虛實結(jié)合的便攜式“計算機控制”實驗平臺構(gòu)建與應用

王永玲， 李劍鋒， 徐 悅

（哈爾濱工業(yè)大學（威海）信息科學與工程學院，山東 威海 264209）

0 引 言

“中國制造2025”背景下的新工科建設注重人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新，通過完善課程體系，搭建實踐平臺，組織科技競賽等手段強化學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［1-4］。

計算機控制是以控制理論與計算機技術為基礎的工程技術學科［5］，是自動化、測控技術與儀器、電氣工程及其自動化等專業(yè)重要的專業(yè)課之一，是應用性和實踐性很強的課程。

在新工科背景下，國內(nèi)學者對計算機控制課程的教學體系、教學內(nèi)容、教學方法等環(huán)節(jié)進行了充分的研究和探索［6-10］。計算機控制實驗多依賴于仿真工具進行理論驗證，學生難以觀測到真實被控對象的狀態(tài)。為改進實踐教學的效果，文獻［11］中構(gòu)建了雙閉環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，文獻［12］中設計了基于單片機、IGBT驅(qū)動、直流電動機的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，用以驗證計算機控制技術在直流調(diào)速系統(tǒng)實驗中應用的可行性；文獻［13］中搭建了雙邊遙操作系統(tǒng)實驗平臺，進行控制算法的驗證；文獻［14］中設計了面向伺服應用的半實物計算機控制實驗平臺，可在線調(diào)整控制規(guī)律的參數(shù)，觀察控制效果；文獻［15］中對三容水箱計算機控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，并對改進后的系統(tǒng)采用PID和串級控制進行了驗證；文獻［16］中設計了應用于逆變器的計算機控制實驗，可根據(jù)期望的系統(tǒng)性能指標，優(yōu)化各環(huán)路控制器參數(shù)。這些實驗系統(tǒng)改善了實驗效果，鍛煉了學生的動手能力，提高了學生的創(chuàng)新意識。同時這些平臺的實驗對象和實驗內(nèi)容較為單一，難以對課堂教學的理論驗證形成足夠的支撐，且實驗平臺體積較為龐大，實驗只能在實驗室中開展，對實驗室的開放性提出了更高的要求，限制了學生的積極性和創(chuàng)造性。

針對現(xiàn)有計算機控制實驗系統(tǒng)的不足，開發(fā)了虛實結(jié)合的便攜式計算機控制綜合實驗平臺。平臺采用層次化、微型化、模塊化和組合化的設計理念，突出了便攜性和可配置性，突破了時空的限制，學生無需進入實驗室便可攜帶實驗平臺全天候開展課程實驗，并根據(jù)需求的不同，自由配置平臺模塊，開展虛擬仿真和實物控制實驗。學生也可利用該平臺開展科技創(chuàng)新，從而提高學習興趣，激發(fā)創(chuàng)新思維，以適應新工科對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。

1 整體設計

1.1 系統(tǒng)框架

實驗平臺包含軟件仿真系統(tǒng)和硬件實物系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)之間通過串口進行信息交互，如圖1所示。

圖1 綜合實驗平臺系統(tǒng)框架

軟件仿真系統(tǒng)使用LabVIEW的前面板進行實驗選擇、參數(shù)設置、實驗結(jié)果顯示、實驗結(jié)果分析等人機交互，利用輸入控件和Matlab腳本等完成實驗仿真，并與實物實驗系統(tǒng)進行信息交互。

實物實驗系統(tǒng)以STM32單片機為核心，利用其I／O、A／DC、D／AC等接口，與步進電動機、運算放大器等被控對象組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，完成系統(tǒng)設定的各種實驗。

1.2 系統(tǒng)特點

（1）層次化。系統(tǒng)采用虛實結(jié)合的層次化設計方法，利用仿真系統(tǒng)驗證課程的基本理論，突出其高效性和便捷性；利用硬件實驗系統(tǒng)進行系統(tǒng)設計，鍛煉學生的動手能力和分析、解決問題的能力，兼顧仿真與實物實驗的優(yōu)點。

（2）微型化。系統(tǒng)采用STM32產(chǎn)生正弦波信號源；采用有源低通濾波器組成的二階對象替代傳統(tǒng)的加熱爐、水箱等被控對象；采用微型步進電動機和磁編碼器構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)替代直流電動機；采用軟件延遲模擬被控對象的大延遲環(huán)節(jié)，極大地減小了系統(tǒng)的體積，提高系統(tǒng)的便攜性，實現(xiàn)實驗的全天候開展。

