计算机控制系统论文范文

张洪分享 2018-10-10 12:08:44

　　计算机控制系统是现在必不可少的，下面是小编为大家整理的计算机控制系统论文，希望对大家有帮助。

　　关于计算机控制系统教学的研究与实践

　　论文摘要：本文从计算机控制系统课程的教学实践出发，从课堂教学内容的组织和实验的设计管理两个教学内容入手，提出以把教学、实验过程与日后工作和深入研究时采用的设计过程接轨为主要思路，辅以对学生科学的管理、因材施教，从而保证最多的学生从课程中受益。

　　论文关键词：计算机控制系统;教学研究;实验设计

　　一、引言

　　对工业生产过程进行计算机控制是科技发展的必然，计算机控制系统[1]已成为生产设备及过程控制等重要的组成部分，它代替人成为工艺过程控制的指挥和监督中心。当代自动控制专业的大学生应当努力学习计算机控制技术，成长为适应社会发展的高技术人才。

　　计算机控制系统课程就是适应这样的需要而开设的。它是一门理论性强、内容丰富、概念抽象、涉及知识面宽、分析方法多、信息量大的课程。可以说本课程浓缩了自动化专业的知识精华，在专业的课程体系中具有承上启下的作用。从课程设置的上下衔接来说，工科自动化专业计算机控制系统课程主要在自动控制原理、现代控制理论等理论课的基础上进行深化;在微机原理、单片机原理、电源技术等课程的基础上进行工程应用的实践。要上好这门课，教师除了需要坚实的理论基础外，还需要有较好的实践经验，授课时能够将理论与实际系统联系起来，同时要有丰富的教学经验和成熟的教学管理手段。

　　现行的教学模式下存在的一些问题如下：偏于实际，忽略理论，将对学生深造和后续职业发展不利;偏重理论教学，难以将理论与应用结合，学生出校门却无一技之长，无法立即服务于社会;教与学的脱节，难于调动多数学生的学习积极性。

　　为此本文在教学实践的基础上，提出了从教学的组织和实验的管理的计算机控制系统课程体系的安排，希望能得到同行的指点，共同进步。

　　二、课堂教学内容的组织

　　课堂教学一直是教学的重点。首先要对课堂内容进行有机的组织。

　　教学内容组织的原则是根据课程定位，兼顾基础性、实用性，注重基本理论和基本方法，注重工程应用价值，舍去那些理论上先进而工程上极少应用的高级或复杂算法，舍去那些适用场合不多的硬件配置模式，整合其他的相关课程资源，依照学生的水平，重点突出，主要确保多数学生不掉队。选定的课程四大核心内容为：

　　(1)以数字控制理论为主体，从连续控制引入数字控制

　　(2)控制算法及其编程方法

　　(3)智能控制理论的应用

　　(4)典型计算机控制系统的组成结构和设计

　　对重点和难点的内容要精讲多练。精讲就是概念清楚，叙述明确，介绍详细，并指明实际运用的情况，并且要适时宜地加以回顾，以使学生对重点部分经常保持清晰的印象。多练需要在教学中穿插安排一定数量的习题课，精选例题，讲练结合，举一反三，将看似零散的知识点联接起来，就可使学生巩固所学知识。同时可适当介绍计算机控制系统的学术发展动态及待解决的问题。

　　教学中要着重抓好入门环节，万事开头难。入门环节主要是要求学生在课程开始之前提交一篇综述性的研究报告。选题的范围由任课教师指定，主要涉及计算机控制系统的基础知识，基本原理和构成，该领域的关键性技术、研究热点和发展趋势等方向。为了避免报告内容的空泛，要求学生在报告中必须辅以实例加以说明。

