自動控制理論及計算機控制技術(shù)實驗裝置，控制技術(shù)
2024-09-18 06:52一、 產(chǎn)品概述
自動控制理論及計算機控制技術(shù)實驗裝置、自控原理、計算機控制實驗室主要設(shè)備有：計算機、虛擬示波器、自控與計控二合一實驗箱、溫控爐、直流電機、步電機等。該實驗室可以完成《計算機控制系統(tǒng)》、《自動控制原理》等課程的實驗教學。學生通過實驗能夠進一步掌握計算機和自動控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法以及控制算法的編程實現(xiàn)方法，并掌握控制系統(tǒng)的模擬電路構(gòu)成和測試技術(shù)，加深學生對實際控制對象的認識。本實驗室是電氣信息與自動化學院專業(yè)實驗室之一。
自動控制理論及計算機控制技術(shù)實驗裝置能夠滿足《自動控制理論》、《計算機控制技術(shù)》和《現(xiàn)代控制理論》的實驗教學要求，系統(tǒng)可采用模擬、仿真和數(shù)字RTW實時控制等多種方法開展實驗教學。用戶可根據(jù)需要選擇電機轉(zhuǎn)速控制、溫度控制和液位控制系統(tǒng)等實物對象，通過對實物對象的仿真和RTW實時控制實驗，來解析速度閉環(huán)系統(tǒng)、溫度閉環(huán)控制等自控和計控經(jīng)典的控制原理和方法。整個實驗裝置集運放模擬、實際物理對象、計算機檢測與控制于一體，有助于激發(fā)學生的實驗興趣，提高學生的理論理解能力和實踐動手能力，是各高校理想的實驗設(shè)備。
實驗裝置參考圖片（電腦可單獨配置）
二、產(chǎn)品特點
1、系統(tǒng)集模擬、仿真和數(shù)字RTW實時控制為一體，實驗由淺入深，由模擬到數(shù)字循序漸進，將傳統(tǒng)和現(xiàn)代的教學模式相結(jié)合，便于教和學。
2、實驗臺除了模擬電路環(huán)節(jié)，提供了轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)、溫度閉環(huán)系統(tǒng)（大滯后）、位置隨動系統(tǒng)和二階液位系統(tǒng)等四種具有代表性的實物為自控和計控的實驗對象，供學校選擇。
3、系統(tǒng)配置了I/0板卡、數(shù)據(jù)采集控制板和計算機，可在MATLAB/Simulink環(huán)境下實現(xiàn)自控和計控的計算機仿真和硬件在環(huán)（HIL）實時控制系統(tǒng)實驗。
4、系統(tǒng)提供了"Actlab自動控制理論實驗室"（Automatic Control Theory Lab）和LAB_CC計算機控制實驗室（LAB_Computer Control）軟件，可采用數(shù)學建模、軟件仿真和RTW實時控制等方法完成實驗，使學生通過系統(tǒng)實驗建立起科研的思路。
5、提供了開放的硬件和軟件開發(fā)環(huán)境，為學生進行自主創(chuàng)新實驗提供了條件；
三、實驗項目
1、自動控制理論實驗和RTW實時控制實驗
1）典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究；
2）典型系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析；
3）典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的頻率特性測量；
4）線性系統(tǒng)串聯(lián)校正；
5）典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性；
6）非線性系統(tǒng)相平面法；
7）非線性系統(tǒng)描述函數(shù)法；
8）極點配置線性系統(tǒng)全狀態(tài)反饋控制；
9）采樣控制系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析的混合仿真研究；
10）采樣控制系統(tǒng)串聯(lián)校正的混合仿真研究。
2、計算機控制技術(shù)的仿真和RTW實時控制實驗
1）A/D與D/A轉(zhuǎn)換
2）數(shù)字濾波
3）D(S)離散化方法的研究
4）數(shù)字PID控制的算法研究
5）串級控制的算法研究
6）解耦控制的算法研究
7）二維模糊控制器特性及其應用的研究
8）線性離散系統(tǒng)全狀態(tài)反饋控制的算法研究
