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SB-ZKYLB自控計控原理實(shí)驗系統
自控計控原理實(shí)驗系統本實(shí)驗箱是自控/計控二合一的教學(xué)實(shí)驗系統。它采用模塊式結構，可構造出各種型式和階次的模擬環(huán)節和控制系統。還可進(jìn)行以微機為控制平臺的計算機控制技術(shù)實(shí)驗教學(xué)，做到一機多用。
圖片僅供參考
一、系統組成
1、電源
輸入單相三線(xiàn)～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、CPU系統
采用主從方式多CPU結構。CPUA：為主控處理器，用于系統管理，與上位機通訊，數據采集及計控實(shí)驗等；CPUB：為輔控處理器，用于信號源發(fā)生及自控實(shí)驗等；CPUC：為自編程處理器，用于提供用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)的單片機自編程。各CPU 均采用C8051F410芯片，自帶A/D、D/A轉換，轉換精度均為12位（bit）。
3、與電腦通訊
采用RS232串口聯(lián)接，也可加接USB轉RS232聯(lián)接電纜，與電腦USB口聯(lián)接。
4、被控對象（運算模擬單元）
采用模塊式結構，提供11個(gè)實(shí)驗用基本運放模擬單元，構成比例環(huán)節、慣性環(huán)節、積分環(huán)節、比例微分環(huán)節，PID環(huán)節和典型的二階、三階系統等。
5、阻容元件庫
0-999.9K直讀式可變電阻，250K電位器，多組電容。
6、信號源模塊CPUB
① 提供矩形波、正弦波、斜坡、階躍波、方波、微分脈沖等的單信號源，或同時(shí)發(fā)生兩種不同類(lèi)型信號，其輸出幅度、寬度、頻率、斜率可在PC機界面上設置。
②提供繼電特性、飽和特性、死區特性、間隙特性、延遲特性等的非線(xiàn)性環(huán)節輸出，其輸出幅度、寬度、斜率可在PC機界面上設置。
③每個(gè)實(shí)驗范例都提供信號源默認值。
7、頻率特性測試模塊
實(shí)驗機自帶掃頻功能，在頻率特性中采用掃頻方式，自動(dòng)生成閉環(huán)、開(kāi)環(huán)伯德圖及奈氏曲線(xiàn)（六個(gè)），在一個(gè)界面上全部顯示，觀(guān)察時(shí)可任選一個(gè)進(jìn)行放大顯示（可多次、反復選擇），觀(guān)察方便直觀(guān)。
可自動(dòng)搜索諧振峰值或穿越頻率。
8、數據采集／虛擬示波器模塊
在示波器界面分成上、下兩塊顯示區，可同時(shí)有多達七個(gè)通道顯示。在自動(dòng)控制原理實(shí)驗中供虛擬示波器顯示用，在計算機控制技術(shù)實(shí)驗中即供虛擬示波器顯示用，又可作為控制器模塊輸入。數據采集精度為12位（bit）。
9、控制器模塊CPUA
在計算機控制技術(shù)實(shí)驗中用于計算機的控制計算與輸出。A/D、D/A轉換精度為12位。PID控制及直接數字控制實(shí)驗的控制參數（包括采樣周期）可在界面上直接設定和修改，每項范例實(shí)驗的控制參數（包括采樣周期），都在界面上向用戶(hù)提供了默認值。
10、溫控、直流電機、步進(jìn)電機模塊
①溫控模塊由溫度載體和功率放大器、調節器、溫度傳感器、T／V轉換器等組成，可
進(jìn)行離散增量型PID閉環(huán)控制、PWM方式PID閉環(huán)控制、位式閉環(huán)控制及外接烤箱PID閉環(huán)控制。
②直流電機模塊由直流電機和電機驅動(dòng)功率放大器、調節器、電機轉速檢測傳感器、F/V
轉換器等組成，可進(jìn)行直流電機轉速數字PID閉環(huán)控制。
③進(jìn)電機模塊由步進(jìn)電機及指針等組成，可進(jìn)行步進(jìn)電機轉速數字四相四拍、四相八拍
方式工作，正、反轉及轉速控制，并提供實(shí)驗范例。
11、外設接口模塊
提供外設的擴展接口，例如烤箱的溫度控制。
12、選購件
