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，來解析速度閉環系統、溫度閉環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節，提供了轉速閉環系統、溫度閉環系統（大滯后）、位置隨動系統和二階液位系統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、系統配置了I/0板卡、數據采集控制板和計算機，可在MATLAB/Simulink環境下實現自控和計控的計算機仿真和硬件在環（HIL）實時控制系統實驗。

4、系統提供了“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，使學生通過系統實驗建立起科研的思路。

5、提供了開放的硬件和軟件開發環境，為學生進行自主創新實驗提供了條件；

三、實驗項目

1、自動控制理論實驗和RTW實時控制實驗

1）典型環節的電路模擬與軟件仿真研究；

2）典型系統動態性能和穩定性分析；

3）典型環節（或系統）的頻率特性測量；

4）線性系統串聯校正；

5）典型非線性環節的靜態特性；

6）非線性系統相平面法；

7）非線性系統描述函數法；

8）極點配置線性系統全狀態反饋控制；

9）采樣控制系統動態性能和穩定性分析的混合仿真研究；

10）采樣控制系統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）線性離散系統全狀態反饋控制的算法研究

9）具有純滯后系統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）直流電機速度閉環系統實驗；

2）溫度閉環控制系統實驗；

3）水箱液位閉環系統實驗。

4）角度平衡風機閉環控制系統實驗

5）光伏實時追蹤閉環控制系統實驗

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、運放模擬環節、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 個非線性環節單元：由運放及外圍元器件構成。

單元U5可選擇具有死區特性或間隙特性的非線性環節模擬電路。單元U6為具有繼電特性的非線性環節模擬電路。單元U7為具有飽和特性的非線性環節模擬電路。

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電機轉速閉環控制系統

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溫度閉環控制系統

該模型采用熱風控制，基于流體溫度控制原理，模仿汽車發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.模擬調節器控制的溫度控制實驗；

b.開環控制的溫度控制系統實驗；

c.閉環控制的溫度控制系統實驗；

d.溫度干擾控制系統實驗。 

3）ACT-YK4二階液位控制系統

系統由水箱、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：是系統的供水系統，通過系統的設定值和反饋信號達到液位控制的目的。

4）角度平衡風機閉環控制系統實驗

系統由角度傳感器，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）光伏實時追蹤閉環控制系統實驗

系統由光敏傳感器，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。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。