9）具有純滯后系統(tǒng)的大林控制算法研究
10）最小拍控制的算法研究
11）積分分離PID控制算法研究
12）Smith預估補償算法研究
3、實物控制對象的仿真和RTW實時控制
1）直流電機速度閉環(huán)系統(tǒng)實驗；
2）溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗；
3）水箱液位閉環(huán)系統(tǒng)實驗。
四、實驗臺技術(shù)說明
1、技術(shù)條件
1）輸入電源：單相220VAC±5%/50Hz，裝置容量：< 200VA；
2）工作環(huán)境：溫度-10℃～＋40℃，相對濕度≤85%，海拔≤4000m；
3）重 量：< 50kg；
4）實驗臺尺寸：L×W×H=1650mm×750mm×780mm；
2、實驗臺結(jié)構(gòu)說明
由鋁合金控制屏、實驗模塊、實驗桌和實驗導線等組成。實驗模塊由交流電源、運放模擬環(huán)節(jié)、控制計算機（學校自備）及I/O板卡、數(shù)據(jù)采集控制板和控制對象等組成。
3、系統(tǒng)配置
*（1）控制屏：由電源單元、數(shù)據(jù)處理單元、元器件單元、3個非線性單元以及9個模擬電路單元等共16個單元組成。
1）U1電源單元：包括電源開關(guān)、保險絲、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V 以及0V～15V 可調(diào)電源，提供實驗工作電源。
2）實時采集數(shù)據(jù)處理單元：USB2.0接口，內(nèi)部包含多路A/D采集輸入通道和D/A輸出通道。
模擬量輸入：8路12位A/D采樣精度，±10V電平輸入，200K采樣速率。可同步采集多路模擬量信號輸入；
模擬量輸出：2路12位D/A輸出，±10V電平輸出。
數(shù)字量通道：8路TTL輸入，8路TTL輸出。
雙蹤示波卡功能：雙路16位A/D采樣精度，1M采樣速率，40K采樣深度。結(jié)合上位機軟件，用以實現(xiàn)虛擬示波器、測試信號發(fā)生器等功能。
3）U4元器件單元：由運放及外圍元器件構(gòu)成。
4）U5－U7 3 個非線性環(huán)節(jié)單元：由運放及外圍元器件構(gòu)成。
單元U5可選擇具有死區(qū)特性或間隙特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。單元U6為具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。單元U7為具有飽和特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。
5）U8－U16 9 個模擬電路單元：由運算放大器與電阻，電容等器件組成的模擬電路單元。其中U8為反相器。U9－U16的每個單元均有場效應管組成的鎖零電路和運放調(diào)零電路。
（2）控制對象配置
1）ACT-DT1電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)
采用力矩電機，可準確地反應出控制效果，進行電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速通過光電碼盤進行檢測，并轉(zhuǎn)換后輸出 1～10V 轉(zhuǎn)速信號。在面板上設(shè)置有 1 只 0～10V 直流電壓表和 1 只轉(zhuǎn)速表，可用于電壓測量和轉(zhuǎn)速指示。
2）ACT-WKB溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)
該模型采用熱風控制，基于流體溫度控制原理，模仿汽車發(fā)動機燃燒溫度檢測控制。其特點是反應速度快，控制效果好，可滿足《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》等課程的教學要求。
實驗內(nèi)容：
a.模擬調(diào)節(jié)器控制的溫度控制實驗；
b.開環(huán)控制的溫度控制系統(tǒng)實驗；
c.閉環(huán)控制的溫度控制系統(tǒng)實驗；
d.溫度干擾控制系統(tǒng)實驗。
3）ACT-YK4二階液位控制系統(tǒng)
系統(tǒng)由水箱、電源、傳感器、水泵、管路及金屬框架組成。
