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自動控制理論及計算機技術(shù)實訓裝置

一、MY-313D 自動控制理論及計算機技術(shù)實訓裝置-概述
能夠滿足《自動控制理論》、《計算機控制技術(shù)》和《現(xiàn)代控制理論》的實驗教學要求,系統(tǒng)可采用模擬、仿真和數(shù)字RTW實時控制等多種方法開展實驗教學。用戶可根據(jù)需要選擇電機轉(zhuǎn)速控制、溫度控制和液位控制系統(tǒng)等實物對象,通過對實物對象的仿真和RTW實時控制實驗,來解析速度閉環(huán)系統(tǒng)、溫度閉環(huán)控制等自控和計控經(jīng)典的控制原理和方法。整個實驗裝置集運放模擬、實際物理對象、計算機檢測與控制于一體,有助于激發(fā)學生的實驗興趣,提高學生的理論理解能力和實踐動手能力,是各高校理想的實驗設(shè)備。

                                                           (參考圖片)
二、產(chǎn)品特點
1、系統(tǒng)集模擬、仿真和數(shù)字RTW實時控制為一體,實驗由淺入深,由模擬到數(shù)字循序漸進,將傳統(tǒng)和現(xiàn)代的教學模式相結(jié)合,便于教和學。
2、實驗臺除了模擬電路環(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物為自控和計控的實驗對象,供學校選擇。
3、系統(tǒng)配置了I/0板卡、數(shù)據(jù)采集控制板和計算機,可在MATLAB/Simulink環(huán)境下實現(xiàn)自控和計控的計算機仿真和硬件在環(huán)(HIL)實時控制系統(tǒng)實驗。
4、系統(tǒng)提供了“Actlab自動控制理論實驗室”(Automatic Control Theory Lab)和LAB_CC計算機控制實驗室(LAB_Computer Control)軟件,可采用數(shù)學建模、軟件仿真和RTW實時控制等方法完成實驗,使學生通過系統(tǒng)實驗建立起科研的思路。
5、提供了開放的硬件和軟件開發(fā)環(huán)境,為學生進行自主創(chuàng)新實驗提供了條件;
三、實驗項目
1、自動控制理論實驗和RTW實時控制實驗
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)的仿真和RTW實時控制實驗
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)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)估補償算法研究
3、實物控制對象的仿真和RTW實時控制
1)直流電機速度閉環(huán)系統(tǒng)實驗;
2)溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗;
3)水箱液位閉環(huán)系統(tǒng)實驗。
4)角度平衡風機閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
5)光伏實時追蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
四、實驗臺技術(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)實驗臺尺寸:L×W×H=1650mm×750mm×780mm;
2、實驗臺結(jié)構(gòu)說明
由鋁合金控制屏、實驗?zāi)K、實驗桌和實驗導線等組成。實驗?zāi)K由交流電源、運放模擬環(huán)節(jié)、控制計算機(學校自備)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)、保險絲、+5V、-5V、+15V、-15V、0V 以及0V~15V 可調(diào)電源,提供實驗工作電源。
2)實時采集數(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)合上位機軟件,用以實現(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放調(diào)零電路。
(2)控制對象配置
1)ACT-DT1電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)
采用力矩電機,可準確地反應(yīng)出控制效果,進行電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速通過光電碼盤進行檢測,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)
該模型采用熱風控制,基于流體溫度控制原理,模仿汽車發(fā)動機燃燒溫度檢測控制。其特點是反應(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》等課程的教學要求。
實驗內(nèi)容:
a.模擬調(diào)節(jié)器控制的溫度控制實驗;
b.開環(huán)控制的溫度控制系統(tǒng)實驗;
c.閉環(huán)控制的溫度控制系統(tǒng)實驗;
d.溫度干擾控制系統(tǒng)實驗。
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驗和水箱液位控制實驗。在控制水箱的底部安裝了兩水閥,打開時可以充當干擾的作用。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、液位傳感器等實驗元件,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)定值和反饋信號達到液位控制的目的。
4)角度平衡風機閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
系統(tǒng)由角度傳感器,風機、指針擋板、驅(qū)動電路框架組成。
2路風機分別安裝在擋板兩側(cè),通過控制兩側(cè)風機的電壓,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控制風機的風力大小,角度傳感器電壓轉(zhuǎn)換輸出AD采集的電壓范圍。
5)光伏實時追蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
系統(tǒng)由光敏傳感器,電機、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、光照左側(cè)和右側(cè)光強,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)動電機進行正反轉(zhuǎn),尋找光源位置。調(diào)理電路復制采集轉(zhuǎn)換光敏電壓,輸出給單片機的ADC端口。電源模塊負責整體的設(shè)備供電,通過采集的電壓值和電機控制,精準尋找光源位置,穩(wěn)定誤差不超過±5度。
*(3)上位機控制軟件功能介紹
1)Actlab自動控制理論實驗室軟件說明
采用LabVIEW設(shè)計而成,可進行實驗項目選擇與編輯,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可實現(xiàn)光標跟蹤定位和測量;
③實驗波形的存儲;
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)嶒炛,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。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。
實驗中,增加了“暫停”功能,這一功能將不會使實驗過程中斷,重新開始實驗;實驗過程中可以隨意改變實驗參數(shù),不需要停止實驗。實驗運行中,也可以隨意更換A/D、D/A端口,不需要停止實驗,只需要將硬件上的接線更換。
實驗波形數(shù)據(jù)是實時采集上來的數(shù)據(jù),在不“暫停”的情況下,可以改變硬件上的參數(shù)或者軟件上的實驗參數(shù),采集上來的實驗波形實時更新。
2)LAB_CC計算機控制實驗室軟件說明
LAB_CC計算機控制實驗室軟件與ACCT-III 型實驗臺構(gòu)成了計算機控制技術(shù)實驗系統(tǒng)。計控實驗內(nèi)容覆蓋了計算機控制技術(shù)課程全部知識點,實驗?zāi)J桨琈atlab仿真實驗、運放模擬對象實驗、實物對象控制實驗。

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