SB-ZKYLB自控計控原理實驗箱
自控計控原理實驗箱適用于自動化、電氣工程等專業(yè)的實驗教學(xué)，可開展自動控制原理、計算機控制、信號處理等課程的實驗，如PID控制、信號濾波、單片機控制電機等實驗，幫助學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。
自控計控原理實驗箱、集成多種功能模塊，實現(xiàn)從信號發(fā)生、處理到控制執(zhí)行的完整流程，支持模擬與數(shù)字控制技術(shù)的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰εc工程應(yīng)用能力。
自控計控原理實驗箱、自動控制原理與計算機控制實驗箱、電機控制模塊：包含直流電機、步進電機模塊，可用于電機調(diào)速、位置控制等實驗。信號與采集模塊：設(shè)有信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集（虛擬示波器）模塊，能生成并采集各類電信號。控制與編程模塊：具備控制器、單片機自編程模塊，支持控制算法的實現(xiàn)與單片機程序開發(fā)。運算放大與電路區(qū)：包含多個運算放大器電路和阻容備用區(qū)，可構(gòu)建各類模擬電路。
一、系統(tǒng)組成
1、電源
輸入單相三線～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(tǒng)
采用主從方式多CPU結(jié)構(gòu)。CPUA：為主控處理器，用于系統(tǒng)管理，與上位機通訊，數(shù)據(jù)采集及計控實驗等；CPUB：為輔控處理器，用于信號源發(fā)生及自控實驗等；CPUC：為自編程處理器，用于提供用戶二次開發(fā)的單片機自編程。各CPU 均采用C8051F410芯片，自帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，提供11個實驗用基本運放模擬單元，構(gòu)成比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)，PID環(huán)節(jié)和典型的二階、三階系統(tǒng)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，或同時發(fā)生兩種不同類型信號，其輸出幅度、寬度、頻率、斜率可在PC機界面上設(shè)置。
②提供繼電特性、飽和特性、死區(qū)特性、間隙特性、延遲特性等的非線性環(huán)節(jié)輸出，其輸出幅度、寬度、斜率可在PC機界面上設(shè)置。
③每個實驗范例都提供信號源默認值。
7、頻率特性測試模塊
實驗機自帶掃頻功能，在頻率特性中采用掃頻方式，自動生成閉環(huán)、開環(huán)伯德圖及奈氏曲線（六個），在一個界面上全部顯示，觀察時可任選一個進行放大顯示（可多次、反復(fù)選擇），觀察方便直觀。
可自動搜索諧振峰值或穿越頻率。
8、數(shù)據(jù)采集／虛擬示波器模塊
在示波器界面分成上、下兩塊顯示區(qū)，可同時有多達七個通道顯示。在自動控制原理實驗中供虛擬示波器顯示用，在計算機控制技術(shù)實驗中即供虛擬示波器顯示用，又可作為控制器模塊輸入。數(shù)據(jù)采集精度為12位（bit）。
9、控制器模塊CPUA
在計算機控制技術(shù)實驗中用于計算機的控制計算與輸出。A/D、D/A轉(zhuǎn)換精度為12位。PID控制及直接數(shù)字控制實驗的控制參數(shù)（包括采樣周期）可在界面上直接設(shè)定和修改，每項范例實驗的控制參數(shù)（包括采樣周期），都在界面上向用戶提供了默認值。
10、溫控、直流電機、步進電機模塊
①溫控模塊由溫度載體和功率放大器、調(diào)節(jié)器、溫度傳感器、T／V轉(zhuǎn)換器等組成，可
進行離散增量型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(qū)動功率放大器、調(diào)節(jié)器、電機轉(zhuǎn)速檢測傳感器、F/V
轉(zhuǎn)換器等組成，可進行直流電機轉(zhuǎn)速數(shù)字PID閉環(huán)控制。
③進電機模塊由步進電機及指針等組成，可進行步進電機轉(zhuǎn)速數(shù)字四相四拍、四相八拍
方式工作，正、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制，并提供實驗范例。
11、外設(shè)接口模塊
提供外設(shè)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驗。
二、實驗項目
1、自動控制原理實驗項目
1) 線性系統(tǒng)的時域分析實驗：
●典型環(huán)節(jié)的模擬研究
● 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性
●三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性
2)線性控制系統(tǒng)的頻域分析實驗：
●一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線
●二階閉環(huán)和開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線實驗
3)線性系統(tǒng)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
● 時域法串聯(lián)比例微分校正
● 時域法局部比例反饋校正