水箱3只：2只控制水箱和1只儲水箱。2只控制水箱安置在上下兩層，其主要任務是為完成二階液位特性實驗和水箱液位控制實驗。在控制水箱的底部安裝了兩水閥，打開時可以充當干擾的作用。儲水箱的主要作用是儲水用的。向控制水箱提供水，同時也擔任把水回收的重要任務。電源模塊：主要為水泵和傳感器提供電源、系統(tǒng)的反饋信號等。金屬框架：主要安裝水箱、管路、水泵、液位傳感器等實驗元件，構(gòu)成二階液位控制對象：水泵：是系統(tǒng)的供水系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的設(shè)定值和反饋信號達到液位控制的目的。
*（3）上位機控制軟件功能介紹
1）Actlab自動控制理論實驗室軟件說明
采用LabVIEW設(shè)計而成，可進行實驗項目選擇與編輯，數(shù)據(jù)采集，特性曲線的分析、比較、文件存取等。
主要功能:
①數(shù)字顯示幅值和頻率；
②可實現(xiàn)光標跟蹤定位和測量；
③實驗波形的存儲；
④采用同一界面化編程，去除了很多級聯(lián)菜單，可以同時頻域特性兩種表示方式；如頻域?qū)嶒炛�，Bode Plot、Nyquist Plot、X-t Plot均在同一界面顯示，可以同時比較直觀地看到頻域特性兩種表示方式特點。界面豐富,色彩可以根據(jù)需要采用多種色彩組合,界面比較豐富形象化。
⑤可在同一圖形控件中同時顯示多條波形。波形顯示與否是可選的，可以在同一圖形控件中同時顯示多條波形，也可以全部不顯示。
實驗中，增加了"暫停"功能，這一功能將不會使實驗過程中斷，重新開始實驗；實驗過程中可以隨意改變實驗參數(shù)，不需要停止實驗。實驗運行中，也可以隨意更換A/D、D/A端口，不需要停止實驗，只需要將硬件上的接線更換。
實驗波形數(shù)據(jù)是實時采集上來的數(shù)據(jù)，在不"暫停"的情況下，可以改變硬件上的參數(shù)或者軟件上的實驗參數(shù)，采集上來的實驗波形實時更新。
2）LAB_CC計算機控制實驗室軟件說明
LAB_CC計算機控制實驗室軟件與ACCT-III 型實驗臺構(gòu)成了計算機控制技術(shù)實驗系統(tǒng)。計控實驗內(nèi)容覆蓋了計算機控制技術(shù)課程全部知識點，實驗模式包含Matlab仿真實驗、運放模擬對象實驗、實物對象控制實驗。
自動控制理論及計算機控制技術(shù)實驗裝置、自控原理、計算機控制實驗室主要設(shè)備有：計算機、虛擬示波器、自控與計控二合一實驗箱、溫控爐、直流電機、步電機等。該實驗室可以完成《計算機控制系統(tǒng)》、《自動控制原理》等課程的實驗教學。學生通過實驗能夠進一步掌握計算機和自動控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計方法以及控制算法的編程實現(xiàn)方法，并掌握控制系統(tǒng)的模擬電路構(gòu)成和測試技術(shù)，加深學生對實際控制對象的認識。本實驗室是電氣信息與自動化學院專業(yè)實驗室之一。
自動控制理論及計算機控制技術(shù)實驗裝置能夠滿足《自動控制理論》、《計算機控制技術(shù)》和《現(xiàn)代控制理論》的實驗教學要求，系統(tǒng)可采用模擬、仿真和數(shù)字RTW實時控制等多種方法開展實驗教學。用戶可根據(jù)需要選擇電機轉(zhuǎn)速控制、溫度控制和液位控制系統(tǒng)等實物對象，通過對實物對象的仿真和RTW實時控制實驗，來解析速度閉環(huán)系統(tǒng)、溫度閉環(huán)控制等自控和計控經(jīng)典的控制原理和方法。整個實驗裝置集運放模擬、實際物理對象、計算機檢測與控制于一體，有助于激發(fā)學生的實驗興趣，提高學生的理論理解能力和實踐動手能力，是各高校理想的實驗設(shè)備。
實驗裝置參考圖片（電腦可單獨配置）
二、產(chǎn)品特點
1、系統(tǒng)集模擬、仿真和數(shù)字RTW實時控制為一體，實驗由淺入深，由模擬到數(shù)字循序漸進，將傳統(tǒng)和現(xiàn)代的教學模式相結(jié)合，便于教和學。
2、實驗臺除了模擬電路環(huán)節(jié)，提供了轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)、溫度閉環(huán)系統(tǒng)（大滯后）、位置隨動系統(tǒng)和二階液位系統(tǒng)等四種具有代表性的實物為自控和計控的實驗對象，供學校選擇。