　　经过这个环节，较好地消除了学生学习该课程时的盲目性，而且这种学习模式和学生独立研究一个课题相似，可以激发他们继续学习的兴趣。

　　教学环节中，教给学生学习的方法比传授知识更重要。教学中主要注意以下问题：

　　(一)在讨论式教学中学会问问题。学习中最重要的就是学会思考，带着问题来思考，是最重要的学习原则。在课堂上要尽量多提一些问题，注意将问题的来龙去脉说清楚，有些自我解答，有些找学生解答，有些则留给学生课后思考，下次上课时，利用较短的时间进行总结和讨论。

　　(二)培养兴趣，找到乐趣。“兴趣是最好的老师”。有了兴趣和乐趣，就能够忙而不累，乐而忘忧，就容易产生灵感，事半功倍。

　　(三)勤于动手，善于转化。要多给学生动手，以便能把知识转化为动手能力。这一点会由于不同学生差别很大，因此不同层次的学生要用实验室的时间不同。

　　(四)学会综合。要解决实际问题，靠哪一项单科知识都是不够的，靠的是综合后的知识。本课程的特点之一就是综合，包括多门已学课程的知识综合，理论与实践的综合，硬件与软件的综合等等。所以要在课程学习中注重综合。

　　教学可以和纵向科研联合，将科研成果转化成专业教学内容和教学设备，形成鲜明的专业教学特色，可以大大激发学生的学习兴趣。

　　教学也可以和横向项目相联合，建设校企产学研合作实践基地，促成教学与生产的结合，校企双方优势互补、资源互用，是促进科技发展，培养专门人才的重要途径。

　　三、实验的设计和管理

　　传统的以课堂讲授为主、实验为辅的教学模式存在严重的缺陷[2]。因为所开设的实验多数是验证型实验，所有的实验对象都已经封装好，学生只需要插线联接，很快就可以获得实验结果。学生尽管完成了实验，但无法真正将各门课程所学的内容融会贯通;更重要的是与实际工作中的设计过程差别甚远。

　　为此，我们采用了实验教学与理论教学并行的教学模式。学生的实验针对课堂上所设立的控制系统进行，如电阻炉温度控制系统。首先，利用两个学时在课堂上讲解整个系统的功能、组成和工作过程;在学生对整个计算机控制系统有了初步认识以后，在实验室演示已设计好的控制系统，向学生细致说明理论内容与实物的对应关系，如计算机、加热元件、接口电路、出发电路、检测元件和执行机构等，再结合实物和学生讨论设计方案及他们所提出的问题。然后，学生将自己的设计方案带到实验室去验证。最后是同学们对自己所设计的系统进行调试和优化。

　　通过系统级—元件级的循环过程，同学们不仅对计算机控制系统课程的核心思想有了深刻的理解，而且亲身体验了实际产品设计的全过程，也充分认识到实践操作的重要性，感受到设计成功的喜悦，大大激发了继续学习的兴趣。除了基础实验，我们按照从浅入深设计了四个综合实验：

　　(一)数字控制算法模块化。根据课程教学内容，采用C语言对各类数字控制算法(包括：PID算法及其变形、数字滤波算法、最少拍算法、达林算法、状态观测器算法等)按照模块化设计思想进行编程开发，以方便系统使用。

　　(二)温度闭环数字控制系统。用简易电加热温度控制箱与微机实验箱构成一个温度闭环控制系统，由学生按照自己设计的控制方案进行系统硬件的连接和配置，同时从控制算法模块中选择需要的算法，通过调整控制器参数以及外部扰动条件，观察系统的运行情况。

　　(三)步进电机数字闭环控制系统。用小型直流步进电机随动装置与微机实验箱构成一个步进电机闭环控制系统，由学生按照实验设计的控制方案进行系统硬件的连接和配置，同时从控制算法模块中选择需要的算法组态控制系统，通过施加外部扰动，观察系统的运行情况，并做实时记录分析。

　　(四)带上位监控的数字闭环控制系统。在数字闭环控制系统实现的基础上，可考虑开发带上位监控功能的在线闭环系统。通过该监控软件平台，可实现对系统控制算法的组态、控制器参数的调整和定值的修改等，同时要开发一些运行监控画面，包括系统工艺图、运行参数实时趋势曲线、报警画面和参数一览画面等。使学生可根据自己的设计方案，通过该平台系统灵活的调整控制算法和对系统运行监控。

