FCDC-1型自動控制理論計算機控制技術實驗裝置

一、概述(shu)

（一）本(ben)實驗平臺主要(yao)用于“自動控制(zhi)(zhi)原理?計算機控制(zhi)(zhi)技術”的(de)實驗教學以(yi)及對計算機控制(zhi)(zhi)算法(fa)的(de)研究(jiu)，主要(yao)由(you)數據采集(ji)卡、虛(xu)擬儀(yi)器、上位機軟(ruan)件以(yi)及可以(yi)任(ren)意(yi)組合(he)的(de)運放(fang)單元組成。

（二）系統具有(you)集成一體化的先(xian)進(jin)精密結構，將高性能的控(kong)(kong)制原理實驗(yan)平(ping)臺和(he)控(kong)(kong)制專用測量(liang)與分析儀器等集成在一個實驗(yan)平(ping)臺上。

（三）整個實(shi)(shi)(shi)驗(yan)裝(zhuang)置由硬件部(bu)分和系(xi)(xi)統(tong)(tong)軟(ruan)件組成：硬件部(bu)分由實(shi)(shi)(shi)驗(yan)平臺(tai)、多(duo)個掛件、實(shi)(shi)(shi)驗(yan)模(mo)塊組成；系(xi)(xi)統(tong)(tong)軟(ruan)件包(bao)括系(xi)(xi)統(tong)(tong)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)軟(ruan)件、系(xi)(xi)統(tong)(tong)管理軟(ruan)件組成，系(xi)(xi)統(tong)(tong)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)軟(ruan)件用來完成實(shi)(shi)(shi)驗(yan)臺(tai)對功能掛箱(xiang)的(de)計算機(ji)控制，包(bao)括參(can)數的(de)靈活(huo)設(she)置。

二、平臺技術

（一）實(shi)驗(yan)(yan)平臺主要(yao)由電(dian)源(yuan)儀器(qi)模塊(kuai)箱(xiang)(xiang)、鋁型材(cai)實(shi)驗(yan)(yan)桌(zhuo)、實(shi)驗(yan)(yan)掛箱(xiang)(xiang)、儀器(qi)儀表等組成；實(shi)驗(yan)(yan)桌(zhuo)桌(zhuo)面為(wei)防火、防水、耐磨高(gao)密度板，實(shi)驗(yan)(yan)裝置主框(kuang)架采用四根(gen)75mm×75mm優質歐標型(xing)材(cai)（單面邊長(chang)33mm+中縫9mm+邊長33mm），四周采用成型“8”字型鋁材支(zhi)架固定，安(an)裝螺絲采用M8+滑塊(kuai)螺(luo)母，設計有(you)(you)帶門可(ke)拆卸的(de)鈑金機箱，所有(you)(you)模(mo)塊(kuai)采(cai)用(yong)激光雕(diao)刻工藝(yi)，30度專用防火材料模(mo)具制作，具有2個專用(yong)拉手(shou)，采用(yong)平衡線路供電，為確保(bao)產品為成熟(shu)產品。

（二）技術(shu)性能

1.輸入(ru)電源：單相三線220V±10% 50Hz；

2.裝置容量：＜200VA；

3.外(wai)形尺寸(cun)約1560mm×750mm×1200mm（具體應可根據用戶需求調(diao)整）；

（三(san)）電源控制部分：所有模塊采用彩色噴(pen)涂工藝，具(ju)有2個(ge)專用拉(la)手，30度(du)ABS開模帶(dai)底座機箱，操作面板尺寸195mm×300mm；實驗掛件均采用30度ABS絕緣開模底座機(ji)箱

1.交(jiao)流電(dian)源模塊：提供(gong)220V交流(liu)電源(yuan)，交流(liu)電源(yuan)經空氣開(kai)關控(kong)制后輸出(chu)，面板上設(she)有鑰匙開(kai)關、啟動、停止以及急停按鈕，整體(ti)設(she)計成獨立模塊，可(ke)以單獨使用，系統(tong)(tong)內置(zhi)一套(tao)“智能(neng)自動故障檢測(ce)系統(tong)(tong)”，采用高可(ke)靠電子測(ce)量模塊，采用6路隔離芯片級電流快(kuai)速檢測(ce)集成芯片設計，32位CPU快(kuai)速計算與(yu)人工智能分(fen)析電路(lu)故障類(lei)型，完(wan)成切斷直接(jie)短路(lu)及過流(liu)保護等快(kuai)速保護，實現(xian)“0”內阻電路保護措施，