3、系統(tǒng)配置了I/0板卡、數(shù)據(jù)采集控制板和計算機，可在MATLAB/Simulink環(huán)境下實現(xiàn)自控和計控的計算機仿真和硬件在環(huán)（HIL）實時控制系統(tǒng)實驗。
4、系統(tǒng)提供了"Actlab自動控制理論實驗室"（Automatic Control Theory Lab）和LAB_CC計算機控制實驗室（LAB_Computer Control）軟件，可采用數(shù)學建模、軟件仿真和RTW實時控制等方法完成實驗，使學生通過系統(tǒng)實驗建立起科研的思路。
5、提供了開放的硬件和軟件開發(fā)環(huán)境，為學生進行自主創(chuàng)新實驗提供了條件；
三、實驗項目
1、自動控制理論實驗和RTW實時控制實驗
1）典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究；
2）典型系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析；
3）典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的頻率特性測量；
4）線性系統(tǒng)串聯(lián)校正；
5）典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性；
6）非線性系統(tǒng)相平面法；
7）非線性系統(tǒng)描述函數(shù)法；
8）極點配置線性系統(tǒng)全狀態(tài)反饋控制；
9）采樣控制系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析的混合仿真研究；
10）采樣控制系統(tǒng)串聯(lián)校正的混合仿真研究。
2、計算機控制技術(shù)的仿真和RTW實時控制實驗
1）A/D與D/A轉(zhuǎn)換
2）數(shù)字濾波
3）D(S)離散化方法的研究
4）數(shù)字PID控制的算法研究
5）串級控制的算法研究
6）解耦控制的算法研究
7）二維模糊控制器特性及其應用的研究
8）線性離散系統(tǒng)全狀態(tài)反饋控制的算法研究
9）具有純滯后系統(tǒng)的大林控制算法研究
10）最小拍控制的算法研究
11）積分分離PID控制算法研究
12）Smith預估補償算法研究
3、實物控制對象的仿真和RTW實時控制
1）直流電機速度閉環(huán)系統(tǒng)實驗；
2）溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗；
3）水箱液位閉環(huán)系統(tǒng)實驗。
四、實驗臺技術(shù)說明
1、技術(shù)條件
1）輸入電源：單相220VAC±5%/50Hz，裝置容量：< 200VA；
2）工作環(huán)境：溫度-10℃～＋40℃，相對濕度≤85%，海拔≤4000m；
3）重 量：< 50kg；
4）實驗臺尺寸：L×W×H=1650mm×750mm×780mm；
2、實驗臺結(jié)構(gòu)說明
由鋁合金控制屏、實驗模塊、實驗桌和實驗導線等組成。實驗模塊由交流電源、運放模擬環(huán)節(jié)、控制計算機（學校自備）及I/O板卡、數(shù)據(jù)采集控制板和控制對象等組成。
3、系統(tǒng)配置
*（1）控制屏：由電源單元、數(shù)據(jù)處理單元、元器件單元、3個非線性單元以及9個模擬電路單元等共16個單元組成。
1）U1電源單元：包括電源開關(guān)、保險絲、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V 以及0V～15V 可調(diào)電源，提供實驗工作電源。
2）實時采集數(shù)據(jù)處理單元：USB2.0接口，內(nèi)部包含多路A/D采集輸入通道和D/A輸出通道。
模擬量輸入：8路12位A/D采樣精度，±10V電平輸入，200K采樣速率。可同步采集多路模擬量信號輸入；
模擬量輸出：2路12位D/A輸出，±10V電平輸出。
數(shù)字量通道：8路TTL輸入，8路TTL輸出。
雙蹤示波卡功能：雙路16位A/D采樣精度，1M采樣速率，40K采樣深度。結(jié)合上位機軟件，用以實現(xiàn)虛擬示波器、測試信號發(fā)生器等功能。
3）U4元器件單元：由運放及外圍元器件構(gòu)成。
4）U5－U7 3 個非線性環(huán)節(jié)單元：由運放及外圍元器件構(gòu)成。
