自控計控原理實驗系統(tǒng),計算機控制原理實驗儀
2024-07-09 07:33自控、計控，這兩個詞匯在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中，無疑是最具影響力的代表。它們是自動化技術(shù)和計算機技術(shù)的基礎(chǔ)，是我們生活中不可或缺的一部分。
首先，我們需要理解什么是自控計控原理實驗系統(tǒng)。簡單來說，它是一個集成了自動控制和計算機控制技術(shù)的實驗平臺，通過這個平臺，我們可以模擬各種實際的控制系統(tǒng)，學(xué)習(xí)和理解其工作原理。這個系統(tǒng)通常包括硬件設(shè)備(如傳感器、執(zhí)行器、控制器等)和軟件平臺(如模擬器、編程環(huán)境等)。
自控計控原理實驗系統(tǒng)的工作原理主要基于自動控制理論和計算機控制理論。自動控制理論主要是研究如何使系統(tǒng)達到穩(wěn)定的狀態(tài)，而計算機控制理論則是研究如何利用計算機進行系統(tǒng)的控制。兩者結(jié)合，使得自控計控原理實驗系統(tǒng)能夠模擬出各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)。
自控計控原理實驗系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。在工業(yè)生產(chǎn)中，它可以用來模擬生產(chǎn)線的運行情況，幫助我們找出問題并進行改進；在科研領(lǐng)域，它可以用來研究各種復(fù)雜的系統(tǒng)模型，推動科學(xué)研究的進展；在學(xué)校教育中，它可以用來教授自動控制和計算機控制的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維。
然而，盡管自控計控原理實驗系統(tǒng)已經(jīng)取得了顯著的成果，但它的發(fā)展仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，如何提高系統(tǒng)的性能和效率，如何降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，如何提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性等。
自控計控原理實驗系統(tǒng)是自控/計控二合一的教學(xué)實驗系統(tǒng)。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，可構(gòu)造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)。還可進行以微機為控制平臺的計算機控制技術(shù)實驗教學(xué)，做到一機多用。
一、系統(tǒng)組成
1、電源
輸入單相三線～220V±10% 50Hz。輸出直流±5V/2A、±12V/0.5A 電源，均有接反和短路保護功能。
2、CPU系統(tǒng)
采用主從方式多CPU結(jié)構(gòu)。CPUA：為主控處理器，用于系統(tǒng)管理，與上位機通訊，數(shù)據(jù)采集及計控實驗等；CPUB：為輔控處理器，用于信號源發(fā)生及自控實驗等；CPUC：為自編程處理器，用于提供用戶二次開發(fā)的單片機自編程。各CPU 均采用C8051F410芯片，自帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度均為12位（bit）。
3、與電腦通訊
采用RS232串口聯(lián)接，也可加接USB轉(zhuǎn)RS232聯(lián)接電纜，與電腦USB口聯(lián)接。
4、被控對象（運算模擬單元）
采用模塊式結(jié)構(gòu)，提供11個實驗用基本運放模擬單元，構(gòu)成比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)，PID環(huán)節(jié)和典型的二階、三階系統(tǒng)等。
5、阻容元件庫
0-999.9K直讀式可變電阻，250K電位器，多組電容。
6、信號源模塊CPUB
① 提供矩形波、正弦波、斜坡、階躍波、方波、微分脈沖等的單信號源，或同時發(fā)生兩種不同類型信號，其輸出幅度、寬度、頻率、斜率可在PC機界面上設(shè)置。
②提供繼電特性、飽和特性、死區(qū)特性、間隙特性、延遲特性等的非線性環(huán)節(jié)輸出，其輸出幅度、寬度、斜率可在PC機界面上設(shè)置。
③每個實驗范例都提供信號源默認值。
7、頻率特性測試模塊