模塊(kuai)詳細介紹如(ru)下(xia)：因設備使用時(shi)(shi)(shi)誤(wu)操作導(dao)致設備出現短路、過流、漏電等現狀時(shi)(shi)(shi)，智(zhi)能(neng)保(bao)(bao)護系(xi)統直接(jie)啟動保(bao)(bao)護，通過主控芯(xin)片進(jin)行(xing)控制，直接(jie)切(qie)斷電源并蜂(feng)鳴聲告警，保(bao)(bao)護時(shi)(shi)(shi)間可根據用戶需求(qiu)進(jin)行(xing)出廠設定，在設定時(shi)(shi)(shi)間內如(ru)未(wei)排除故障(zhang)，設備無(wu)法二次上電；保(bao)(bao)護系(xi)統啟動工作時(shi)(shi)(shi)，電源保(bao)(bao)險絲(si)不(bu)會燒毀，避免經常(chang)更換(huan)保(bao)(bao)險絲(si)。

智能保(bao)護系統：

2.直流(liu)電(dian)源：配置±5V/1A、±12V/0.5A全數(shu)字化(hua)設計（可(ke)數(shu)字化(hua)設置啟(qi)停），提供2路隔離電(dian)源(yuan)0-30V/0.2A連續可調穩壓電(dian)源，2路通(tong)道(dao)獨立(li)24位AD采樣(yang)，電(dian)壓電(dian)流顯(xian)示(shi)誤(wu)差3個(ge)字以內，可拓展4-20ma電(dian)流接口，電(dian)流輸出采用品牌隔離(li)模塊隔離(li)，恒流源電(dian)流保(bao)護值輸出功率可(ke)200mA-0.9A任意設置，具有1鍵進入恒壓恒流(liu)模(mo)式，調節精度0.01V/1mA，具(ju)有3檔速度調節，編碼器設(she)置功能，默認(ren)輸(shu)出6V(10mA)和(he)12V（10mA），具有電(dian)壓斷電(dian)保(bao)持功(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)，能(neng)(neng)(neng)量吸收功(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)，滿足實驗指導書(shu)的需求，可(ke)通(tong)信設置(zhi)電(dian)壓電(dian)流，恒(heng)(heng)壓和恒(heng)(heng)流模(mo)式，具有電(dian)壓電(dian)流顯示功(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)，具有通(tong)信接口及全(quan)網絡數據監測(ce)功(gong)(gong)能(neng)(neng)(neng)，可(ke)擴展LABVIEW等云端(duan)監控工具

3.儀表監控模(mo)塊：

（1）直流(liu)數字(zi)電壓表：精度：0.2 級，滿(man)量(liang)程(cheng)500V，電壓：0-500V，5檔(dang)量程（500mV-5V-50V-500V-鎖定），帶4-20mA電流(liu)輸出口(kou)；

（2）直流(liu)數字(zi)電流(liu)表：精度：0.2級，電流：0-2A，全量程(cheng)內阻15m，5 檔量(liang)程（2mA-20mA-200mA-2A-鎖定），帶4-20mA 電流輸出口(kou)；

以(yi)上儀表(biao)采用(yong)工業(ye)級柜裝≥48mm*96mm，有專(zhuan)用黑色10mm厚度顯(xian)示(shi)面板帶4個穩定支點，6位數碼顯示，用(yong)專(zhuan)用(yong)插接(jie)(jie)短(duan)接(jie)(jie)連接(jie)(jie)，采用(yong)輕(qing)觸開關，模具紅色軟(ruan)體(ti)設計，白色激光(guang)雕字。

（3）人機交互界面采(cai)用集(ji)成化設計(ji)，可直接在軟(ruan)件界面進行(xing)產品(pin)選擇和實(shi)驗選擇；能在同一屏幕顯(xian)示多個波形窗(chuang)口(kou)，支持窗(chuang)口(kou)布局(ju)操作；支持任意不少于8個變(bian)量的實時波(bo)形及文(wen)本顯(xian)示，能實時保存及回顯(xian)。支持(chi)運行狀態及故(gu)障狀態顯(xian)示；支持(chi)任意8個變量的實(shi)時修(xiu)改(gai)；

