自動控制理論及計算機控制技術實驗平臺

一、自動控制理論及計算機控制技術實驗平臺產品概述

本實驗平臺是自動控制/計算機控制、信號與系統三合一的教學實驗系統。它采用模塊式結構，具有各種型式和階次的模擬環節和控制系統。還可進行以微機為控制平臺的計算機控制技術實驗教學，做到一機多用。

二、自動控制理論及計算機控制技術實驗平臺技術指標：

1、輸入電壓：單相三線～220V±10% 50Hz

2、裝置容量：＜1kVA

3、工作環境：溫度-10℃～+40℃相對濕度<85％(25℃)

4、外形尺寸：單個實訓臺尺寸為1.6m×0.7m×1.15m。

三、產品特點：

1、緊扣教學大綱、內容簡潔、重點突出：對課程的大部分章節均提供有實驗項目，使實驗內容具有教學性和通用性，同時也使學生通過實驗環節更透徹得掌握原理性的知識。

2、電路模塊化設計：實驗單元均以模塊來劃分，實驗名稱與模塊名相對應。模塊內的電路在相應的位置畫出，使實驗者一目了然。

3、結構緊湊，性能穩定、可靠；擴展性強，可自行設計實驗電路。

4、選配Proteus仿真軟件，可以模擬仿真信號系統里邊各種功能電路，同時適配示波器、邏輯分析儀、信號發生器等虛擬儀器，方便電路的分析研究，以提高學生的綜合能力。

5、配置專門儀器儀表架、實驗操作使用方便，儀器擺放整潔有序。

    6、增加實驗系統就可以增加相應的實驗項目，不受空間限制，靈活機動，節省實驗平臺建設，節省實驗室。

四、產品結構：

裝置由儀器架、電源控制箱、實驗桌、自控/計控、信號與系統教學實驗系統、移動矮柜、學生凳等組成。實驗裝置支架與實驗桌可組合、可拆裝。支架與桌腳一體，鋁合金結構。

（一）儀器架：儀器架置于實訓臺頂部，由截面尺寸：70mm×70mm，高性能表面氧化的鋁型材、雙面噴塑鋼板及一次成型鋁壓鑄框架連接構件構成（非焊接工藝），外形美觀，結構牢固耐用。儀器架底部裝有隱藏式扁平形照明LED燈，光源集中柔和明亮，外形美觀。

（二）電源控制箱：電源控制箱鋁型材結構，內嵌多組交流220V儀器儀表工作電源插座，并設有獨立漏電保護開關，電源控制箱置于儀器架下部，儀器儀表電用安全方便。并裝有LED燈控制開關。

（三）實訓桌結構：

實訓桌規格為1600（長）*700（寬）*1150（高），設有一個鍵盤托一個抽屜，桌子下部靠后右邊有一個電腦主機箱托。實驗桌主體結構全部采用高性能表面氧化的鋁型材及一次成型鋁壓鑄框架連接構件，連接構件采用壓鑄成型工藝（非焊接工藝），經機加工、拋丸、噴砂，表面靜電噴涂工藝，安裝方便、快捷，用戶可自行DIY組裝。桌體立柱采用工業鋁型材成型工藝，表面氧化處理，截面尺寸：70mm×70mm，四面帶槽，槽寬約8mm，端部裝有注塑成型配套塑料堵頭。桌面采用25mmE1級三聚氰胺飾面板，桌面板下設支撐框架，承受力不少于300kg。配備儲存柜，存放元件及工具，儲存柜底部4只高強度萬向可制動PU腳輪，方便移動。

