1、山东科技大学学士学位论文 摘要基于通用控制平台的虚拟控制对象设计摘 要本论文通过对虚拟控制技术应用的深入研究，提出了一种基于通用控制平台的虚拟控制对象设计。并对通用控制平台硬件配置和控制对象的实现方法进行了全面的设计。本论文对通用控制平台硬件电路的各功能模块进行了设计，各模块主要从指标、结构组成、原理设计等几个部分展开。根据实际控制对象的信号特点以及实验仿真的需要，运用模拟电子技术、数字电子技术和单片机接口技术等知识，设计了模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块、通信模块、人机接口模块、电源模块等。基于硬件平台，选取了电子钟以及储液罐监控系统作为典型控制对象进行了仿真。
2、为了在设计的硬件平台上进行实验室仿真其控制过程，设计了控制器、控制对象和计算机组成为一套完整的仿真系统。通过 Modbus 协议，实现与上位机的通信，通过 VB 与组态的 DDE 连接将被控对象的仿真结果以动画的形式显示出来。通过对基于通用控制平台的虚拟控制对象设计，能够方便的仿真出多种实际的控制对象的工作过程，历史曲线等，不用采取复杂的物理模型，不用进入到设备现场即可完成对这些典型控制对象的工作原理和工作过程的认识。关键词：通用控制平台 控制对象仿真 硬件电路 电子钟 储液罐山东科技大学学士学位论文 摘要山东科技大学学士学位论文 ABSTRACTABSTRACTThis paper base
3、d on virtual control technology applied research, put forward a kind of universal control platform based on virtual control object design.And the universal control platform hardware configuration and control object of the realization methods of the comprehensive design.This paper gives the platform
4、from overall design scheme, and expounds scheme formation from control engineering simulation angle. The platform hardware circuit modules are designed in the paper and roughly every module is designed from main indexs, structures,design principles and other several aspects. On the basis of fully un
5、derstanding signal features of processing control occasions, simulation and measurement needs, using analog electronic technology, digital electronic technology and single-chip microcomputer interface technology and other knowledge, and design all kinds of circuit parts,for example, multi-channel an
6、alog input module, multi-channel analog output module, multi-channel digital input module, multi-channel digital output module,multi-type communication module, man-machine interface module, power module and so on.Based on the hardware platform, selecting the electronic clock and reservoir supervisor
7、y control system as a typical control object to simulate. The paper summarizes the composition structure and control elements. In order to simulate the control process on hardware platform in laboratory, designing the controller, the control object and computer to constitute a complete set of simula
8、tion system,carries out research of the simulation algorithm and control algorithm, and development of application simulation software.Based on the universal control platform based on virtual object of control design, convenient to be able to simulate a variety of real control objects in the working
9、 process, the historical curve etc., need not take complex physical models, without access to the facilities can be finished on site for the typical 山东科技大学学士学位论文 ABSTRACTcontrol object of the working principle and process of cognition. Keywords: universal control platform, control object simulation,
10、 hardware circuit design, electronic clock, reservoir山东科技大学学士学位论文 目录目录1 绪论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 国内外研究动态 .21.3 课题设计目标 .41.4 课题设计内容 .41.5 课题设计的特色与优势 .52 通用控制平台设计方案 .62.1 方案选择 .62.2 总体设计方案 .62.3 硬件电路设计方案 .92.4 控制对象实现过程 .133 平台硬件功能模块设计 .153.1 模拟量输入模块 .153.2 模拟量输出模块 .183.3 开关 量输入模块 .213.4 开关量输出模块 .243.