（3）模塊化。為鍛煉學生的動手能力，系統(tǒng)采用模塊化設計，學生可根據(jù)不同實驗的需求，自行選擇各模塊搭建實驗系統(tǒng)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

2 實驗系統(tǒng)組成

實驗系統(tǒng)由電源、控制器、通信和被控對象等模塊組成。各模塊可根據(jù)需求自由配置，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 實驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

（1）電源模塊。系統(tǒng)可以外接＋12V電源，也可以由MiniUSB提供＋5 V電源。如果由＋12 V電源供電，通過同步降壓DC／DC變換器RT7272提供＋5 V電源為步進電動機供電。以STM32單片機為核心的控制器模塊所需的＋3.3 V電壓由低壓差穩(wěn)壓器LM1086-3.3產(chǎn)生。為給有源低通濾波模塊提供±12 V電壓，通過升壓型直流電源變換器芯片XL6008實現(xiàn)單電源到正負雙電源的轉(zhuǎn)換，由線性穩(wěn)壓器LM78L12和LM79L12分別提供＋12 V和－12 V電壓。如圖3所示。

圖3 電源模塊結(jié)構(gòu)圖

（2）控制器模塊。控制器模塊以單片機STM32F767為核心，其內(nèi)核支持ARM的浮點單元（FPU），提供3個12 bit A／DC，2個D／AC，另含1個低功耗RTC和12個通用16 bit定時器，滿足實驗系統(tǒng)的需求。

（3）通信模塊。通信模塊實現(xiàn)仿真系統(tǒng)與實物系統(tǒng)之間的信息交互。因PC機較少配置串口，系統(tǒng)采用CH340G芯片實現(xiàn)USB到串口的轉(zhuǎn)換。該芯片外圍電路簡單，只需外接電容和12 MHz晶振，且驅(qū)動程序安裝方便，便于使用。

（4）二階對象模塊。為提高系統(tǒng)的便攜性，采用運算放大器LM358構(gòu)建二階有源低通濾波器作為被控對象，如圖4所示。

圖4 二階對象的電路圖

由圖4可知，二階被控對象的傳遞函數(shù)為：

（5）步進電動機模塊。步進電動機模塊由步進電動機、驅(qū)動電路、磁編碼器和霍爾傳感器構(gòu)成，步進電動機采用28BYJ48型5線4相步進電動機，由ULN2003驅(qū)動。該步進電動機在1-2相勵磁單極驅(qū)動下的步距角為5.625°，減速比為1／64。為測量步進電動機實際的轉(zhuǎn)速，在步進電動機的轉(zhuǎn)軸上安裝磁編碼器，并通過霍爾傳感器進行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的測量，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

系統(tǒng)硬件實物如圖5所示。

圖5 實驗系統(tǒng)硬件實物圖

3 仿真實驗系統(tǒng)設計

基于LabVIEW的仿真實驗系統(tǒng)由歡迎界面、主界面和各實驗界面組成，通過VISA控件實現(xiàn)與實物系統(tǒng)串口通信。通信數(shù)據(jù)格式使用8 bit數(shù)據(jù)位，加1 bit起始位和1 bit停止位，不設置校驗位，共10 bit數(shù)據(jù)，波特率選用115.2 Kb／s。

各實驗均由LabVIEW前面板完成界面設計，并通過LabVIEW與Matlab混合編程實現(xiàn)仿真功能。

以數(shù)字PID控制實驗為例，說明仿真實驗系統(tǒng)的設計方法。

3.1 實驗界面設計

實驗界面分實驗說明區(qū)、仿真實驗區(qū)、實物實驗區(qū)3部分，如圖6所示。

圖6 數(shù)字PID控制實驗界面

實驗說明區(qū)介紹本次實驗的實驗目的、實驗步驟以及實驗注意事項。

仿真實驗區(qū)分二階對象參數(shù)輸入、仿真參數(shù)輸入、仿真系統(tǒng)輸出和偏差輸出4部分。

實物實驗區(qū)分實際參數(shù)輸入、實物系統(tǒng)輸出和接收區(qū)3部分。其中接收區(qū)顯示仿真實驗系統(tǒng)與實物實驗系統(tǒng)交互的信息流。