實驗桌后面二支截面尺寸70mm×70mm桌腳向上延伸，與一次成型鋁壓鑄框架連接構件構成（非焊接工藝）牢固的支架，與儀器架、電源控制箱組成一個完整的實訓屏。

（五）儲存柜1個：配備儲存柜，存放實訓模塊及工具，儲存柜底部4只高強度萬向可制動PU腳輪，方便移動。

（六）學生凳2張：鋼木結構。

（七）實驗器材：自控/計控、信號與系統的教學實驗系統1套，技術與構成說明：

A、自控/計控：

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、核心系統：采用8088微處理器，方便計算機控制技術軟件編程；RS232總線接口與上位機通訊（可以USB接口通信），含有上位機總清復位和人工總清復位電路， 含有自動鎖零和人工鎖零功能。

3、函數發生器：實驗機自帶信號測量和信號顯示模塊

可測量信號電壓（-5V～+5V）、頻率、溫度、轉速等參數。

4、階躍信號發生器：由手控階躍發生（0/+5v、-5v/+5v），幅度控制（電位器），非線性輸出組。

5、函數信號發生器：能輸出正弦波、斜波、方波、矩型波、繼電特性、飽和特性、死區特性和間隙特性，有開關切換，同時有數碼管顯示波形相關信息。正弦波信號頻率范圍0.1HZ~2HZ和0.8HZ~50HZ兩檔,分辨率是0.1HZ和1HZ,其他波形頻率范圍是0.1HZ~250HZ,分辨率是0.1HZ。波形信號的幅值范圍-6V~+6V，幅值分辨率是0.1V,失真度不大于0.5%。阻抗不大于50Ω。

6、運算模擬單元：提供8個OP07基本運放模擬單元（實驗用），每單元的輸入回路有6組0.5%精度電阻、或 5%精度電容，反饋回路有7組0.5%精度電阻、或5%精度電容，和1個運算放大器組成。另有擴展運放模擬單元，其一可調零放大器，構成比例環節、慣性環節、積分環節、比例微分環節，PID環節和典型的二階、三階系統等；其二校正網絡庫，可構成各種校正環節；其三是2組整形模塊。

7、提供阻容元件庫：250K、500K電位器，2組0-999.9K直讀式可變電阻，多組電容。

8、1組D/A輸出:電壓0～5V 或–5V～+5V。

9、4路A/D輸入:其中有2個通道為0～+5v電壓輸入，2個通道為-5v～+5v電壓輸入。

10、2組采樣保持器及單穩單元電路。

11、提供精密基準電壓+Vref和-Vref。

12、定時和中斷單元：2組定時計數器和2路中斷源。

13、提供虛擬示波器：

1）2個通道模擬信號輸入：可測量相平面顯示，頻域對數幅頻、相頻曲線，幅相曲線等。

2）示波器的時域顯示方式：示波器的相平面顯示（X-Y）方式；示波器的頻率特性顯示方式有對數幅頻特性顯示、對數相頻特性顯示（伯德圖），幅相特性顯示方式（奈奎斯特圖），時域分析（弧度）顯示方式。

3）示波器的計算機控制顯示方式。

14、外圍控制對象

1）步進電機（35BY48）轉速、轉角控制 。

2）直流電機（BY25）脈沖測速輸出及電壓測速輸出。  

3）溫度模塊可調脈沖寬度輸入控制及電壓輸入控制加熱，熱敏電阻測溫（0℃～76.5℃）。

15、支持二次開發：除模擬運算單元、函數發生器外，本實驗機的8253定時器、8259中斷控制器、模數轉換器，數模轉換器地址也開放給用戶。

16、機箱：堅固型鋁合金框架，厚實的 ABS 塑料包角，參考外形尺寸 480×360×120mm。

B、信號與系統：

硬件模塊組成：

1、電源輸入模塊：：提供+5V/1.0A、-5V/0.5A、+12V/0.5A、-12V/0.5A的電源輸出,配LH-DB電源保護板時，有欠壓、過壓、過流和短路報警功能，在上述情況發生時自動切斷系統電源，故障排除后，自動恢復。