（四）數(shu)據采集部(bu)分：完成LABVIEW界面控制，具8路(lu)差分信號（或16路單端信號）、2路模擬信號(hao)輸(shu)出(chu)、6路數字信號(hao)輸入(ru)/輸出、1路PWM輸入、1路計數(shu)器(qi)及2路PWM輸(shu)出；操作系統支持winXP/Vista/Win7/Win8/Win10，可匹配LABVIEW、LABwindows/CVI、VB.net、C#、delphi、matlab、Vc,QT,Python控制；采(cai)(cai)(cai)集(ji)(ji)卡安(an)裝在實驗掛箱表面，引出信(xin)號(hao)接口；數據采(cai)(cai)(cai)集(ji)(ji)模(mo)塊需外置固(gu)定(ding)于操(cao)(cao)作面板上(shang)，便于學生(sheng)了解數據采(cai)(cai)(cai)集(ji)(ji)卡的結構組成，所有(you)接線(xian)信(xin)號(hao)均引出至快速接線(xian)端子，學生(sheng)可在端子上(shang)進(jin)行接線(xian)操(cao)(cao)作，以(yi)求經久耐用(yong)(yong)采(cai)(cai)(cai)用(yong)(yong)防(fang)觸電護(hu)套專用(yong)(yong)導線(xian)及(ji)工業(ye)“U”型端(duan)子同時操(cao)作(zuo)，一(yi)體(ti)化設計，避免模塊產權糾紛。

（五(wu)）自(zi)動控(kong)制(zhi)與(yu)計算機控(kong)制(zhi)實(shi)驗部分：為了方便統一管理，實(shi)驗模塊(kuai)宜采(cai)用模塊(kuai)式、積木式等結(jie)構，由多個掛件組合(he)而成，方便維(wei)護，采(cai)用高分子材料(liao)面板，尺(chi)寸(cun)195mm*130mm*300mm（長*寬*高）

1.自控原理(li)實驗模塊：階躍信號發生(sheng)器單元：輸出幅度(du)0～±10V可調；由運放(fang)(fang)、電容、電阻、電位器和一(yi)些(xie)自由布線(xian)區等(deng)組成通用運放(fang)(fang)單元，可以(yi)模擬各種(zhong)受(shou)控對象(xiang)的數學模型(xing)。

2.計算機原理實驗模塊：尺寸132x88x21mm，實驗模(mo)塊采用(yong)2mm厚印制(zhi)(zhi)線路板制(zhi)(zhi)成(cheng)，正(zheng)(zheng)面裝(zhuang)有實(shi)(shi)物(wu)對象(xiang)(xiang)及元器件(jian)，反面為印刷線路，并焊好相關(guan)的元器件(jian)，可采用(yong)優質鍍(du)鋅柱子完成(cheng)電路電源(yuan)供應，實(shi)(shi)驗模(mo)塊(kuai)采用(yong)磁吸式(shi)，方(fang)便更換，實(shi)(shi)驗模(mo)塊(kuai)正(zheng)(zheng)反面均安裝(zhuang)透明亞克力保護，配套以下實(shi)(shi)物(wu)對象(xiang)(xiang)，

各實物模型詳細圖(tu)文說(shuo)明如下：

（1）溫度實(shi)物模(mo)型：加熱模(mo)塊功率(lv) 12V  0~2A   0~24W；加熱裝置最大(da)需(xu)可加熱溫度 90℃；加熱(re)模(mo)塊溫度輸出(chu)（模(mo)擬(ni)量）100mV/℃；加(jia)熱(re)模塊(kuai)溫度測量(liang)范圍：0-100℃。

（2）直流電機實物模型：直流電機模塊功率12V/0.22mA（空載），3.5A（堵轉）；直流電機模塊轉速 100~12000rpm；通過APC芯片搭建(jian)的模擬量轉PWM電路實(shi)現(xian)電機功率(lv)的無極調節(jie)。

（3）步進電機實(shi)物(wu)模(mo)型：步數：96步/圈(quan)（3.75°/步）；步進電(dian)機類型：四相五線制；額(e)定電(dian)壓：12V；電流：500mA；霍爾類型：四磁極(ji)（2*S/2*N）。

（六）配套基(ji)于(yu) LABVIEW 虛擬儀器開發實驗軟件(jian)：以上各實驗模塊均(jun)配套 LABVIEW程(cheng)序，通過(guo)數據采集卡進(jin)行(xing)實驗，提供源代(dai)碼，學生(sheng)可自行(xing)進(jin)行(xing)程(cheng)序設定(ding)。

