自动控制理论及计算机控制技术实验台

一、概述

自动控制理论及计算机控制技术实验台能够满足《自动控制理论》、《计算机控制技术》和《现代控制理论》的实验教学要求，系统可采用模拟、仿真和数字RTW实时控制等多种方法开展实验教学。用户可根据需要选择电机转速控制、温度控制和液位控制系统等实物对象，通过对实物对象的仿真和RTW实时控制实验，来解析速度闭环系统、温度闭环控制等自控和计控经典的控制原理和方法。整个实验装置集运放模拟、实际物理对象、计算机检测与控制于一体，有助于激发学生的实验兴趣，提高学生的理论理解能力和实践动手能力，是各高校理想的实验设备。

二、自动控制理论及计算机控制技术实验台特点

1、系统集模拟、仿真和数字RTW实时控制为一体，实验由浅入深，由模拟到数字循序渐进，将传统和现代的教学模式相结合，便于教和学。

2、实验台除了模拟电路环节，提供了转速闭环系统、温度闭环系统（大滞后）、位置随动系统和二阶液位系统等四种具有代表性的实物为自控和计控的实验对象，供学校选择。

3、系统配置了I/0板卡、数据采集控制板和计算机，可在MATLAB/Simulink环境下实现自控和计控的计算机仿真和硬件在环（HIL）实时控制系统实验。

4、系统提供了“Actlab自动控制理论实验室"（Automatic Control Theory Lab）和LAB_CC计算机控制实验室（LAB_Computer Control）软件，可采用数学建模、软件仿真和RTW实时控制等方法完成实验，使学生通过系统实验建立起科研的思路。

5、提供了开放的硬件和软件开发环境，为学生进行自主创新实验提供了条件；

三、实验项目

1、自动控制理论实验和RTW实时控制实验

1）典型环节的电路模拟与软件仿真研究；

2）典型系统动态性能和稳定性分析；

3）典型环节（或系统）的频率特性测量；

4）线性系统串联校正；

5）典型非线性环节的静态特性；

6）非线性系统相平面法；

7）非线性系统描述函数法；

8）极点配置线性系统全状态反馈控制；

9）采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究；

10）采样控制系统串联校正的混合仿真研究。

2、计算机控制技术的仿真和RTW实时控制实验

1）A/D与D/A转换

2）数字滤波

3）D(S)离散化方法的研究

4）数字PID控制的算法研究

5）串级控制的算法研究

6）解耦控制的算法研究

7）二维模糊控制器特性及其应用的研究

8）线性离散系统全状态反馈控制的算法研究

9）具有纯滞后系统的大林控制算法研究

10）最小拍控制的算法研究

11）积分分离PID控制算法研究

12）Smith预估补偿算法研究

3、实物控制对象的仿真和RTW实时控制

1）直流电机速度闭环系统实验；

2）温度闭环控制系统实验；

3）水箱液位闭环系统实验。

4）角度平衡风机闭环控制系统实验

5）光伏实时追踪闭环控制系统实验

四、实验台技术说明

1、技术条件

1）输入电源：单相220VAC±5%/50Hz，装置容量：< 200VA；

2）工作环境：温度-10℃～＋40℃，相对湿度≤85%，海拔≤4000m；

3）重量：< 50kg；

4）实验台尺寸：L×W×H=1650mm×750mm×780mm；

2、实验台结构说明

由铝合金控制屏、实验模块、实验桌和实验导线等组成。实验模块由交流电源、运放模拟环节、控制计算机（学校自备）及I/O板卡、数据采集控制板和控制对象等组成。

3、系统配置

*（1）控制屏：由电源单元、数据处理单元、元器件单元、3个非线性单元以及9个模拟电路单元等共16个单元组成。

1）U1电源单元：包括电源开关、保险丝、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V 以及0V～15V 可调电源，提供实验工作电源。

2）实时采集数据处理单元：USB2.0接口，内部包含多路A/D采集输入通道和D/A输出通道。

模拟量输入：8路12位A/D采样精度，±10V电平输入，200K采样速率。可同步采集多路模拟量信号输入；

模拟量输出：2路12位D/A输出，±10V电平输出。

数字量通道：8路TTL输入，8路TTL输出。

双踪示波卡功能：双路16位A/D采样精度，1M采样速率，40K采样深度。结合上位机软件，用以实现虚拟示波器、测试信号发生器等功能。

3）U4元器件单元：由运放及外围元器件构成。

4）U5－U7 3 个非线性环节单元：由运放及外围元器件构成。

单元U5可选择具有死区特性或间隙特性的非线性环节模拟电路。单元U6为具有继电特性的非线性环节模拟电路。单元U7为具有饱和特性的非线性环节模拟电路。

5）U8－U16 9 个模拟电路单元：由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元。其中U8为反相器。U9－U16的每个单元均有场效应管组成的锁零电路和运放调零电路。

