“控制工程基础”实践教学改革与探索-最新文档

1、“控制工程基础”实践教学改革与探索“控制工程基础”是机械类专业的一门重要专业主干课，它把控制论融入到机械工程领域， 培养学生运用控制理论的基本原理来解决机械工程中实际问题的一门学科 1 。该课程的特点是理论性强、概念抽象，对先修课程的知识储备要求较高，主要涉及高等数学、大学物理、理论力学、电工学、机械设计等方面的知识，具有一定的深度和难度。使得学生在学习的过程中，感到难学、乏味，对所学内容不易消化、吸收和巩固，尤其对一些难点、重点内容，在有限的课时内无法实现内容扩展，因此在控制工程基础中合理融入 Matlab 软件，可以有效扩充教学信息，使教学过程生动形象，紧密联系工程实际，适应新形势下的教学

2、要求 2-4 。一、 xPC系统介绍xPC系统是 MathWorks公司开发的基于RTW（Real-TimeWorkshop，RTW）体系框架的附加产品，该产品可将PC机转变为一个实时系统，用于产品原型的开发和测试。采用 2 台 PC机便可构成 xPC的双机开发环境，其中一台 PC机作为宿主机，另一台作为目标机。 在宿主机上安装 Matlab2010b 用于控制系统设计。在使用 xPC前必须安装一个语言编译器， 选用 Microsoft Visual Studio2010 作为语言编译工具。 xPC系统不需要在目标机上安装 DOS、Windows、Linux 等任何一种操作系统，用户只需用特殊

3、的启动盘启动目标机， BIOS是 xPC系统实时内核所需的唯一软件。二、制作 xPC目标启动盘（一）制作软盘目标启动盘可使用如下步骤生成对应于xPC目标环境的软盘目标启动盘。1. 启动 Matlab ，并在命令窗口输入如下命令函数：xpcexplr打开 xPC目标环境设置界面。2. 单击 Configuration ，出现提示对话框，点 BootFloppy 标签；3. 将 3.5 英寸的软盘放入宿主机的软驱中， 然后单击 Create boot disk 按钮；4. 关闭 xPC目标环境设置对话框；5. 将软盘从宿主机中取出，放入目标机的软驱中。（二）制作 U 盘目标启动盘制作 xPC目标启

4、动盘 U盘的步骤主要有两步：第一，将 U盘制作成 DOS启动盘，通过从 U盘启动的方式能使目标机启动到 DOS环境下；第二，生成 DOS载入器的目标启动盘。为使目标启动盘启动到 DOS，必须在启动盘上安装最小的 DOS系统。因此，可采用专门的 U盘 DOS启动盘制作软件 UltraISO 。1. 插入 U 盘，运行 UltraISO 。2. 点击“打开”按钮，在弹出的对话框内选择映像文件MSDOS71.ISO，点“打开”载入文件。3. 在菜单栏点击“启动”选择写入硬盘映像。4. 在弹出写入对话框内确认 “硬盘驱动器” 一项是你插入的 U盘后，选择写入方式： USB-HDD+。点击“写入”按钮。

5、5. 在弹出的警告提示点“是”开始写入，片刻后显示刻录成功。U盘 DOS启动盘制作好后，将 U盘插到目标机的 USB接口上，启动目标机，并对目标机的 BIOS进行相应的设置，使目标机从 USB启动，若目标机能启动到 DOS环境，则 U盘 DOS启动盘制作成功。三、运动控制实验宿主机和目标机通过以太网络连接后，不但增强了数据传输能力，传输数据速率最高可达10MB/s（串口通信速率最大为115kB/s ），而且支持远距离通信，只需知道目标机的 IP 地址和正确设置网关，就可以实现设备的远程控制； 同时一台设备可以对多台宿主机， 实现滚珠丝杠伺服系统的网络控制 5-8 ，由 xPC宿主机 - 目标机

6、组成的控制系统原理图如图 1 所示。在宿主机和目标机上安装PCI 总线型的以太网卡（与NE2000兼容），同时在目标机上安装NI6024E 和 NI6601 运动控制卡。 NI6024E控制卡将控制指令转换成模拟信号后输给伺服驱动器， 由伺服驱动器驱动伺服电机实现小车的运动； 同时 NI6024E 控制卡也可以将限位开关的电压跳变转换成数字信号输入到宿主机，而光电编码器的测量信号是经过 NI6601 读入宿主机，控制模型框图如图2所示。在 Matlab 下建立滚珠丝杠控制系统模型如图3所示，通过 RTW生成 c 代码，并将其下载到目标机中， 用以对滚珠丝杠系统进行实时控制。xPC提供多种操作实时控制的方法，可以在宿主机上用Matlab的命令行，或者通过宿主机上xPC的远程控制工具（如： xpcrctool）进行实时控制，实验时采用 xpcrctool 对滚珠丝杠伺服系统进行远程控制，同时在线调节系统参数。四、实验结果根据图 4 所示实验控制系统框图， 系统跟踪幅值为的S 曲线，采用 PD控制的实验跟踪曲线和参考曲线如图 4 所示，图中实线为参考曲线，虚线为系统跟踪响应， 从图中可以看出系统能够快速跟踪参考曲线，实现精确定位。五、结束语基于 Matlab/Simulink 设计滚珠丝杠伺服控制系统， 利用 xPC进行实时网络控制，对系统进行了运