單元U5可選擇具有死區(qū)特性或間隙特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。單元U6為具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。單元U7為具有飽和特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。
5）U8－U16 9 個模擬電路單元：由運算放大器與電阻，電容等器件組成的模擬電路單元。其中U8為反相器。U9－U16的每個單元均有場效應管組成的鎖零電路和運放調(diào)零電路。
（2）控制對象配置
1）ACT-DT1電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)
采用力矩電機，可準確地反應出控制效果，進行電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速通過光電碼盤進行檢測，并轉(zhuǎn)換后輸出 1～10V 轉(zhuǎn)速信號。在面板上設(shè)置有 1 只 0～10V 直流電壓表和 1 只轉(zhuǎn)速表，可用于電壓測量和轉(zhuǎn)速指示。
2）ACT-WKB溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)
該模型采用熱風控制，基于流體溫度控制原理，模仿汽車發(fā)動機燃燒溫度檢測控制。其特點是反應速度快，控制效果好，可滿足《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》等課程的教學要求。
實驗內(nèi)容：
a.模擬調(diào)節(jié)器控制的溫度控制實驗；
b.開環(huán)控制的溫度控制系統(tǒng)實驗；
c.閉環(huán)控制的溫度控制系統(tǒng)實驗；
d.溫度干擾控制系統(tǒng)實驗。
3）ACT-YK4二階液位控制系統(tǒng)
系統(tǒng)由水箱、電源、傳感器、水泵、管路及金屬框架組成。
水箱3只：2只控制水箱和1只儲水箱。2只控制水箱安置在上下兩層，其主要任務是為完成二階液位特性實驗和水箱液位控制實驗。在控制水箱的底部安裝了兩水閥，打開時可以充當干擾的作用。儲水箱的主要作用是儲水用的。向控制水箱提供水，同時也擔任把水回收的重要任務。電源模塊：主要為水泵和傳感器提供電源、系統(tǒng)的反饋信號等。金屬框架：主要安裝水箱、管路、水泵、液位傳感器等實驗元件，構(gòu)成二階液位控制對象：水泵：是系統(tǒng)的供水系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的設(shè)定值和反饋信號達到液位控制的目的。
*（3）上位機控制軟件功能介紹
1）Actlab自動控制理論實驗室軟件說明
采用LabVIEW設(shè)計而成，可進行實驗項目選擇與編輯，數(shù)據(jù)采集，特性曲線的分析、比較、文件存取等。
主要功能:
①數(shù)字顯示幅值和頻率；
②可實現(xiàn)光標跟蹤定位和測量；
③實驗波形的存儲；
④采用同一界面化編程，去除了很多級聯(lián)菜單，可以同時頻域特性兩種表示方式；如頻域?qū)嶒炛�，Bode Plot、Nyquist Plot、X-t Plot均在同一界面顯示，可以同時比較直觀地看到頻域特性兩種表示方式特點。界面豐富,色彩可以根據(jù)需要采用多種色彩組合,界面比較豐富形象化。
⑤可在同一圖形控件中同時顯示多條波形。波形顯示與否是可選的，可以在同一圖形控件中同時顯示多條波形，也可以全部不顯示。
實驗中，增加了"暫停"功能，這一功能將不會使實驗過程中斷，重新開始實驗；實驗過程中可以隨意改變實驗參數(shù)，不需要停止實驗。實驗運行中，也可以隨意更換A/D、D/A端口，不需要停止實驗，只需要將硬件上的接線更換。
實驗波形數(shù)據(jù)是實時采集上來的數(shù)據(jù)，在不"暫停"的情況下，可以改變硬件上的參數(shù)或者軟件上的實驗參數(shù)，采集上來的實驗波形實時更新。
2）LAB_CC計算機控制實驗室軟件說明
LAB_CC計算機控制實驗室軟件與ACCT-III 型實驗臺構(gòu)成了計算機控制技術(shù)實驗系統(tǒng)。計控實驗內(nèi)容覆蓋了計算機控制技術(shù)課程全部知識點，實驗模式包含Matlab仿真實驗、運放模擬對象實驗、實物對象控制實驗。