　　该课程的实验内容更加符合快速发展的计算机工程控制技术要求，使学生走上工作岗位后能够尽快地适应实际工作。

　　四、总结

　　最佳教学效果的取得，需要依据生源情况因材施教，课堂教学之外，教学的管理也很关键，实验教学，作业情况，答辩和最终考核都需要认真执行才能达到效果，避免流于形式。不过带来的问题是：对教师投入的精力要求较多。

　　另一方面，实验室还没有实现全开放，学生自由实验受到资源和时间的限制。因此，我们还有必要探究更加合理的教学过程，改进教学手段，以达到该门课程教学效果的最优化。

　　音乐喷泉计算机集成控制的应用与开发

　　摘要：介绍了计算机在喷泉水泵的供电、调速、摇摆喷头的定位、多媒体音乐喷泉的控制及计算机辅助配乐、人工智能实时控制等方面的应用与开发。

　　关键词：喷泉工程电控设计计算机控制系统实时控制

　　音乐喷泉是一项幻彩声控，现代科技与艺术的综合。现代喷泉的各种机构动作复杂多样，变化迅速，又要与音乐同步一致，所以计算机控制系统要完成音乐喷泉的自动选曲、同步演示、控制和存储乐曲等全部信息数据处理及监测运行的过程。所以，计算机控制在音乐喷泉中已占有相当重要的地位，随着多媒体和人工智能的发展，计算机已从单纯喷泉控制发展到乐曲管理、计算机辅助配乐及喷泉多媒体仿真的计算机集成系统。

　　限于给水排水专业范围，本文不可能对计算机及控制技术作详尽叙述，而是想通过此文让喷泉工程的工艺设计者——给水排水工程师，了解现代音乐喷泉在控制方面的最新技术。

　　1　音乐喷泉水泵的供电系统

　　在大型音乐喷泉中，用变频电源供电的电动机总容量会很大，水泵的数量会很多。在同一时刻，它们各自需要有多种供电频率。因此，用变频器来作为变频电源就会耗费大量投资。可以采用集中整流，先把交流转变为直流，再对每路音控水泵采用一台逆变器，把直流转换成各种不同频率的交流电源，向水泵电机供电。这是一种既节能又可降低控制设备投资的最佳方案。

　　在集中整流方面，可以采用成套整流装置，其中用1台整流装置作为备用，并用自动合闸来增加供电的可靠性。

　　目前逆变器已有工业产品，如德国施莱福公司生产的逆变器有可靠的电气性能，设计寿命为15年，适用环境温度-10℃～40℃。逆变器大都带有RS485或SPI串行通信接口。计算机的每一路RS485接口可连接32台逆变器。这样在计算机上也不再需要D/A转换接口了。

　　2　音乐喷泉水泵的PWM调速控制

　　喷泉音控主要有两种方式：(1) 水泵电机的调速;(2) 控制喷嘴阀门开闭的大小。阀控具有响应快的优点，适用于轻松跳跃的节奏;而在计算机控制下的水泵调速，则变化多样，更宜于配合抒情和优雅的旋律。对一般音乐喷泉水泵调速控制不需要采用高精度的变频器，只要用10∶1调速范围的交流电压调速系统就可以满足要求。

　　由于近来功率半导体器件的飞速发展，高电压和大电流的MOSFET或IGBT驱动电路应用已十分普遍。所以在控制计算机中对50周波交流电进行多路PWM调制，就可以得到多路不同调制系数的50周波交流电。再把它们分别驱动MOSFET或IGBT，就会产生不同电压的50周波交流电源，实现简便的交流电压调速控制。

　　3　喷泉摇摆机构的定位及速度控制

　　摇摆喷泉的位置和运动速度的变化是产生摇摆水型潇洒风彩的重要因素。喷泉摇摆机构的位置传感器应当是防水的不接触定位装置。经常采用由磁铁感应的霍尔传感器、光纤引导的光电传感器或磁铁吸引的旋转位置编码器等。