①單片機自編程模塊CPUC：在單片機自編程計控實(shí)驗中用于計算機的控制計算與輸出。
②C平臺自編程模塊
③U-EC5仿真模塊，用于單片微處理器自編程計控實(shí)驗。
二、實(shí)驗項目
1、自動(dòng)控制原理實(shí)驗項目
1) 線(xiàn)性系統的時(shí)域分析實(shí)驗：
●典型環(huán)節的模擬研究
● 二階系統的瞬態(tài)響應和穩定性
●三階系統的瞬態(tài)響應和穩定性
2)線(xiàn)性控制系統的頻域分析實(shí)驗：
●一階慣性環(huán)節的頻率特性曲線(xiàn)
●二階閉環(huán)和開(kāi)環(huán)系統的頻率特性曲線(xiàn)實(shí)驗
3)線(xiàn)性系統的校正與狀態(tài)反饋：
● 頻域法串聯(lián)超前校正
● 頻域法串聯(lián)遲后校正
● 時(shí)域法串聯(lián)比例微分校正
● 時(shí)域法局部比例反饋校正
● 時(shí)域法微分反饋校正
● 線(xiàn)性系統的狀態(tài)反饋及極點(diǎn)配
4)非線(xiàn)性系統的相平面分析實(shí)驗：
● 典型環(huán)節的模擬研究
● 二階非線(xiàn)性控制系統
● 三階非線(xiàn)性控制系統
2、計算機控制技術(shù)實(shí)驗項目
1）采樣與保持
●采樣實(shí)驗
●采樣控制
2）微分與數字濾波
●一階微分反饋控制
●四點(diǎn)微分均值反饋控制
●模擬一階慣性數字濾波
●四點(diǎn)加權平均數字濾波
3）數字PID控制
a)被控對象辨識
●對象開(kāi)環(huán)辨識
●對象閉環(huán)辨識
b)二階PID控制
●位置型PID控制
●增量型PID控制
●積分分離PID控制
●帶死區PID控制
●型位置型PID控制
●型增量型PID控制
●帶有延遲對象PID控制
c)三階PID控制：
●位置型PID控制
●型位置型PID控制
●型增量型PID控制
d)串級PID控制
●二階串級PID控制
●三階串級PID控制
e)比值PID控制：?jiǎn)伍]環(huán)／雙閉環(huán)比值控制
●單閉環(huán)比值PID控制
●雙閉環(huán)比值PID控制
f)前饋-反饋控制
●靜態(tài)前饋-反饋PID控制
●動(dòng)態(tài)前饋-反饋PID控制
g)解耦控制
●靜態(tài)前饋補償解耦PID控制
●動(dòng)態(tài)前饋補償解耦PID控制
4）二階位式控制
5)大林算法控制
●大林算法控制
●消除振鈴大林算法控制
6)最少拍控制
●最少拍有紋波控制系統
● 最少拍無(wú)紋波控制系統
3、控制系統應用實(shí)驗項目
(1)直流電機PID轉速控制
(2)溫度增量型PID控制
(3)溫度PWM方式PID控制
(4)溫度位式控制
(5)烤箱位式控制
(6)步進(jìn)電機轉速、轉角控制
三、實(shí)驗箱配置
序號名稱(chēng)說(shuō)明數量
1主機箱含機箱、工作電源、常用信號源、實(shí)驗電路區等1臺
2交流電源線(xiàn)1.5m1根
32號實(shí)驗導線(xiàn)40cm25根
4串口通信線(xiàn)（2、3直通）1.5m1根
5實(shí)驗指導書(shū)2本
附：使用本實(shí)驗箱需配套儀器儀表：電腦、萬(wàn)用表和示波器（可以選配，實(shí)驗箱上自帶示波器）。
三、系統特點(diǎn)
1、被控對象采用模塊式結構
采用模塊式結構將使被控對象構建方便，只須采用短路套跨接及少量模塊間的聯(lián)線(xiàn)就能構造出各種型式和階次的模擬環(huán)節，直觀(guān)且簡(jiǎn)化了實(shí)驗操作和設備管理。
2、時(shí)域分析界面
可同時(shí)有多達七個(gè)通道顯示，可拖動(dòng)界面上標尺測X軸（時(shí)間值）和Y軸（幅度值），波形可上、下、左、右隨意移動(dòng)，X、Y軸比例可隨意修改，每個(gè)實(shí)驗只運行一個(gè)實(shí)驗工作周期，如果運行時(shí)間超過(guò)界面時(shí)，將繼續滾動(dòng)顯示，停止后將自動(dòng)停在起始位置。每個(gè)實(shí)驗在界面上顯示該實(shí)驗范例的原理圖，便于用戶(hù)脫開(kāi)實(shí)驗指導書(shū)進(jìn)行實(shí)驗，見(jiàn)附件1。
