自動控制理論及計算機控制技術實驗臺

一、概述

自動控制理論及計算機控制技術實驗臺能夠滿足《自動控制理論》、《計算機控制技術》和《現代控制理論》的實驗教學要求，系統(tǒng)可采用模擬、仿真和數字RTW實時控制等多種方法開展實驗教學。用戶可根據需要選擇電機轉速控制、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備。

二、自動控制理論及計算機控制技術實驗臺特點

1、系統(tǒng)集模擬、仿真和數字RTW實時控制為一體，實驗由淺入深，由模擬到數字循序漸進，將傳統(tǒng)和現代的教學模式相結合，便于教和學。

2、實驗臺除了模擬電路環(huán)節(jié)，提供了轉速閉環(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、數據采集控制板和計算機，可在MATLAB/Simulink環(huán)境下實現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)串聯校正的混合仿真研究。

2、計算機控制技術的仿真和RTW實時控制實驗

1）A/D與D/A轉換

2）數字濾波

3）D(S)離散化方法的研究

4）數字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。

4）角度平衡風機閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗

5）光伏實時追蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗

四、實驗臺技術說明

1、技術條件

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、實驗臺結構說明

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、數據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、數據處理單元、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、保險絲、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V 以及0V～15V 可調電源，提供實驗工作電源。

2）實時采集數據處理單元：USB2.0接口，內部包含多路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。結合上位機軟件，用以實現虛擬示波器、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零電路。

（2）控制對象配置

1）ACT-DT1電機轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)

采用力矩電機，可準確地反應出控制效果，進行電機轉速閉環(huán)控制。轉速通過光電碼盤進行檢測，并轉換后輸出 1～10V 轉速信號。在面板上設置有 1 只 0～10V 直流電壓表和 1 只轉速表，可用于電壓測量和轉速指示。

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》、《現代控制理論》等課程的教學要求。

實驗內容：

a.模擬調節(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)的設定值和反饋信號達到液位控制的目的。

4）角度平衡風機閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗

系統(tǒng)由角度傳感器，風機、指針擋板、驅動電路框架組成。

2路風機分別安裝在擋板兩側，通過控制兩側風機的電壓，平衡兩側吹力，使得擋板處于某個固定的設定角度。角度控制范圍0-180度，穩(wěn)定精度要求±3度，驅動兩路只要是通過MOS控制風機的風力大小，角度傳感器電壓轉換輸出AD采集的電壓范圍。

5）光伏實時追蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗

系統(tǒng)由光敏傳感器，電機、驅動電路，調理電路框架組成。

3路光敏傳感器，分別檢測環(huán)境光強、光照左側和右側光強，通過兩側光照差值，尋找光源位置。驅動電路通過H橋驅動電機進行正反轉，尋找光源位置。調理電路復制采集轉換光敏電壓，輸出給單片機的ADC端口。電源模塊負責整體的設備供電，通過采集的電壓值和電機控制，精準尋找光源位置，穩(wěn)定誤差不超過±5度。

*（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設計而成，可進行實驗項目選擇與編輯，數據采集，特性曲線的分析、比較、文件存取等。

主要功能:

①數字顯示幅值和頻率；

②可實現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，去除了很多級聯菜單，可以同時頻域特性兩種表示方式；如頻域實驗中，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，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。

實驗波形數據是實時采集上來的數據，在不“暫停"的情況下，可以改變硬件上的參數或者軟件上的實驗參數，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 型實驗臺構成了計算機控制技術實驗系統(tǒng)。計控實驗內容覆蓋了計算機控制技術課程全部知識點，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。