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自動控制理論及計算機控制技術(shù)實驗系統(tǒng)

一、基本要求

根據(jù)全國統(tǒng)編教材《自動控制理論》、《計算機控制技術(shù)》的實驗教學(xué)要求而設(shè)計，適用于各類本科院校、高職院校相關(guān)專業(yè)的實驗教學(xué)。要求實驗內(nèi)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(nèi)容。

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

要求本系統(tǒng)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(xiàn)硬件在回路控制，完成相關(guān)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(shù)說明

設(shè)備組成：要求由實驗系統(tǒng)、 USB 電纜線、應(yīng)用軟件等組成。

1 、實驗系統(tǒng)：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(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 ）電源單元

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

2 ）信號及數(shù)據(jù)處理單元

產(chǎn)生頻率與幅值可調(diào)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(shù)各知識點進行軟件仿真實驗，還可根據(jù)實際需求進行自主創(chuàng)新實驗。

要求該實驗系統(tǒng)自動控制原理和計算機控制技術(shù)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(xué)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(jié)果，實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn) Actlab 與實驗系統(tǒng)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(xué)生利用模擬器件自行搭建模擬對象，在數(shù)據(jù)采集卡輔助下，使學(xué)生在 Actlab 中觀察模擬系統(tǒng)的實驗結(jié)果，與純仿真結(jié)果進行對比，使學(xué)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(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn) Actlab 與實驗系統(tǒng)間的信號傳輸，針對實際被控系統(tǒng)進行實驗。使學(xué)生了解所學(xué)理論在工程實踐中的應(yīng)用，從而更好的掌握分析和解決實際問題方法。

3 、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：要求包含信號調(diào)理電路、 AD/DA 轉(zhuǎn)換電路、差分放大電路、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速率 300KHz 。 要求其中 2 路 AD 可以實現(xiàn)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(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速率 1MHz ；

3 ） 2 路開關(guān)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(shù)據(jù)通信用。

4 、創(chuàng)新實驗?zāi)Ｊ?

4-1 、要求具有 MATLAB/RTW 的實驗?zāi)Ｊ�，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(xiàn)與上位機的高速數(shù)據(jù)傳輸，對模擬信號實時采樣。

三、 平臺技術(shù)要求

實驗平臺須鋁合金型材拼裝結(jié)構(gòu)，雙層臺板設(shè)計，外形、顏色、尺寸協(xié)調(diào)，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(shù)碼儀表指示工位序號： 3 位 0.8 寸紅色高亮度數(shù)碼顯示；

8 、雙層設(shè)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(guān)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(dǎo)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(dāng)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(cè)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(dāng)位置，（固定 19-24 寸液晶顯示器）；

14 、實驗臺底部右側(cè)位置為金屬材質(zhì)電腦主機托板，表面靜電噴塑處理成暖白色；底部左側(cè)位置為金屬材質(zhì)隔板，表面靜電噴塑處理成暖白色，用以放置其它實驗設(shè)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(zhì)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(diào)高支腳，所有塑料件材質(zhì)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(yīng)； 2 ）典型系統(tǒng)（一階、二階）的時域響應(yīng)和穩(wěn)定性分析； 3 ）線性系統(tǒng)串聯(lián)校正； 4 ）典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）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(tǒng)相平面法； 7 ）非線性系統(tǒng)描述函數(shù)法； 8 ）極點配置線性系統(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 、計算機控制技術(shù)實驗（仿真、模擬實驗）

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 ）最少拍控制的算法研究； 8 ）具有純滯后系統(tǒng)的大林控制算法研究；