11、5 人机接口模块 .263.6 RS-485 通信模块 .303.7 供电电源模块 .314 控制对象仿真之电子钟 .354.1 虚拟电子钟系统概述 .35山东科技大学学士学位论文 目录4.2 电子钟被控对象设计 .364.3 电子钟控制器设计 .424.4 电子钟仿真结果 .515 控制对象仿真之储液罐监控系统 .555.1 储液罐监控系统概述 .555.2 储液罐监控系统被控对象设计 .565.3 储液罐监控系统控制器设计 .605.4 储液罐监控系统仿真结果 .656 系统性能的改善与提高 .697 总结 .70参考文献 .71致谢 .73附录 .74附录 1 外文文献 .74附录 2
12、文献翻译 .80附录 3 毕业设计总原理图 .86山东科技大学学士学位论文 绪论11 绪论1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 研究背景虚拟控制技术是设计制造领域的一种高新技术。传统新产品的设计需要经历“概念设计-物理实验-重新设计与完善”这样反复的设计流程，最终才进行实际的投产，设计周期长，投入人力物力成本大，已经不适应于当前激烈的竞争。采用虚拟控制技术，可以结合用户需求，用最短时间开发出用户接受的产品。虚拟控制最初应用于军事、制造等行业，目前已广泛渗透于它可应用于建模与仿真、教育与训练、科学计算可视化、设计与规划等多个方面。目前，国内多所高校及企业单位相继开展了电气信息类实验教学装置的研
13、究 1-5，取得了一定的成果。基于某个教学实际，针对某门或某几门课程，对于某个主体学科，或者基于某一项或几项技术，作为研究的出发点，但研究的成果虽然针对性强、但是在通用性、先进性、集成性等方面有不足。本课题根据对实际控制对象进行现场调试的经验，针对当前高校电气信息类专业实验教学装置的不足，采用虚拟控制技术，综合运用电子技术、计算机控制技术、计算机技术、通信技术等技术成果，开发了基于C8051F 单片机的虚拟控制对象通用平台。该虚拟控制平台在同一硬件平台上集成不同控制对象的仿真算法，能仿真多种实际控制对象，对提高我国实验教学装备水平及虚拟控制技术的应用具有重要作用。1.1.2 研究意义（1）实验
14、教学意义实验教学方面，有利于加强实验室设备的充实与完善，加强和改进实山东科技大学学士学位论文 绪论2验教学，促进贯彻理论教学和实验教学并重的教学理念。一直以来，限于资金、设备的匮乏，电子信息、检测与仪表、自动化等专业学生理论教学重视有余，而实验教学与训练不足，直接导致学生的工程化意识没有或不足，动手操作能力欠缺，创新能力不强，限制或者阻碍了学生综合素质的提高。本平台的研制成功，可以以其低成本、高性能的优势，弥补教学上的不足，使学生接受更多的控制对象实验训练，更好的启发学生的创新性思维，更多的培养理论联系实际的高素质人才。（2）科学研究意义教师、工程技术人员或理论研究人员研究某个算法或数学模型，
15、一般要通过计算机仿真或者实际的工作现场来验证，本平台可以模拟实际工业控制对象 6，将算法或数学模型应用到本装置的虚拟控制对象上，可以直观地验证算法的正确性和可行性。这对于经典控制理论和现代控制理论的研究有重要意义。（3）工程应用意义提供一套通用硬件平台，根据实际情况进行嵌入式开发，可以满足工业场合数据采集、数据处理、数据通信、状态控制等功能；通过计算机软件设计，该平台可对工业过程中的实际控制对象进行实验室仿真，构造图形化显示界面，实验人员可方便对样机的参数进行修改，仿真设计系统的性能与效果，加快产品研发与创新，增强企业竞争力。1.2 国内外研究动态1.2.1 国内研究动态据不完全统计，目前国内
16、有 34 家科研机构、高等院校和企业正在开展虚拟控制技术的研究。国家 863/CIMS 主题组也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点。国家自然科学基金也有专门的研究课山东科技大学学士学位论文 绪论3题。国内以清华大学、上海交大为主的高等院校正在开展基础技术研究，正处于理论体系初步研究阶段。其中清华大学 CIMS 工程研究中心虚拟制造研究室是国内最早开展虚拟制造研究的机构之一，目前该中心正在建立支持产品生产全过程的虚拟制造平台。国内研究机构对虚拟样机要求的相关技术如数据库技术、CAD/CAM 技术、网络技术、分布交互仿真技术等已有一定的基础。国内虚拟样机技术的应用研究属于起步发展
17、阶段，而将虚拟样机技术应用开发控制对象仿真通用平台的研究，目前国内尚未见报道。而开发可集成多种控制对象仿真的通用平台，将会对推动国内高校及科研单位开展虚拟控制技术的研究和普及起到示范引领作用。1.2.2 国外研究动态国外虚拟控制技术于上世纪九十年代初开始发展，其研究和应用迅速得到许多研究机构及软件供应商的重视。目前，国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较有影响的有美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc，MDI）的 ADAMS，CADSI 的 DADS，德国航天局的SIMPACK，其它还有 Working Model、 FLOW3D、IDEAS 、Phoenics
18、、ANSYS、Pamcrash 等等。以美国为首的西方国家，将虚拟控制技术应用在飞机、汽车等领域并获得了成功，取得了良好的经济效益和社会效益。比如：波音 777 全面应用虚拟样机技术，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去 8 年时间缩短到 5 年，甚至在一架样机未生产的情况下就获得了订单。英国 BAE 系统公司利用计算机建模与仿真技术在 EF2000 多功能战斗机的验收试验中，对战斗机的抗自然闪电轰击的能力进行研究。在汽车制造领域经典应用是：福特（Ford）和克莱斯勒（Chrysler）公司与 IBM 合作开发的虚拟制造环境用山东科技大学学
19、士学位论文 绪论4于其新型车的研制。在样车生产之前，发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。由于实施了虚拟产品开发策略，Ford 和Chrysler 将他们新型汽车的开发周期由 36 个月缩短至 24 个月。1.3 课题设计目标本课题的研究目标是设计一种通用控制平台，并在控制平台基础上进行控制对象仿真。其中主要包括两大部分：（1）通用硬件平台的设计。硬件部分，能够用作通用控制器或虚拟控制对象，具有采集常见电量信号（模拟量、开关量、频率量） ，并能够输出电压或电流型控制量。该通用硬件平台接口完备，应包括：多路开关量输入输出接口、多路模拟输入输出接口、异步通信口、人机接口。该硬件平
20、台自带保护功能，接线错误时不至于损坏；操作方便，可容易进行关键模块的更换；接口丰富，可扩展性强。（2）在硬件基础上，选择某些实际控制对象进行仿真。对控制思路、仿真算法、硬件连接以及计算机虚拟控制对象应用软件的研制提供范例。1.4 课题设计内容本设计首先对总体的方案进行了选择与论证；分析了实际控制对象仿真用于实验平台的控制器设计、控制对象设计以及计算机图形化显示；用于数据采集时，描述了系统构成及数据处理方法；本课题重点对平台的硬件电路部分进行了设计，包括模拟量输入/输出通道、开关量输入 /输出通道、人机接口、通信模块、电源等的设计；最后选择电子钟与储液罐监控系统作为具体的控制对象，详细分析了硬件接口设计、仿真算法，控制流程，计算机根据控制器和控制对象的数据，将控制对象的运动过程及物理