　　例如对于采用位置编码器的喷泉摇摆机构的定位装置包括：装在摇摆电机轴上的位置编码器、高速计数器、控制计算机以及通信接口等。

　　异步电动机的准确停车涉及到采用何种方法进行制动问题。采用能耗制动方式，在定子中通入直流电产生制动转矩进行制动，可在转速为零时转矩也为零，达到准确停车的目的。

　　由于摇摆机构的连杆一般会有较大的间隙，为了达到精确定位只能使摇摆机构从一个方向到达定位点，才能保证其重复精度。因此，摇摆机构需要停车时，每次都必须从一个方向到达定位点。

　　摇摆机构的定位精度受运动力矩与阻力矩的影响。运动力矩决定于电动机的电源电压和停车前的运动速度等，而阻力矩则由摇摆机构的摩擦力、水流的速度、周围的风力等合成。可见，这些都是不能事先确定的因素。所以，为了达到精确定位的目的，我们必须每次改变其控制参数。对于采用电动机能耗制动来精确定位的控制参数一般有两个，直流制动电流的大小和启动制动时间。对计算机控制较为方便的方式是采用改变制动时间。

　　在控制系统中，电动机制动时间可用检测到位点的偏差来进行修正。根据摇摆机构定位偏差值的统计数据，经过数学模型的计算，最后确定制动时间。

　　当摇摆机构的运动速度要与乐曲的节奏同步时，就要求得它的运动速度，并对摇摆电机进行调速。由于速度就是位移对时间的微分，所以从摇摆电机轴上位置编码器送来的脉冲数，就可以在计算机中求出它的运动速度。

　　4　音乐喷泉的计算机自动控制

　　音乐喷泉控制软件包括自动选曲、水型与乐曲同步、水型的程序演示、彩色灯光的程序演示、水型的音量随动、水型的节奏随动、声音的延时控制等。

　　4.1　自动选曲

　　音乐喷泉所播放的乐曲光盘可以从计算机的光盘塔中直接播放。当操作员在乐曲数据库中确定了演示乐曲后，计算机控制系统能从光盘塔中自动寻找所要播放的光盘在哪一个光盘驱动器中，随后启动该驱动器，正确地播放选定的乐曲。若选择的乐曲光盘不在光盘塔中时，也会自动揭示。

　　4.2　水型与乐曲同步控制

　　当乐曲开始播放，水型会同步演示。在上一首乐曲结束和下一首乐曲开始的间歇期间，水型也会保持同步停止和继续演示。计算机控制系统能提供可调整的声音延时，对各种不同容量的水泵，采用不同的延时，使水型与乐曲达到同步的效果。

　　4.3　水型的程序演示

　　喷泉水泵电动机是受计算机系统的程序控制，每一段乐曲由哪些水泵开始都是由乐曲播放数据表中规定。对某些并联控制水泵的动作也受水型的演示程序控制。

　　4.4　彩色灯光、光纤照明和激光照射的程序演示

　　与水型的演示程序类似，彩色灯光、光纤照明和激光照射也由计算机系统程序控制。光纤照明用计算机控制步进电机带动旋转的彩色遮光盘而进行变色。而激光照射是由计算机对光纤进行扫描。激光光源的波长也由计算机来控制，从而改变激光和亮度，实现各种彩色图案。

　　4.5　水型的音量随动控制

　　对于某些水型，在艺术造型上要求与音乐随动，使音乐喷泉表演出乐曲的内涵和感情。这种水型的起伏变化是由音控所产生。在乐曲播放数据表中，对控制音平的强弱有两个加权系数，其一是对整个曲段的加权，另一个是在这一段中对某一个或几个水型的加权。这样能使音乐喷泉的演示效果和主题更为明确。