2、信號源模塊：

提供五種波形信號：正弦波、三角波、方波、矩形波、掃頻信號。

信號的頻率范圍：9Hz—100KHz，分四個頻段。

信號的頻率、幅度、占空比和掃速勻可調。

3、頻率計：四位數顯，測量范圍1Hz-300KHz，量程自動切換。

4、毫伏表：三位半數顯，測量范圍0～10V，頻率范圍0～100KHz。

4、模擬濾波器模塊

6、無失真傳輸系統

7、一階電路暫態響應模塊

8、二階電路傳輸特性模塊

9、二階網絡狀態軌跡模塊

10、二階電路暫態響應模塊

11、階躍響應與沖激響應模塊

12、抽樣定理模塊

13、AM調制解調模塊

14、FDM頻分復用模塊

15、信號分解與合成模塊

16、電路元件擴展區

17、機箱：鋁合金材料，綠色環保，造型美觀大方。參考外形尺寸：440×340×100MM

軟件配置

   1、選配Proteus仿真軟件，可以模擬仿真信號系統里邊各種功能電路，同時適配示波器、邏輯分析儀、信號發生器等虛擬儀器，方便電路的分析研究，以提高學生的綜合能力。

五、實驗內容

（一）自動控制實驗 

1、線性系統的時域分析：1）典型環節的模擬研究 ；2)二階系統瞬態響應和穩定性;3)三階系統的瞬態響應和穩定性。

2、線性控制系統的頻域分析（伯德圖、奈氏圖）：1）慣性環節的頻率特性曲線；2）二階閉環系統的頻率特性曲線；3）二階開環系統的頻率特性曲線 ；4）  頻率特性的時域分析。

3、非線性系統的相平面分析：1）典型非線性環節；2）二階非線性控制系統：3）三階非線性控制系統。

4、線性系統的校正與狀態反饋:1)線性系統的校正；① 頻域法串聯超前校正；② 時域法串聯比例微分校正；③ 時域法比例反饋校正 ；④ 時域法微分反饋校正；2)線性系統的狀態反饋及極點配置 。

5、采樣控制系統分析

6、模擬直流電機閉環調速實驗

7、模擬溫度閉環控制實驗

（二）計算機控制技術實驗

1、數/模轉換實驗

2、模/數轉換實驗

3、采樣與保持：1）采樣實驗；2）采樣/保持器實驗；3）采樣/保持控制系統分析舉例。

4、平滑與數字濾波實驗 ：1）微分與平滑 ；2）數字濾波 。

5、數字PID控制實驗：1）標準PID控制算法，2）積分分離PID控制算法：3）非線性PID控制算法；4）積分分離--砰砰復式PID控制算法

6、最少拍控制系統 ：1）最少拍有紋波系統；2）最少拍無紋波設計；3）最少拍控制系統設計舉例。

7、大林算法：1）有明顯振鈴現象的大林算法及振鈴消除 ；2）有微弱振鈴現象的大林算法及振鈴消除；3）無振鈴現象的大林算法。

8、多變量解耦控制：1）多變量解耦控制設計；2）多變量解耦控制設計。

9、微機控制的二次開發

（三）控制系統實驗 

1、直流電機閉環調速實驗

2、溫度閉環控制實驗

3、步進電機調速實驗

4、模擬/數字混合溫度閉環控制實驗

（四）信號與系統實驗

1、基本運算單元實驗

2、階躍響應與沖激響應實驗

3、連續時間系統的模擬實驗

4、有源、無源濾波器實驗

5、抽樣定理與信號恢復實驗

6、一階電路的暫態響應實驗

7、二階電路傳輸特性實驗、二階網絡狀態軌跡的顯示實驗、二階電路的暫態響應實驗

8、二階網絡函數的模擬實驗

9、矩形脈沖信號的分解實驗和矩形脈沖信號的合成實驗

10、諧波幅度對波形合成的影響實驗

11、AM調制與解調

12、FDM頻分復用實驗

13、信號的無失真傳輸

六、配置表