實驗機自帶掃頻功能，在頻率特性中采用掃頻方式，自動生成閉環(huán)、開環(huán)伯德圖及奈氏曲線（六個），在一個界面上全部顯示，觀察時可任選一個進行放大顯示（可多次、反復(fù)選擇），觀察方便直觀。
可自動搜索諧振峰值或穿越頻率。
8、數(shù)據(jù)采集／虛擬示波器模塊
在示波器界面分成上、下兩塊顯示區(qū)，可同時有多達七個通道顯示。在自動控制原理實驗中供虛擬示波器顯示用，在計算機控制技術(shù)實驗中即供虛擬示波器顯示用，又可作為控制器模塊輸入。數(shù)據(jù)采集精度為12位（bit）。
9、控制器模塊CPUA
在計算機控制技術(shù)實驗中用于計算機的控制計算與輸出。A/D、D/A轉(zhuǎn)換精度為12位。PID控制及直接數(shù)字控制實驗的控制參數(shù)（包括采樣周期）可在界面上直接設(shè)定和修改，每項范例實驗的控制參數(shù)（包括采樣周期），都在界面上向用戶提供了默認值。
10、溫控、直流電機、步進電機模塊
①溫控模塊由溫度載體和功率放大器、調(diào)節(jié)器、溫度傳感器、T／V轉(zhuǎn)換器等組成，可
進行離散增量型PID閉環(huán)控制、PWM方式PID閉環(huán)控制、位式閉環(huán)控制及外接烤箱PID閉環(huán)控制。
②直流電機模塊由直流電機和電機驅(qū)動功率放大器、調(diào)節(jié)器、電機轉(zhuǎn)速檢測傳感器、F/V
轉(zhuǎn)換器等組成，可進行直流電機轉(zhuǎn)速數(shù)字PID閉環(huán)控制。
③進電機模塊由步進電機及指針等組成，可進行步進電機轉(zhuǎn)速數(shù)字四相四拍、四相八拍
方式工作，正、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制，并提供實驗范例。
11、外設(shè)接口模塊
提供外設(shè)的擴展接口，例如烤箱的溫度控制。
12、選購件
①單片機自編程模塊CPUC：在單片機自編程計控實驗中用于計算機的控制計算與輸出。
②C平臺自編程模塊
③U-EC5仿真模塊，用于單片微處理器自編程計控實驗。
二、實驗項目
1、自動控制原理實驗項目
1) 線性系統(tǒng)的時域分析實驗：
●典型環(huán)節(jié)的模擬研究 ● 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性 ●三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性
2)線性控制系統(tǒng)的頻域分析實驗：
●一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線 ●二階閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線實驗
3)線性系統(tǒng)的校正與狀態(tài)反饋：
● 頻域法串聯(lián)超前校正 ● 頻域法串聯(lián)遲后校正 ● 時域法串聯(lián)比例微分校正
● 時域法局部比例反饋校正 ● 時域法微分反饋校正 ● 線性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋及極點配
4)非線性系統(tǒng)的相平面分析實驗：
● 典型環(huán)節(jié)的模擬研究 ● 二階非線性控制系統(tǒng) ● 三階非線性控制系統(tǒng)
2、計算機控制技術(shù)實驗項目
1）采樣與保持
●采樣實驗 ●采樣控制
2）微分與數(shù)字濾波
●一階微分反饋控制 ●四點微分均值反饋控制
●模擬一階慣性數(shù)字濾波 ●四點加權(quán)平均數(shù)字濾波
3）數(shù)字PID控制
a) 被控對象辨識
●對象開環(huán)辨識 ●對象閉環(huán)辨識
b) 二階PID控制
●位置型PID控制 ●增量型PID控制 ●積分分離PID控制 ●帶死區(qū)PID控制
●型位置型PID控制 ●型增量型PID控制 ●帶有延遲對象PID控制
c) 三階PID控制：
●位置型PID控制 ●型位置型PID控制 ●型增量型PID控制
d) 串級PID控制
●二階串級PID控制 ●三階串級PID控制
e) 比值PID控制：單閉環(huán)／雙閉環(huán)比值控制
●單閉環(huán)比值PID控制 ●雙閉環(huán)比值PID控制
f) 前饋-反饋控制
●靜態(tài)前饋-反饋PID控制 ●動態(tài)前饋-反饋PID控制
g) 解耦控制
●靜態(tài)前饋補償解耦PID控制 ●動態(tài)前饋補償解耦PID控制
4）二階位式控制
5)大林算法控制
●大林算法控制 ●消除振鈴大林算法控制
6)最少拍控制
● 最少拍有紋波控制系統(tǒng) ● 最少拍無紋波控制系統(tǒng)