　　4.6　水型的节奏随动控制

　　对某些水型的跳跃和摇摆要与乐曲的节奏同步，表演出音乐喷泉的激情和活力。这种水型的跳跃和摇摆变化也是由音控所产生。首先，计算机从乐曲的音量变化曲线中取出乐曲的节奏;然后，控制水泵电动机启停或加速，使喷嘴的水流产生与节奏同步的跳动。

　　4.7　声音的延时控制

　　声音延时控制在音乐喷泉中要多次用到。这里指的声音延时控制是在不同地形位置观看喷泉时，会出现音乐与水型的不同步现象。因此，计算机控制系统能提供可调整的声音延时，使站在不同位置的观众，达到同步的效果。

　　4.8　喷泉用电负荷的自动控制和保护

　　当喷泉用电量超过最大允许负荷时，计算机控制系统会自动切断某些水泵电源，使总负荷不超过定额。计算机监控系统可把电源每一相的电压和电流波形存储起来，计算出有效电压、有效电流、有功功率、无功功率、功率因数等。因此，计算机监控系统可以在极短的时间内确定过电流时的电流量以及持续时间，用计算机来作无熔断器的过流保护，可以在5μs时间内关断事故电路的输出。

　　5　音乐喷泉计算机辅助配乐软件

　　在音乐喷泉的乐曲数据库中，每一首乐曲都有它的乐曲播放数据表。乐曲播放数据表在配乐时由计算机产生，但这是要由配乐者一段一段地来选择适合的水型和灯光，也就是由人工来进行配乐。人工配乐是一件十分仔细和需要智慧的艺术创造工作。

　　音乐喷泉计算机辅助配乐软件是由一个人工智能的专家系统和一个喷泉配乐知识库组成。它提供简单的问话语句来描述这首乐曲或某段乐句的“知识”，如乐曲类别、节奏快慢、情绪高低、演奏或演唱人的数量、乐器种类等。随后由计算机提出几种喷泉演示方案，供操作人员选择。

　　若在没有人为选择时，它也有一个默认方案，即实现水型自动组合。配乐后所产生的喷泉控制数据存入乐曲数据库中。

　　在计算机控制软件中也会提供多种典型乐曲程序。如进行曲、舞曲、抒情曲和跳跃的流行曲等。当选择其中的典型乐曲程序时，就不必进行配曲即可演示音乐喷泉。

　　6　多媒体音乐喷泉仿真与实时监控

　　当乐曲初次配乐完成后，音乐喷泉的演示效果可以用多媒体实现虚拟仿真。喷泉多媒体虚拟仿真可采用DIRECTOR多媒体平台。它把计算机屏幕作为演示舞台，各种水型作为“演员(Cast)”。在“总谱表(Scorc)”中存放音乐喷泉各种类型的演示子程序。在“脚本(Script)”导演下完成多媒体音乐喷泉的动画演示。DIRECTOR多媒体平台的“脚本”是用Lingo语言编写，它可以实现超链接的功能;此外，Lingo语言还有控制功能，可对各种不同对象进行分镜头控制。各组分镜头都有它们的各自的编号。

　　各种水型的仿真演示都是由“水型演员”在多媒体平台进行各种组合，它们存放在指定的演员表中。

　　乐曲数据库里的每一首乐曲是用Lingo语言写成的多媒体虚拟仿真脚本。Lingo语言允许把脚本写成表格的形式，这样虚拟仿真脚本就可以从乐曲播放数据表转换得到。

　　当音乐喷泉多媒体虚拟仿真时，脚本会根据乐曲播放数据表中规定的程序在计算机屏幕上演示，并保持与音乐的同步。

　　音乐喷泉多媒体虚拟仿真也可以作为音乐喷泉演示时的实时监控，也可在大屏幕上观赏。

　　随着我国人民生活水平和艺术修养的提高，要求环境绿化、游乐场所、宾馆、商场中喷泉水景和音乐喷泉姿态各样，趣味引人。计算机集成控制在音乐喷泉中的应用也必定会起到更大的作用。

　　参考文献

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