（2）控制对象配置

1）ACT-DT1电机转速闭环控制系统

采用力矩电机，可准确地反应出控制效果，进行电机转速闭环控制。转速通过光电码盘进行检测，并转换后输出 1～10V 转速信号。在面板上设置有 1 只 0～10V 直流电压表和 1 只转速表，可用于电压测量和转速指示。

2）ACT-WKB温度闭环控制系统

该模型采用热风控制，基于流体温度控制原理，模仿汽车发动机燃烧温度检测控制。其特点是反应速度快，控制效果好，可满足《自动控制原理》、《现代控制理论》等课程的教学要求。

实验内容：

a.模拟调节器控制的温度控制实验；

b.开环控制的温度控制系统实验；

c.闭环控制的温度控制系统实验；

d.温度干扰控制系统实验。 

3）ACT-YK4二阶液位控制系统

系统由水箱、电源、传感器、水泵、管路及金属框架组成。

水箱3只：2只控制水箱和1只储水箱。2只控制水箱安置在上下两层，其主要任务是为完成二阶液位特性实验和水箱液位控制实验。在控制水箱的底部安装了两水阀，打开时可以充当干扰的作用。储水箱的主要作用是储水用的。向控制水箱提供水，同时也担任把水回收的重要任务。电源模块：主要为水泵和传感器提供电源、系统的反馈信号等。金属框架：主要安装水箱、管路、水泵、液位传感器等实验元件，构成二阶液位控制对象：水泵：是系统的供水系统，通过系统的设定值和反馈信号达到液位控制的目的。

4）角度平衡风机闭环控制系统实验

系统由角度传感器，风机、指针挡板、驱动电路框架组成。

2路风机分别安装在挡板两侧，通过控制两侧风机的电压，平衡两侧吹力，使得挡板处于某个固定的设定角度。角度控制范围0-180度，稳定精度要求±3度，驱动两路只要是通过MOS控制风机的风力大小，角度传感器电压转换输出AD采集的电压范围。

5）光伏实时追踪闭环控制系统实验

系统由光敏传感器，电机、驱动电路，调理电路框架组成。

3路光敏传感器，分别检测环境光强、光照左侧和右侧光强，通过两侧光照差值，寻找光源位置。驱动电路通过H桥驱动电机进行正反转，寻找光源位置。调理电路复制采集转换光敏电压，输出给单片机的ADC端口。电源模块负责整体的设备供电，通过采集的电压值和电机控制，精准寻找光源位置，稳定误差不超过±5度。

*（3）上位机控制软件功能介绍

1）Actlab自动控制理论实验室软件说明

采用LabVIEW设计而成，可进行实验项目选择与编辑，数据采集，特性曲线的分析、比较、文件存取等。

主要功能:

①数字显示幅值和频率；

②可实现光标跟踪定位和测量；

③实验波形的存储；

④采用同一界面化编程，去除了很多级联菜单，可以同时频域特性两种表示方式；如频域实验中，Bode Plot、Nyquist Plot、X-t Plot均在同一界面显示，可以同时比较直观地看到频域特性两种表示方式特点。界面丰富,色彩可以根据需要采用多种色彩组合,界面比较丰富形象化。

⑤可在同一图形控件中同时显示多条波形。波形显示与否是可选的，可以在同一图形控件中同时显示多条波形，也可以全部不显示。

实验中，增加了“暂停"功能，这一功能将不会使实验过程中断，重新开始实验；实验过程中可以随意改变实验参数，不需要停止实验。实验运行中，也可以随意更换A/D、D/A端口，不需要停止实验，只需要将硬件上的接线更换。

实验波形数据是实时采集上来的数据，在不“暂停"的情况下，可以改变硬件上的参数或者软件上的实验参数，采集上来的实验波形实时更新。

2）LAB_CC计算机控制实验室软件说明

LAB_CC计算机控制实验室软件与ACCT-III 型实验台构成了计算机控制技术实验系统。计控实验内容覆盖了计算机控制技术课程全部知识点，实验模式包含Matlab仿真实验、运放模拟对象实验、实物对象控制实验。