SGZKJ-01A自动控制理论及计算机控制技术实验台

一、概述
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、产品特点
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。
★五、配套教学资源（共配1套，5台以下无此项配置）：
（一）在线教育课程开放平台（具有软件著作权，配1个登录帐号）:
1、本系统是互通教学多元化管理平台，将用户传统的各个平台系统实施整合，集中互通管理，解决多平台、多账号难以管理、数据库分散无法集中统计等问题。系统包含了：在线教务管理系统、在线课程资源管理平台、在线习题库平台、在线考试考核平台、线上视频课程管理平台及线上虚拟仿真教学管理平台，真正意义的一站互通数据集中统计！
2、课程资源：多个微课视频实拍采集教学视频素材，后期影视包装，片头10秒左右，片尾5秒左右，视频尺寸不低于1920*1080，视频格式MP4、FLV等；多个虚拟仿真内容采用unity引擎开发，在pc端win系统上运行（win7、win8、win10，注不包含win xp）软件。
3、为了教学的统一性要求在线教育平台与实训装置是同一个生产商！
4、在线教育开放平台资源库（提供软件截图，主要功能截图内容根据以下要求逐一提供）：
★（1）《模拟电子技术》课程要包括：1 .常用半导体器件（1.1 半导体的基本知识、1.2 二极管、1.3 三极管、1.4半导体器件的识别与检测），2. 直流稳压电源（2.1 整流电路、2.2 滤波电路、2.3 稳压电路），3. 基本放大电路（3.1 放大电路的基本知识、3.2 基本共射极放大电路、3.3 分压式偏置共射放大电路3.4 共集电极放大电路），4. 功率放大电路（互补对称功率放大电路），5 .差动放大电路与集成运算放大器，6. 放大电路中的反馈（6.1 反馈的基本概念、6.2 负反馈对放大电路性能的影响），7 .集成运算放大器的应用（7.1 集成运放的应用基础、7.2 集成运放的线性应用），8. 正弦波振荡器（8.1 正弦波振荡电路概述、8.2 RC 正弦波振荡电路）。
★（2）数字电子技术》课程要包括：1.章数字电路基础（逻辑函数的卡诺图化简法） ，2.逻辑门（集成逻辑门电路），3.电路集成触发器 （3.1 主从触发器3.2边沿触发器3.3 CMOS 集成触发器），4.时序逻电路（4.1时序逻辑电路的分析、4.2时序逻辑电路的分析），5.脉冲波形的产生与整形电路（5.1多谐振荡器、5.2施密特触发器、5.3.555 定时器及其应用）
★（3）《电子产品设计制作》课程要包括：项目一 智能电子时钟（数码管结构、共阳数码管字形码、共阴数码管字形码、电子时钟效果演示），项目二 电子秤（称重传感器工作原理、电子秤效果演示），项目三 电子寻迹小车（电机驱动、电机调速、红外寻迹原理、红外避障原理、小车寻迹效果演示、小车避障效果演示、超声波测距原理、小车前进后退转弯调速）
★（4）《嵌入式技术应用》课程要包括：
教学项目 1（认识 STM32 固件库、STM32 固件库关键子目录和文件、嵌入式系统、ARM Cortex-M3 处理器、STM32 系列处理器），
教学项目 2（认识 STM32 的 I/O 口、STM32 的GPIO初始化和输入输出库函数、Cortex-M3 工作模式及状态、Cortex-M3 寄存器组、Cortex-M3 特殊功能寄存器组、STM32 相关结构体、Cortex-M3 处理器结构、STM32 系统结构、STM32 时钟配置），
教学项目 3（认识数码管、数码管静态显示电路硬件连接、认识Coretex-M3 存储器、Cortex-M3 存储器映射、STM32 存储器映射、数码管动态扫描显示电路硬件连接、位带区与位带别名区、位带操作）
教学项目 4（认识嵌入式应用技术与开发的核心板、GPIO 寄存器地址映射、端口复用使用、端口复用重映射、STM32 中断通道、STM32 外部中断、STM32 中断优先级、STM32 外部中断编程、）
教学项目 5（SysTick 定时器、库函数中的 SysTick 相关函数、SysTick 的关键函数编写、认识 STM32 定时器、STM32 定时器与定时相关的寄存器、STM32 定时器相关的库函数、STM32 的 PWM 输出相关寄存器、STM32 的 PWM 输出编程思路、STM32 的 PWM 输出相关库函数）
教学项目 6（串行通信基本知识、STM32 的USART 串口、STM32 串口的相关寄存器、STM32 串口相关函数、认识WIFI 通信模块、认识 Zigbee 通信模块、ZigBee 通信模块使用）
教学项目 7（STM32 模数转换简介、STM32 的 ADC 结构STM32 模数转换相关寄存器、STM32 的 ADC 设置、ADC 相关的库函数）
（二）仿真软件
1、三菱PLC与变频器仿真教学软件（网络版，具有软件著作权）
产品技术要求
软件PLC产品依据中华人民共和国劳动和劳动安全行业标准（LD/T81.2－2006）《“维修电工”职业技能实训和鉴定设备技术规范》与教育部有关专业教学大纲而设计研制，包括可编程控制器和变频器在内的26个项目，每个项目又根据需要设有：实训目的、实训器件、器件布局、I/O分配、T型图、电路连接、通电运行等多种模块，基本涵盖了国家维修电工中级、高级和技师鉴定考核对于可编程控制器和变频器的应知应会全部要求。软件以技能为核心，项目为引领，任务为驱动，职场环境为背景，操作步骤为主线，以学生交互训练为主体，具有三维可视化、智能化、全交互的特点，集职业性、情境性、过程性、交互性和灵活性于一身，性价比极高。该软件不仅可以作为实训教学应用，其大量的原理动画演示也可以作为助教型软件素材应用于课堂教学环节。为电气自动化、机电一体化等电工电子专业的技能实训、鉴定信息化、现代化提供了丰富不可或缺的教学资源。 
产品内容要求