在非線(xiàn)性系統實(shí)驗時(shí)有相平面顯示方式，見(jiàn)附件3。
3、頻域分析界面
頻域分析界面可由用戶(hù)隨意選擇設置所需測試的頻率點(diǎn)(最多為60點(diǎn))，系統集成軟件按頻率設置點(diǎn)，一次生成該實(shí)驗系統的閉環(huán)和開(kāi)環(huán)對數幅頻特性曲線(xiàn)、對數相頻特性曲線(xiàn)（伯德圖），幅相特性曲線(xiàn)（奈奎斯特圖），共六種特性曲線(xiàn)，并在一個(gè)界面上全部顯示，供用戶(hù)使用。測試完成后，將同時(shí)自動(dòng)形成閉環(huán)、開(kāi)環(huán)伯德圖及奈氏曲線(xiàn)（連續曲線(xiàn)）；用戶(hù)可在曲線(xiàn)上隨意增添頻率點(diǎn)，查找曲線(xiàn)上各頻率點(diǎn)的各特征參數，例如諧振頻率、諧振峰值，穿越頻率、相位裕度等。
實(shí)驗過(guò)程中，對每個(gè)頻率點(diǎn)測試完成后，在界面上將同步顯示該角頻率的閉環(huán)和開(kāi)環(huán)L、 、Im、Re數值。
在所選頻率點(diǎn)全部測試完成后，可移動(dòng)標尺讀出各頻率點(diǎn)的相應數值。
頻域分析界面也可由用戶(hù)根據被測對象的頻率特性設置一個(gè)最低頻率點(diǎn)和一個(gè)最高頻率點(diǎn)，然后采用諧振峰值或穿越頻率搜索方式，讓實(shí)驗機自動(dòng)畫(huà)出頻率特性曲線(xiàn)，無(wú)須用戶(hù)費心設置各頻率點(diǎn)，見(jiàn)附件2。
用戶(hù)還可在界面上點(diǎn)擊《測試數據》，讀出已測頻率點(diǎn)的L、 等值，分析實(shí)驗情況。
4、計算機控制技術(shù)實(shí)驗
PID控制及直接數字控制實(shí)驗的控制參數（包括采樣周期）可在界面上直接設定和修改，而不用在程序上進(jìn)行復雜的修改設定，以免破壞原有的控制程序。這種直接在界面上修改控制參數的方法既直觀(guān)又方便，免去了修改編寫(xiě)程序時(shí)所花的大量精力。
每項范例實(shí)驗的控制參數（包括采樣周期），都在界面上向用戶(hù)提供了默認值。
5、多種自編程計控實(shí)驗平臺
(1)C平臺自編程
C平臺自編程計控實(shí)驗是通過(guò)VC6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)計控實(shí)驗程序。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境界面如圖5所示。用戶(hù)進(jìn)入該界面編寫(xiě)控制程序，或打開(kāi)范例文件夾，調出控制系統參考源程序，進(jìn)行編譯、連接、加載、運行，見(jiàn)附件5。
用戶(hù)自行編寫(xiě)的控制程序將在PC機上全速運行，等待實(shí)驗機的《開(kāi)始》和《停止》信號，按采樣周期讀取實(shí)驗系統的輸出值，計算出控制值輸出，進(jìn)行算法控制。
(2)單片機自編程
單片機自編程計控實(shí)驗通過(guò)C8051FXXX單片機開(kāi)發(fā)環(huán)境用C51語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)計控實(shí)驗程序，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境界面如圖6所示。用戶(hù)進(jìn)入該界面編寫(xiě)控制程序，或打開(kāi)范例文件夾，調出控制系統參考源程序，進(jìn)行編譯、連接、加載、運行，見(jiàn)附件6。
用戶(hù)自行編寫(xiě)的控制程序將在實(shí)驗機單片機自編程（B5）模塊上全速運行，等待實(shí)驗機的《開(kāi)始》和《停止》信號，按采樣周期讀取實(shí)驗系統的輸出值，計算出控制值輸出，進(jìn)行算法控制。
每項實(shí)驗都向用戶(hù)提供范例程序。
