面向电子设计竞赛的《计算机控制技术》实践探讨

宋春伟 李刚 何金龙 孙冠群 王玉华

摘 要：以微控制及外围电路实现电子设计竞赛电源类项目是“计算机控制技术”课程的典型应用。为了提升设计电源装置的自由度与通用性，本文以模块化设计思想作为指导，详细介绍了仿真、硬件、程序与实施步骤。本文面向电子设计竞赛的《计算机控制技术》实践探讨旨在提升学生学习兴趣的同时提高自身的自主创新实践能力。

关键词：计算机控制技术；
电子设计竞赛；
模块化设计

中图分类号：G642  文献标识码：A

Discussion on the Practice of Computer Control Technology

for Electronic Design Competition

Song Chunwei Li Gang He Jinlong Sun Guanqun Wang Yuhua

College of Modern Science and Technology，China Jiliang University ZhejiangYiwu 322002

Abstract：It is a typical application of the course "Computer Control Technology" to realize the power supply project of the electronic design competition with micro control and peripheral circuits.In order to improve the degree of freedom and universality of the design of the power supply device，this paper introduces the simulation，hardware，program and implementation steps in detail under the guidance of the modular design idea.This paper discusses the practice of computer control technology for electronic design competition，which aims to enhance students" interest in learning and improve their ability of independent innovation and practice.

Keywords：Computer control technology；
Electronic Design Competition；
Modular design

計算机控制技术是本科院校电气信息类专业的一门专业课，该课程理论性较强、综合性较高［12］。“计算机控制技术”课程在教学过程中发现学生接受知识点积极性不高的原因很大程度上是由于对课程实用性怀疑。电子设计竞赛电源类项目如DCDC变换器、并网逆变器、不间断电源等可选择的主控制器有专用PWM控制器与微控制器两种。当采用专用PWM控制器方案时由于其限制条件多且严格可实现功能单一往往不能很好地完成竞赛项目。而采用微控制器方案能够很好地完成竞赛项目中要求的细节功能。数字控制型电源装置是“计算机控制技术”极为典型的应用场合。电子设计竞赛与“计算机控制技术”课程的结合有望对教师的授课效果与学生的接受知识效果得到很大的改善。下面从仿真验证、硬件设计、程序设计与具体实施步骤四方面详细介绍如何将电子设计竞赛融入“计算机控制技术”课程实践中。

1 仿真验证

电子设计竞赛电源类项目成败的关键是其主电路结构与控制方案设计的合理性。如果直接搭建硬件样机后编写控制程序进行调试其成功概率很低，保稳的做法是首先可在Matlab/Simulink仿真环境下验证所设计软硬件方案的可行性［3］。借助仿真手段可以避免线路杂散电感与电容、采样环节引入的控制误差、功率开关管驱动电路的可靠性等次要矛盾。计算机控制与模拟控制的本质区别是具有实时性的特点，即在一定的时间内完成信号的输入、处理与输出［4］。为使仿真环境下的控制效果尽可能接近实际控制效果，搭建的数字型电源装置其控制需体现实时性的特点。根据实时性的要求，最终控制量的输出需延时一个开关周期且在每个开关周期内保持不变。利用Matlab/Simulink中的触发模块将延时一个开关周期的控制器输出量保持更新周期为开关周期。

2 硬件设计

电子设计竞赛电源类项目涉及《计算机控制技术》硬件部分的知识点有：模拟量输入通道、数字量输出通道、微控制器及外围电路、人机交互等。为了能让学生经《计算机控制技术》实践后能快速切入而后的电子设计竞赛，我们把电源装置切割成多个功能子模块，学生根据任务要求选取需要的子模块。功能子模块与计算机控制系统各部分的对应关系如表1所示。

如图1所示，选取的功能子模块电路板通过塑料柱子固定在底座板上，底座板可选的规格有30cm×30cm、40cm×40cm与50cm×50cm，底座板上布满间隔2cm的圆孔，各功能子模块电路四个固定圆孔的间距都为2cm的整数倍。