3、控制系統(tǒng)應(yīng)用實驗項目
(1) 直流電機PID轉(zhuǎn)速控制
(2) 溫度增量型PID控制
(3) 溫度PWM方式PID控制
(4) 溫度位式控制
(5) 烤箱位式控制
(6) 步進電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角控制
自控計控原理實驗系統(tǒng)的工作原理主要基于自動控制理論和計算機控制理論。自動控制理論主要是研究如何使系統(tǒng)達到穩(wěn)定的狀態(tài)，而計算機控制理論則是研究如何利用計算機進行系統(tǒng)的控制。兩者結(jié)合，使得自控計控原理實驗系統(tǒng)能夠模擬出各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)。
自控計控原理實驗系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。在工業(yè)生產(chǎn)中，它可以用來模擬生產(chǎn)線的運行情況，幫助我們找出問題并進行改進；在科研領(lǐng)域，它可以用來研究各種復(fù)雜的系統(tǒng)模型，推動科學(xué)研究的進展；在學(xué)校教育中，它可以用來教授自動控制和計算機控制的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維。
然而，盡管自控計控原理實驗系統(tǒng)已經(jīng)取得了顯著的成果，但它的發(fā)展仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，如何提高系統(tǒng)的性能和效率，如何降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，如何提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性等。
DB-SD36 自控計控原理實驗系統(tǒng)
自控計控原理實驗系統(tǒng)是自控/計控二合一的教學(xué)實驗系統(tǒng)。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，可構(gòu)造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)。還可進行以微機為控制平臺的計算機控制技術(shù)實驗教學(xué)，做到一機多用。
1、電源
輸入單相三線～220V±10% 50Hz。輸出直流±5V/2A、±12V/0.5A 電源，均有接反和短路保護功能。
2、CPU系統(tǒng)
采用主從方式多CPU結(jié)構(gòu)。CPUA：為主控處理器，用于系統(tǒng)管理，與上位機通訊，數(shù)據(jù)采集及計控實驗等；CPUB：為輔控處理器，用于信號源發(fā)生及自控實驗等；CPUC：為自編程處理器，用于提供用戶二次開發(fā)的單片機自編程。各CPU 均采用C8051F410芯片，自帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度均為12位（bit）。
3、與電腦通訊
采用RS232串口聯(lián)接，也可加接USB轉(zhuǎn)RS232聯(lián)接電纜，與電腦USB口聯(lián)接。
4、被控對象（運算模擬單元）
采用模塊式結(jié)構(gòu)，提供11個實驗用基本運放模擬單元，構(gòu)成比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)，PID環(huán)節(jié)和典型的二階、三階系統(tǒng)等。
5、阻容元件庫
0-999.9K直讀式可變電阻，250K電位器，多組電容。
6、信號源模塊CPUB
① 提供矩形波、正弦波、斜坡、階躍波、方波、微分脈沖等的單信號源，或同時發(fā)生兩種不同類型信號，其輸出幅度、寬度、頻率、斜率可在PC機界面上設(shè)置。
②提供繼電特性、飽和特性、死區(qū)特性、間隙特性、延遲特性等的非線性環(huán)節(jié)輸出，其輸出幅度、寬度、斜率可在PC機界面上設(shè)置。
③每個實驗范例都提供信號源默認值。
7、頻率特性測試模塊
實驗機自帶掃頻功能，在頻率特性中采用掃頻方式，自動生成閉環(huán)、開環(huán)伯德圖及奈氏曲線（六個），在一個界面上全部顯示，觀察時可任選一個進行放大顯示（可多次、反復(fù)選擇），觀察方便直觀。
可自動搜索諧振峰值或穿越頻率。
8、數(shù)據(jù)采集／虛擬示波器模塊