3.2 實驗程序框圖設計

仿真實驗調(diào)用Matlab腳本以進行仿真，將用戶輸入的二階被控對象傳遞函數(shù)的分子、分母，PID控制器的比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI、微分系數(shù)KD和采樣周期T作為腳本的變量輸入，將采樣點、仿真系統(tǒng)的輸出和偏差輸出作為變量輸出。程序中調(diào)用Matlab控制工具箱，根據(jù)二階對象的傳遞函數(shù)和數(shù)字PID控制器的傳遞函數(shù)，計算系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，求解系統(tǒng)的單位階躍響應，并繪制仿真曲線。仿真實驗程序框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)字PID控制仿真實驗程序框圖

在實物實驗時，將仿真實驗整定后的KP、KI、KD參數(shù)和設定的控制量通過串口發(fā)送至單片機控制實際的二階對象，二階對象的輸出經(jīng)A／DC通過串口傳回LabVIEW顯示于接收區(qū)。接收區(qū)的數(shù)據(jù)經(jīng)分離和計數(shù)后以圖形的形式顯示出來。實物實驗的程序框圖如圖8所示。

圖8 數(shù)字PID控制實物實驗程序框圖

4 實驗設置

《計算機控制》教學內(nèi)容包括系統(tǒng)概述、信號轉(zhuǎn)換、數(shù)學描述與性能分析、模擬化設計、直接設計和數(shù)值控制系統(tǒng)。

為與教學內(nèi)容對應，綜合實驗平臺設置了數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣定理驗證、數(shù)字PID控制、達林算法和步進電動機控制5個實驗。

實驗設置與教學內(nèi)容對應關系如圖9所示。

圖9 實驗設置與教學內(nèi)容的對應關系

4.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換實驗

（1）實驗目的：掌握數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理、轉(zhuǎn)換方法和轉(zhuǎn)換誤差。

（2）實驗思路：仿真實驗系統(tǒng)將待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，同時向?qū)嵨锵到y(tǒng)發(fā)送該數(shù)字量，并經(jīng)單片機的D／AC模塊轉(zhuǎn)為模擬量輸出。該模擬量經(jīng)采樣后，回傳至仿真實驗系統(tǒng)，對比理論轉(zhuǎn)換曲線與實際轉(zhuǎn)換曲線，分析轉(zhuǎn)換誤差，如圖10所示。

圖10 數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換實驗原理圖

4.2 采樣定理驗證實驗

（1）實驗目的：掌握采樣定理的基本原理，通過改變采樣頻率驗證采樣定理。

（2）實驗思路：在仿真實驗系統(tǒng)中設置正弦波頻率和采樣頻率，調(diào)用Matlab腳本繪制正弦波在不同采樣頻率下的采樣曲線。實物系統(tǒng)根據(jù)仿真系統(tǒng)設置的頻率產(chǎn)生正弦波，經(jīng)由D／AC輸出，并根據(jù)設置的采樣頻率對其進行采樣，采樣信號回傳至仿真實驗系統(tǒng)，對比理論采樣曲線與實際采樣曲線，分析誤差，驗證采樣定理，如圖11所示。

圖11 采樣定理驗證實驗原理圖

4.3 數(shù)字PID控制實驗

（1）實驗目的：掌握數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定、算法實現(xiàn)及PID參數(shù)對二階系統(tǒng)穩(wěn)定性和過渡過程的影響。

（2）實驗思路：在仿真系統(tǒng)中，根據(jù)二階被控對象參數(shù)調(diào)用Matlab腳本對系統(tǒng)進行仿真。學生通過觀察系統(tǒng)的仿真曲線，整定出合適的PID參數(shù)，并將這些參數(shù)和設定值通過串口傳給實物系統(tǒng)。

實物系統(tǒng)根據(jù)得到的PID參數(shù)，對二階被控對象進行控制，系統(tǒng)的實際輸出經(jīng)過A／DC采樣之后通過串口返回仿真實驗系統(tǒng)，顯示于仿真實驗系統(tǒng)界面中，并對系統(tǒng)實際輸出曲線與仿真曲線進行比對，得出實驗結(jié)論，如圖12所示。