● 時域法微分反饋校正
● 線性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋及極點配
4)非線性系統(tǒng)的相平面分析實驗：
● 典型環(huán)節(jié)的模擬研究
● 二階非線性控制系統(tǒng)
● 三階非線性控制系統(tǒng)
2、計算機控制技術(shù)實驗項目
1）采樣與保持
●采樣實驗
●采樣控制
2）微分與數(shù)字濾波
●一階微分反饋控制
●四點微分均值反饋控制
●模擬一階慣性數(shù)字濾波
●四點加權(quán)平均數(shù)字濾波
3）數(shù)字PID控制
a)被控對象辨識
●對象開環(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(qū)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：單閉環(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(tǒng)
● 最少拍無紋波控制系統(tǒng)
3、控制系統(tǒng)應(yīng)用實驗項目
(1)直流電機PID轉(zhuǎn)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)步進電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角控制
三、實驗箱配置
序號名稱說明數(shù)量
1主機箱含機箱、工作電源、常用信號源、實驗電路區(qū)等1臺
2交流電源線1.5m1根
32號實驗導(dǎo)線40cm25根
4串口通信線（2、3直通）1.5m1根
5實驗指導(dǎo)書2本
附：使用本實驗箱需配套儀器儀表：電腦、萬用表和示波器（可以選配，實驗箱上自帶示波器）。
三、系統(tǒng)特點
1、被控對象采用模塊式結(jié)構(gòu)
采用模塊式結(jié)構(gòu)將使被控對象構(gòu)建方便，只須采用短路套跨接及少量模塊間的聯(lián)線就能構(gòu)造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)，直觀且簡化了實驗操作和設(shè)備管理。
2、時域分析界面
可同時有多達七個通道顯示，可拖動界面上標尺測X軸（時間值）和Y軸（幅度值），波形可上、下、左、右隨意移動，X、Y軸比例可隨意修改，每個實驗只運行一個實驗工作周期，如果運行時間超過界面時，將繼續(xù)滾動顯示，停止后將自動停在起始位置。每個實驗在界面上顯示該實驗范例的原理圖，便于用戶脫開實驗指導(dǎo)書進行實驗，見附件1。
在非線性系統(tǒng)實驗時有相平面顯示方式，見附件3。
3、頻域分析界面
頻域分析界面可由用戶隨意選擇設(shè)置所需測試的頻率點(最多為60點)，系統(tǒng)集成軟件按頻率設(shè)置點，一次生成該實驗系統(tǒng)的閉環(huán)和開環(huán)對數(shù)幅頻特性曲線、對數(shù)相頻特性曲線（伯德圖），幅相特性曲線（奈奎斯特圖），共六種特性曲線，并在一個界面上全部顯示，供用戶使用。測試完成后，將同時自動形成閉環(huán)、開環(huán)伯德圖及奈氏曲線（連續(xù)曲線）；用戶可在曲線上隨意增添頻率點，查找曲線上各頻率點的各特征參數(shù)，例如諧振頻率、諧振峰值，穿越頻率、相位裕度等。
實驗過程中，對每個頻率點測試完成后，在界面上將同步顯示該角頻率 的閉環(huán)和開環(huán)L、 、Im、Re數(shù)值。
在所選頻率點全部測試完成后，可移動 標尺讀出各頻率點的相應(yīng)數(shù)值。
頻域分析界面也可由用戶根據(jù)被測對象的頻率特性設(shè)置一個最低頻率點和一個最高頻率點，然后采用諧振峰值或穿越頻率搜索方式，讓實驗機自動畫出頻率特性曲線，無須用戶費心設(shè)置各頻率點，見附件2。
用戶還可在界面上點擊《測試數(shù)據(jù)》，讀出已測頻率點的L、 等值，分析實驗情況。
4、計算機控制技術(shù)實驗
PID控制及直接數(shù)字控制實驗的控制參數(shù)（包括采樣周期）可在界面上直接設(shè)定和修改，而不用在程序上進行復(fù)雜的修改設(shè)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(shù)的方法既直觀又方便，免去了修改編寫程序時所花的大量精力。
每項范例實驗的控制參數(shù)（包括采樣周期），都在界面上向用戶提供了默認值。
5、多種自編程計控實驗平臺
(1)C平臺自編程
C平臺自編程計控實驗是通過VC6.0開發(fā)環(huán)境用C語言進行編寫計控實驗程序。集成開發(fā)環(huán)境界面如圖5所示。用戶進入該界面編寫控制程序，或打開范例文件夾，調(diào)出控制系統(tǒng)參考源程序，進行編譯、連接、加載、運行，見附件5。
用戶自行編寫的控制程序?qū)⒃赑C機上全速運行，等待實驗機的《開始》和《停止》信號，按采樣周期讀取實驗系統(tǒng)的輸出值，計算出控制值輸出，進行算法控制。
(2)單片機自編程
單片機自編程計控實驗通過C8051FXXX單片機開發(fā)環(huán)境用C51語言進行編寫計控實驗程序，集成開發(fā)環(huán)境界面如圖6所示。用戶進入該界面編寫控制程序，或打開范例文件夾，調(diào)出控制系統(tǒng)參考源程序，進行編譯、連接、加載、運行，見附件6。
用戶自行編寫的控制程序?qū)⒃趯嶒灆C單片機自編程（B5）模塊上全速運行，等待實驗機的《開始》和《停止》信號，按采樣周期讀取實驗系統(tǒng)的輸出值，計算出控制值輸出，進行算法控制。
每項實驗都向用戶提供范例程序。
