一、概述

自動控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺能夠滿足《自動控制理論》、《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》和《現(xiàn)代控制理論》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，系統(tǒng)可采用模擬、仿真和數(shù)字RTW實(shí)時控制等多種方法開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。用戶可根據(jù)需要選擇電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、溫度控制和液位控制系統(tǒng)等實(shí)物對象，通過對實(shí)物對象的仿真和RTW實(shí)時控制實(shí)驗(yàn)，來解析速度閉環(huán)系統(tǒng)、溫度閉環(huán)控制等自控和計(jì)控經(jīng)典的控制原理和方法。整個實(shí)驗(yàn)裝置集運(yùn)放模擬、實(shí)際物理對象、計(jì)算機(jī)檢測與控制于一體，有助于激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提高學(xué)生的理論理解能力和實(shí)踐動手能力，是各高校理想的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

二、自動控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺特點(diǎn)

1、系統(tǒng)集模擬、仿真和數(shù)字RTW實(shí)時控制為一體，實(shí)驗(yàn)由淺入深，由模擬到數(shù)字循序漸進(jìn)，將傳統(tǒng)和現(xiàn)代的教學(xué)模式相結(jié)合，便于教和學(xué)。

2、實(shí)驗(yàn)臺除了模擬電路環(huán)節(jié)，提供了轉(zhuǎn)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(shí)物為自控和計(jì)控的實(shí)驗(yàn)對象，供學(xué)校選擇。

3、系統(tǒng)配置了I/0板卡、數(shù)據(jù)采集控制板和計(jì)算機(jī)，可在MATLAB/Simulink環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自控和計(jì)控的計(jì)算機(jī)仿真和硬件在環(huán)（HIL）實(shí)時控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

4、系統(tǒng)提供了“Actlab自動控制理論實(shí)驗(yàn)室"（Automatic Control Theory Lab）和LAB_CC計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)室（LAB_Computer Control）軟件，可采用數(shù)學(xué)建模、軟件仿真和RTW實(shí)時控制等方法完成實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了條件；

三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

1、自動控制理論實(shí)驗(yàn)和RTW實(shí)時控制實(shí)驗(yàn)

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(lián)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(shù)法；

8）極點(diǎn)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(lián)校正的混合仿真研究。

2、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的仿真和RTW實(shí)時控制實(shí)驗(yàn)

1）A/D與D/A轉(zhuǎn)換

2）數(shù)字濾波

3）D(S)離散化方法的研究

4）數(shù)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(yīng)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(yù)估補(bǔ)償算法研究

3、實(shí)物控制對象的仿真和RTW實(shí)時控制

1）直流電機(jī)速度閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；

2）溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；

3）水箱液位閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

4）角度平衡風(fēng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

5）光伏實(shí)時追蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

四、實(shí)驗(yàn)臺技術(shù)說明

1、技術(shù)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(shí)驗(yàn)臺尺寸：L×W×H=1650mm×750mm×780mm；

2、實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)說明

由鋁合金控制屏、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、實(shí)驗(yàn)桌和實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線等組成。實(shí)驗(yàn)?zāi)K由交流電源、運(yùn)放模擬環(huán)節(jié)、控制計(jì)算機(jī)（學(xué)校自備）及I/O板卡、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(guān)、保險(xiǎn)絲、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V 以及0V～15V 可調(diào)電源，提供實(shí)驗(yàn)工作電源。

2）實(shí)時采集數(shù)據(jù)處理單元：USB2.0接口，內(nèi)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?？赏讲杉嗦纺M量信號輸入；

模擬量輸出：2路12位D/A輸出，±10V電平輸出。

數(shù)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(jié)合上位機(jī)軟件，用以實(shí)現(xiàn)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(yùn)放及外圍元器件構(gòu)成。

4）U5－U7 3 個非線性環(huán)節(jié)單元：由運(yùn)放及外圍元器件構(gòu)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(yùn)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(yīng)管組成的鎖零電路和運(yùn)放調(diào)零電路。

（2）控制對象配置

1）ACT-DT1電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

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

2）ACT-WKB溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)

該模型采用熱風(fēng)控制，基于流體溫度控制原理，模仿汽車發(fā)動機(jī)燃燒溫度檢測控制。其特點(diǎn)是反應(yīng)速度快，控制效果好，可滿足《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》等課程的教學(xué)要求。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

a.模擬調(diào)節(jié)器控制的溫度控制實(shí)驗(yàn)；

b.開環(huán)控制的溫度控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；

c.閉環(huán)控制的溫度控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；

d.溫度干擾控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。 

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(wù)是為完成二階液位特性實(shí)驗(yàn)和水箱液位控制實(shí)驗(yàn)。在控制水箱的底部安裝了兩水閥，打開時可以充當(dāng)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(dān)任把水回收的重要任務(wù)。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(shí)驗(yàn)元件，構(gòu)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(shè)定值和反饋信號達(dá)到液位控制的目的。

4）角度平衡風(fēng)機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)由角度傳感器，風(fēng)機(jī)、指針擋板、驅(qū)動電路框架組成。

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

5）光伏實(shí)時追蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)由光敏傳感器，電機(jī)、驅(qū)動電路，調(diào)理電路框架組成。

3路光敏傳感器，分別檢測環(huán)境光強(qiáng)、光照左側(cè)和右側(cè)光強(qiáng)，通過兩側(cè)光照差值，尋找光源位置。驅(qū)動電路通過H橋驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，尋找光源位置。調(diào)理電路復(fù)制采集轉(zhuǎn)換光敏電壓，輸出給單片機(jī)的ADC端口。電源模塊負(fù)責(zé)整體的設(shè)備供電，通過采集的電壓值和電機(jī)控制，精準(zhǔn)尋找光源位置，穩(wěn)定誤差不超過±5度。

*（3）上位機(jī)控制軟件功能介紹

1）Actlab自動控制理論實(shí)驗(yàn)室軟件說明

采用LabVIEW設(shè)計(jì)而成，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇與編輯，數(shù)據(jù)采集，特性曲線的分析、比較、文件存取等。

主要功能:

①數(shù)字顯示幅值和頻率；

②可實(shí)現(xiàn)光標(biāo)跟蹤定位和測量；

③實(shí)驗(yàn)波形的存儲；

④采用同一界面化編程，去除了很多級聯(lián)菜單，可以同時頻域特性兩種表示方式；如頻域?qū)嶒?yàn)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(diǎn)。界面豐富,色彩可以根據(jù)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(shí)驗(yàn)中，增加了“暫停"功能，這一功能將不會使實(shí)驗(yàn)過程中斷，重新開始實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)過程中可以隨意改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，不需要停止實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，也可以隨意更換A/D、D/A端口，不需要停止實(shí)驗(yàn)，只需要將硬件上的接線更換。

實(shí)驗(yàn)波形數(shù)據(jù)是實(shí)時采集上來的數(shù)據(jù)，在不“暫停"的情況下，可以改變硬件上的參數(shù)或者軟件上的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，采集上來的實(shí)驗(yàn)波形實(shí)時更新。

2）LAB_CC計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)室軟件說明

LAB_CC計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)室軟件與ACCT-III 型實(shí)驗(yàn)臺構(gòu)成了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。計(jì)控實(shí)驗(yàn)內(nèi)容覆蓋了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程全部知識點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ桨琈atlab仿真實(shí)驗(yàn)、運(yùn)放模擬對象實(shí)驗(yàn)、實(shí)物對象控制實(shí)驗(yàn)。