圖12 數(shù)字PID控制實驗原理圖

4.4 達林算法實驗

（1）實驗目的：了解達林算法控制大延遲系統(tǒng)原理和方法，掌握實物控制系統(tǒng)的達林算法設計、改進和調(diào)試方法。

（2）實驗思路：設計思路與數(shù)字PID控制實驗類似。其中采樣時間T、期望慣性時間常數(shù)Tm、對象純滯后時間常數(shù)τ在仿真實驗系統(tǒng)中設定，并與實物系統(tǒng)交互。在實物實驗中，通過軟件延遲模擬被控對象大延遲環(huán)節(jié)。

4.5 步進電動機控制實驗

（1）實驗目的：掌握步進電動機的1相勵磁、1-2相勵磁和2相勵磁驅(qū)動方法，掌握單片機控制步進電動機設計方案，并對其進行速度和轉(zhuǎn)向控制。

（2）實驗思路：在仿真系統(tǒng)中設置步進電動機的控制方式、轉(zhuǎn)向和加減速步長。步進電動機實際運動狀態(tài)經(jīng)測速測向后在仿真系統(tǒng)中顯示，也可利用實際轉(zhuǎn)速實現(xiàn)閉環(huán)控制，如圖13所示。

圖13 步進電動機控制部分原理圖

5 實驗平臺測試

以數(shù)字PID控制實驗為例對綜合實驗平臺進行測試。

5.1 二階對象設定

根據(jù)圖4所示電路圖，選定R1、R2、R3、R4、R5為100 kΩ，R6為500 kΩ，C1、C2為1 μF，由式（1）可得二階被控對象的傳遞函數(shù)

5.2 仿真系統(tǒng)測試

在仿真系統(tǒng)中輸入二階被控對象傳遞函數(shù)，選定采樣周期T＝5 ms，按照擴充臨界比例帶法整定參數(shù)，并根據(jù)仿真曲線對KP，KI，KD進行調(diào)整，直至獲得滿意的響應曲線。整定后的KP＝1.2，KI＝0.02，KD＝2.5，其對應的仿真曲線如圖14所示。

圖14 數(shù)字PID控制仿真實驗系統(tǒng)輸出

觀察仿真曲線可知，仿真曲線經(jīng)過震蕩之后，最終穩(wěn)定在設定值1 V，其調(diào)節(jié)速度、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間均較為合適，動態(tài)過程良好。

5.3 實物系統(tǒng)測試

按照圖2所示的結(jié)構(gòu)框圖將二階對象與電源模塊相連，并將二階對象的輸入端與STM32單片機的PA5相連，輸出端與STM32單片機的PC3相連。

按照圖12所示原理圖，采用位置式PID控制算法編寫程序。其公式為：

算法通過偏差累加的方式實現(xiàn)。整體的程序流程如圖15所示。

圖15 數(shù)字PID控制實驗程序流程圖

在仿真系統(tǒng)中輸入整定好的PID參數(shù)，設定控制量為1 V并下載至單片機，經(jīng)500次采樣后，對象實際輸出曲線如圖16所示。

圖16 數(shù)字PID控制實物實驗系統(tǒng)輸出

對比仿真曲線和實際曲線可知，兩者的吻合度較高，驗證了算法的正確性。兩者之間的誤差主要來源于二階對象的理論模型與實際模型傳遞函數(shù)之間的誤差、STM32單片機A／DC和D／AC模塊的采樣誤差、實物系統(tǒng)設置的采樣周期與理論采樣周期之間的誤差等因素。

6 結(jié) 語

《計算機控制》作為自動化及相關專業(yè)的重要專業(yè)課，實驗是課程教學環(huán)節(jié)的重要組成部分，是培養(yǎng)學生動手能力、激發(fā)學生創(chuàng)新思維的重要載體。

針對目前《計算機控制》課程實驗中存在的問題，開發(fā)了虛實結(jié)合的便攜式綜合實驗平臺，平臺基于層次化、微型化、便攜化、模塊化和組合化的設計理念，兼顧仿真平臺和實物平臺的優(yōu)點，且硬件成本低、操作簡單、交互性好、可靠性高，可做到學生人手一套。學生可攜帶本平臺全天候?qū)W習計算機控制系統(tǒng)的軟件仿真方法、硬件編程方法和實驗調(diào)試方法，驗證《計算機控制》課程絕大多數(shù)理論內(nèi)容。除課程設置的5個實驗外，學生可利用本平臺開展探索性實驗，也可利用本平臺進行科技創(chuàng)新，鍛煉學生的科創(chuàng)能力，以適應新工科建設的需要。