng)的時域響應［7］。另外，也可以對比開環(huán)控制和閉環(huán)控制效果。也可通過界面選定系統(tǒng)控制模式為在開環(huán)控制，可以給系統(tǒng)輸入不同的正弦信號(幅值、頻率和相位可自由輸入組合)通過旋轉(zhuǎn)編碼器采集的數(shù)據(jù)，繪制Bode圖和Nyquist圖，分析系統(tǒng)的零頻幅值、復現(xiàn)頻率域復現(xiàn)帶寬，諧振頻率、截止頻率和截止帶寬等頻率特征量，測試系統(tǒng)的頻域特性。

通過在課堂上對于該系統(tǒng)的演示，學生依次進行了操作，對于閉環(huán)情況進行調(diào)整pid，觀察波形，調(diào)出理想的波形。學生普遍認為親自操作對于理論的學習會有進一步的加深，理論結(jié)合實際才可以學習得更加透徹。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一套由單片機控制模塊、被控模塊和演示軟件組成的教學模型。學生通過實際的操作演示可以提高動手能力，并加深對于開閉環(huán)控制、傳遞函數(shù)和頻率時間響應等“自動控制原理”課程中的一些重要概念。

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［6］莊瑞榮與吳先球，基于LabVIEW的步進電機控制［J］.西安，現(xiàn)代電子技術(shù)，2012.v.35;No.363(04):P.202-204.

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