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自動控制理論及計算機控制技術實驗系統

一、基本要求

根據全國統編教材《自動控制理論》、《計算機控制技術》的實驗教學要求而設計，適用于各類本科院校、高職院校相關專業(yè)的實驗教學。要求實驗內容循序漸進，除了運放模擬實驗外，還包含 MATLAB 仿真實驗和 RTW 實時控制實驗內容。

要求實驗系統集運放模擬單元、實際物理對象、計算機數據采集控制于一體，有助于激發(fā)學生的實驗興趣，深化理論教學，提高學生的學生工程實踐的能力。

要求本系統在 MATLAB/Simulink 中 RTW 模式支持下，可對運放模擬單元和實物控制對象實現硬件在回路控制，完成相關閉環(huán)控制實驗。要求上位機軟件功能豐富，具有實驗所需的各種測量功能。

二、技術說明

設備組成：要求由實驗系統、 USB 電纜線、應用軟件等組成。

1 、實驗系統：模擬實驗區(qū)

控制理論實驗箱主要由電源單元、信號源單元、與 PC 機進行通訊的數據處理單元、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 ）電源單元

提供電源開關、保險絲、＋ 5V 、－ 5V 、＋ 15V 、－ 15V 、 0V 以及 1.3V ～ 15V 可調電壓的輸出等；

2 ）信號及數據處理單元

產生頻率與幅值可調的周期方波信號、周期斜坡信號、周期拋物線信號以及正弦信號，并提供與周期階躍、斜坡、拋物線信號相配合的周期鎖零信號；

3 ）元器件單元；

4 ） 3 個非線性環(huán)節(jié)單元；

5 ） 9 個模擬電路單元；

2 、上位機軟件功能要求

上位機軟件基于 MATLAB 軟件 GUI 功能開發(fā)，利用 Matlab 的仿 真功能，可對自動控制理論、計算機控制技術各知識點進行軟件仿真實驗，還可根據實際需求進行自主創(chuàng)新實驗。

要求該實驗系統自動控制原理和計算機控制技術均可完成以下三種類型實驗：仿真實驗、模擬實驗、實物控制實驗。

（ 1 ）仿真實驗：要求 Actlab 利用 Matlab 的仿真功能，對自動控制理論各知識點進行軟件仿真實驗。使學生熟悉基本的實驗環(huán)境、仿真軟件，在純仿真條件下觀察實驗結果，實現對理論知識的加深和鞏固；

（ 2 ）模擬實驗：要求 Actlab 利用 Simulink 中 RTW （ Real-time Windows Target ）控制模式，并利用數據采集卡實現 Actlab 與實驗系統間的信號傳輸，在時域和頻域兩方面對自動控制理論知識點進行實驗。允許學生利用模擬器件自行搭建模擬對象，在數據采集卡輔助下，使學生在 Actlab 中觀察模擬系統的實驗結果，與純仿真結果進行對比，使學生了解仿真與模擬方法間的不同，更好的對實驗中知識點進行理解與掌握；

（ 3 ）實物控制實驗：要求 Actlab 利用 Simulink 中 RTW （ Real-time Windows Target ）控制模式，和數據采集卡實現 Actlab 與實驗系統間的信號傳輸，針對實際被控系統進行實驗。使學生了解所學理論在工程實踐中的應用，從而更好的掌握分析和解決實際問題方法。

3 、數據采集系統：要求包含信號調理電路、 AD/DA 轉換電路、差分放大電路、數據通訊接口等。硬件資源如下：

1 ） 6 路模擬量輸入：輸入電壓 0- ± 10V ， 6 路獨立 AD 轉換，轉換速率 300KHz 。 要求其中 2 路 AD 可以實現量程切換，便于在測量小信號的時候更精確；

2 ） 2 路模擬量輸出：要求輸出電壓 0- ± 10V ， 2 路獨立 DA 轉換，轉換速率 1MHz ；

3 ） 2 路開關量輸出信號： TTL 電平，可作為鎖零信號用；

4 ）要求實時板卡安裝在目標機的 PCI 接口上，作采集控制板和上位機之間數據通信用。

4 、創(chuàng)新實驗模式

4-1 、要求具有 MATLAB/RTW 的實驗模式，解決仿真實驗與實際實驗不相符情況。配置 PCI 實時板卡，可實現與上位機的高速數據傳輸，對模擬信號實時采樣。

三、 平臺技術要求

實驗平臺須鋁合金型材拼裝結構，雙層臺板設計，外形、顏色、尺寸協調，與實驗室的環(huán)境、條件相匹配。

1 、輸入電源：單相三線，交流 220V ± 10% ， 50HZ ；

2 、容量：≦ 1.5KVA ；

3 、參考尺寸： 1600 × 800 × 1300mm （長 X 寬 X 高）；

4 、安全保護：接地保護，漏電保護（動作電流＜ 30mA ），過載保護；

6 、電源指示燈指示電源狀態(tài)通斷；

7 、可選數碼儀表指示工位序號： 3 位 0.8 寸紅色高亮度數碼顯示；

8 、雙層設計，上層為隔板，下層為實驗臺面，隔板下方帶 LED 照明（ 16W ），照明開關獨立控制；

9 、實驗臺四只主立柱采用截面尺寸不小于 70X70mm 工業(yè)鋁合金型材，型材四角圓弧不小于 R15mm ，型材表面噴砂氧化處理成本色，型材 - 導軌符合 GB/T6892-2015 標準；

10 、主立柱連接件需采用高強度鋁合金壓鑄件，表面拋丸后噴塑處理；

11 、臺面上方適當位置安裝電源殼體，殼體需采用工業(yè)鋁合金型材，型材表面噴砂氧化處理成本色，插座、漏電保護裝置、指示儀表均安裝在殼體面板上，殼體需拆卸簡單、維修方便；

13 、臺面上方右側安裝鋁合金液晶顯示器支架一只，固定在主立柱型材的適當位置，（固定 19-24 寸液晶顯示器）；

14 、實驗臺底部右側位置為金屬材質電腦主機托板，表面靜電噴塑處理成暖白色；底部左側位置為金屬材質隔板，表面靜電噴塑處理成暖白色，用以放置其它實驗設備和物品；

15 、底部拉桿采用參考尺寸 1.5mmX20mmX80mm 冷軋電鍍鋅方鋼管制作，表面靜電噴塑處理；

16 、臺面材質采用 16mm 厚抗貝特板，表面顏色選用暖白色，尺寸規(guī)格為 1600X800mm ；

17 、臺面上方距離 450mm 處為上層隔板，隔板采用 16mm 厚抗貝特板，表面顏色選用暖白色，參考尺寸為 1600X350mm ；

18 、主立柱型材頭部需采用塑料件封頭，底部安裝可調高支腳，所有塑料件材質為 ABS ；

四、實驗項目

1 、自動控制原理實驗（仿真、模擬實驗）

1 ）典型環(huán)節(jié)的時域響應； 2 ）典型系統（一階、二階）的時域響應和穩(wěn)定性分析； 3 ）線性系統串聯校正； 4 ）典型環(huán)節(jié)（或系統）的頻率特性測量； 5 ）典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)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(tài)反饋控制； 9 ）采樣控制系統動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析的混合仿真研究； 10 ）采樣控制系統串聯校正的混合仿真研究。

2 、計算機控制技術實驗（仿真、模擬實驗）

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 ）最少拍控制的算法研究； 8 ）具有純滯后系統的大林控制算法研究；