在示波器界面分成上、下兩塊顯示區(qū)，可同時有多達七個通道顯示。在自動控制原理實驗中供虛擬示波器顯示用，在計算機控制技術(shù)實驗中即供虛擬示波器顯示用，又可作為控制器模塊輸入。數(shù)據(jù)采集精度為12位（bit）。
9、控制器模塊CPUA
在計算機控制技術(shù)實驗中用于計算機的控制計算與輸出。A/D、D/A轉(zhuǎn)換精度為12位。PID控制及直接數(shù)字控制實驗的控制參數(shù)（包括采樣周期）可在界面上直接設(shè)定和修改，每項范例實驗的控制參數(shù)（包括采樣周期），都在界面上向用戶提供了默認值。
10、溫控、直流電機、步進電機模塊
①溫控模塊由溫度載體和功率放大器、調(diào)節(jié)器、溫度傳感器、T／V轉(zhuǎn)換器等組成，可
進行離散增量型PID閉環(huán)控制、PWM方式PID閉環(huán)控制、位式閉環(huán)控制及外接烤箱PID閉環(huán)控制。
②直流電機模塊由直流電機和電機驅(qū)動功率放大器、調(diào)節(jié)器、電機轉(zhuǎn)速檢測傳感器、F/V
轉(zhuǎn)換器等組成，可進行直流電機轉(zhuǎn)速數(shù)字PID閉環(huán)控制。
③進電機模塊由步進電機及指針等組成，可進行步進電機轉(zhuǎn)速數(shù)字四相四拍、四相八拍
方式工作，正、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制，并提供實驗范例。
11、外設(shè)接口模塊
提供外設(shè)的擴展接口，例如烤箱的溫度控制。
12、選購件
①單片機自編程模塊CPUC：在單片機自編程計控實驗中用于計算機的控制計算與輸出。
②C平臺自編程模塊
③U-EC5仿真模塊，用于單片微處理器自編程計控實驗。
二、實驗項目
1、自動控制原理實驗項目
1) 線性系統(tǒng)的時域分析實驗：
●典型環(huán)節(jié)的模擬研究 ● 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性 ●三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性
2)線性控制系統(tǒng)的頻域分析實驗：
●一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線 ●二階閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線實驗
3)線性系統(tǒng)的校正與狀態(tài)反饋：
● 頻域法串聯(lián)超前校正 ● 頻域法串聯(lián)遲后校正 ● 時域法串聯(lián)比例微分校正
● 時域法局部比例反饋校正 ● 時域法微分反饋校正 ● 線性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋及極點配
4)非線性系統(tǒng)的相平面分析實驗：
● 典型環(huán)節(jié)的模擬研究 ● 二階非線性控制系統(tǒng) ● 三階非線性控制系統(tǒng)
2、計算機控制技術(shù)實驗項目
1）采樣與保持
●采樣實驗 ●采樣控制
2）微分與數(shù)字濾波
●一階微分反饋控制 ●四點微分均值反饋控制
●模擬一階慣性數(shù)字濾波 ●四點加權(quán)平均數(shù)字濾波
3）數(shù)字PID控制
a) 被控對象辨識
●對象開環(huán)辨識 ●對象閉環(huán)辨識
b) 二階PID控制
●位置型PID控制 ●增量型PID控制 ●積分分離PID控制 ●帶死區(qū)PID控制
●型位置型PID控制 ●型增量型PID控制 ●帶有延遲對象PID控制
c) 三階PID控制：
●位置型PID控制 ●型位置型PID控制 ●型增量型PID控制
d) 串級PID控制
●二階串級PID控制 ●三階串級PID控制
e) 比值PID控制：單閉環(huán)／雙閉環(huán)比值控制
●單閉環(huán)比值PID控制 ●雙閉環(huán)比值PID控制
f) 前饋-反饋控制
●靜態(tài)前饋-反饋PID控制 ●動態(tài)前饋-反饋PID控制
g) 解耦控制
●靜態(tài)前饋補償解耦PID控制 ●動態(tài)前饋補償解耦PID控制
4）二階位式控制
5)大林算法控制
●大林算法控制 ●消除振鈴大林算法控制
6)最少拍控制
● 最少拍有紋波控制系統(tǒng) ● 最少拍無紋波控制系統(tǒng)
3、控制系統(tǒng)應(yīng)用實驗項目
(1) 直流電機PID轉(zhuǎn)速控制
(2) 溫度增量型PID控制
(3) 溫度PWM方式PID控制
(4) 溫度位式控制
(5) 烤箱位式控制
(6) 步進電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角控制