3 程序设计

数字型电源装置中微控制程序需完成信号读入、信号处理与信号输出。信号读入包含给定量的读取以及经AD转换器转换的数字反馈量的读取，给定量的设定方式具体有直接在程序中设定、人机交互设备输入与模拟电压经AD转换后输入。为简化硬件结构AD转换器可采用微控制器内部AD，信号处理的核心任务是数字控制器控制量的计算，控制器采用数字PID［56］。由于电源装置非线性因素的存在，很难准确地对实际系统建模，因此理论上整定的PID参数也不一定很合理。较简单的做法是首先选取仿真模型中的PID参数，然后在此参数附近选取多组参数，经多次调试选取合理的PID参数，这种做法对于理论功底较弱的学生来说很合适，信号的输出主要是数字控制信号的输出。整个控制过程如图2所示，设置定时器为增减模式，定时器周期到来时启动AD，AD转换结束程序转入AD中断子程序，在AD中断子程序中读取采样反馈值与外部人机设备给定设定值，而后由数字PID计算出控制量，在下一个周期值到来时刻将控制量装载比较器获得PWM波或是数字控制量。

为使学生能够容易掌握，按由易到难的原则，将整个控制程序分解为若干个功能子程序。控制过程与功能子程序的对应关系如表2所示。所有功能子程序都理解掌握后，学生按实际情况选取所需子程序后拼接成完整程序进行调试。

4 具体实施步骤

在具体实践之前需让学生回顾一下计算机控制系统的整体结构以及各部分的功能。尤其是数字控制器区别于看得见摸得着的模拟控制器，让学生掌握如何通过数字控制器的脉冲传递函数获得关于误差输入和控制量输出的差分方程，然后根据差分方程编写实现数字控制器的程序代码。选择控制量是直流信号的DCDC变换器以及控制量是交流信号的逆变器这两个最为典型的电源装置作为课程实践内容。确定电源装置输入输出设计参数后，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型。对提出的数字控制方案进行仿真验证后，进入实际的样机搭建。选择所需的硬件子模块，统计并购买元器件，硬件子模块焊接完成后进行拼接。硬件样机搭建完成后进入程序的編写调试。整个课程实践完成后选取电子设计竞赛往年试题中的电源类项目，若能完成则说明真正掌握了如何设计数字控制系统。整个具体实施步骤简化流程如图3所示。

结语

面向电子设计竞赛的计算机控制技术课程实践的初衷是将学生的发展前途与课程学习相结合，促进学生学习的兴趣与动力，达到提高学生独立实践能力与教师授课效果的双赢。本文详细分析了计算机控制系统与数字型电源装置各部分的对应关系。并且在模块化分解与整合的思想指导下，阐述了仿真验证、硬件设计、程序设计与具体实施步骤的内容与相互之间的关系。

参考文献：

［1］王慧.计算机控制系统［M］.北京：化学工业出版社，2011：170180.

［2］于海生.微型计算机控制技术［M］.第二版.北京：清华大学出版社，2009：153160.

［3］闫明明，杨平，熊静琪.基于Matlab/Simulink辅助的《计算机控制技术》实验案例［J］.实验科学与技术，2014，12（2）：5355.

［4］刘庆丰.计算机控制技术［M］.北京：科学出版社，2011：12.

［5］余雷，张茂青，费树岷.“计算机控制技术”课程PID控制部分的教学［J］.电气电子教学学报，2012，34（2）：104106.

［6］周少武，陈敏，沈红远，等.Matlab在计算机控制技术课程“PID控制器参数整定”中的应用［J］.信息系统工程，2010（10）：3840.

基金项目：中国计量大学现代科技学院教改项目“《计算机控制技术》课程实践教学探讨”；
中国计量大学现代科技学院重点专业校级培育项目“电气工程及其自动化专业建设研究”；
浙江省高校领军人才培养计划；
浙江省自然科学基金项目（LY22E070008）

作者简介：宋春伟（1987— ），男，汉族，浙江嘉兴人，博士，讲师，研究方向：电气工程及其自动化专业教学与科研。

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