级别	内容	备注
中级	PLC工作原理控制、程序的执行过程、电动机的起停控制、电动机的正反转控、电动机循环正反转控制、三速电动机控制
高级	星/角起动控制、电动机正反转能耗制动控制、彩灯循环控制、数码管的点亮控制、大小球传送装置控制、简易机械手的控制
技师	电镀生产线的控制、自动交通灯的控制、皮带运输线的控制、工业洗衣机的控制、恒压供水系统的控制、小推车控制、停车场车位的控制、变频器的PU操作、变频器的EXT操作、变频器的组合操作
综合	手持编程器的操作、X62W万能铣车、Z3050摇臂钻床、CA6140型车床

2、单片机仿真教学软件参数方案（网络版、具有软件著作权）
（1）软件能达到的教学目标
1.1 本产品是参照《职业教育数字校园建设规范》，结合专业培养目标对学生知识、能力和素质的要求，着眼学生能力培养，以模块化教学内容为核心，重新组织教学结构，整体构建课程体系，有针对性地将单片机专业内单一的教学活动，通过虚拟仿真实训和工作过程模拟组合成不同的教学模块。
1.2 所有的实训项目均基于实物三维建模，形成真实感极强的虚拟实训环境，使学习者能在几乎真实的环境下操作练习，增强实际操作感，提高掌握实际技能的能力；所有的技能训练均是通过交互方式，变“让学生观摩教师表演”为“让学生学习中动手、动手中学习”，理论和实际无缝衔接，提高实际操作技能；所有的操作都具有严格的工艺流程和操作步骤，使学习者通过规范的训练，养成正确操作的习惯，培养学习者科学严紧、一丝不苟的职业素养。
（2）软件能达到的教学效果
2.1 产品是依据中华人民共和国劳动和劳动安全行业标准（LD/T81.2－2006）《“维修电工”职业技能实训和鉴定设备技术规范》与教育部有关专业教学大纲设计研制，包括可编程控制器和变频器在内的26个项目，每个项目又根据需要设有：实训目的、实训器件、器件布局、I/O分配、T型图、电路连接、通电运行等多种模块，涵盖了国家维修电工中级、高级和技师鉴定考核对于可编程控制器和变频器的应知应会全部要求。
2.2 软件以技能为核心，项目为引领，任务为驱动，职场环境为背景，操作步骤为主线，以学生交互训练为主体，具有三维可视化、智能化、全交互的特点，集职业性、情境性、过程性、交互性和灵活性于一身。作为实训教学应用，具有大量的原理动画演示，助教素材应用于课堂教学环节，提供了丰富不可或缺的教学资源。
2.3 软件支持实习实训的导训过程，达到预习、强化、模拟考核、反复试错、探索创新的目的。
2.4 软件具有先进性、实用性，可二次修改；软件支持校园网内不限制（指定）终端、不少于100人同时在线实训。
（3）模块内容:1、查找大小数。2、航标灯控制。3、计数报警器。4、数码管显示。5、循环灯点亮。6、霓虹灯控制。7、算数运算器。8、继电器控制。9、 倒计时音乐报警器。10、数据传送。