（七）HKSM-1型便攜式教學開(kai)發(fa)平臺（整(zheng)批配(pei)置二套）：采用 PVC 工程(cheng)塑(su)料一次成型，尺(chi)寸長350×寬(kuan)260×高60mm，采用工業(ye)標準電源線 220V 直接供電(dian)，默認上電(dian)自啟動；同時額外預留 24V 供電接口(kou)以(yi)作(zuo)備(bei)用，平臺(tai)具有以(yi)太(tai)網、485、 USB 等(deng)多(duo)種通(tong)訊(xun)接口，2 種電源(yuan)供電接口及通訊接口位(wei)置均布置在實(shi)(shi)驗箱側面；實(shi)(shi)驗所需直流可調電源(yuan) 2 路，0-15V/0-200mA 連(lian)續直流可(ke)調輸出(chu)，具有 1 鍵進入恒(heng)壓恒(heng)流模式，調節精度≤0.01V/1mA，具(ju)有 3 檔速度調(diao)節，編碼器設(she)置功(gong)能(neng)， 默認輸出 6V(10mA)和 12V（10mA）滿足實驗項目(mu)的(de)需(xu)求，可任(ren)意設(she)置，具有(you)短路(lu) 保護(hu)且自動恢復，可一鍵恢復出廠設置；提供 2 路(lu)固定±5V、 ±12V、+3.3V、 +24V 常用(yong)固定電源輸出(chu)，電源輸出(chu)采用(yong)不同接口形(xing)式(shi)，以滿足(zu)多種實驗形(xing)式(shi)；具(ju)備 2 路虛(xu)擬示波器(qi)及虛(xu)擬信號(hao)源輸出口。

1.支持虛擬儀器采集卡、 自動控制實驗模塊、計(ji)算機控制實驗模塊在(zai)開 發平(ping)臺(tai)上安裝，可(ke)隨時隨地進行實驗演示，此(ci)平(ping)臺(tai)支(zhi)持后期(qi)數(shu)字電路、模擬電路、

電(dian)路分析、單(dan)片機、虛擬儀(yi)器等實驗教(jiao)學(xue)演示。

2.稱重傳(chuan)感器實物模型：提供 0-6KG 稱重傳感器 ，壓力(li)變送器輸出 100mV/KG，變送(song)器輸出范圍 0-10V，通過測量重量傳(chuan)感器電(dian)(dian)橋(qiao)將重量轉化(hua)為電(dian)(dian)壓線性輸出，采用 labview 軟件進行(xing)自(zi)動(dong)換算。

3.可(ke)燃(ran)氣體(ti)傳感器(qi)實物模型：可(ke)檢測煙(yan)霧、可(ke)燃(ran)氣體(ti)，檢測濃度 300-10000ppm，需測量在清(qing)潔空(kong)氣中電(dian)(dian)導(dao)率(lv)較低(di)的二氧化錫材料電(dian)(dian)導(dao)率(lv)檢測，通過芯片變(bian)送(song)為電(dian)(dian)壓模擬量輸出或通過比較器比較報警(jing)濃度(du)后直接輸出開關(guan)量。

4.人體熱釋電(dian)感應實物模(mo)型(xing)：輸入電(dian)壓 5V，重復感應封鎖時(shi)間 2.5s，感 應范圍≥120 ° , 通過編寫 VI 程序及面(mian)板設計，設計一個人體(ti)紅外感應樓道燈， 紅(hong)外探(tan)頭(tou)檢測到特殊紅(hong)外（人(ren)體(ti)熱釋電）后發(fa)出信號(hao)(hao)給信號(hao)(hao)處(chu)(chu)理部分(fen)，信號(hao)(hao)處(chu)(chu)理

部分輸出高電(dian)平并延時一段時間，信號可重復(fu)觸發(fa)。

5.度測量傳感(gan)器(qi)實物模型：輸(shu)入電壓 4.5-5.5V ，輸出信(xin)號 0-3V ，測量范圍 0-99.9%RH，內置變送器通過測量濕敏電(dian)容的(de)參數(shu)將空氣濕度轉(zhuan)化為模擬量并輸出，采用 labview 軟件(jian)進行(xing)自動換算

三、設備可完成實驗內容

（一）自控(kong)原理實驗

1.典(dian)型環(huan)節(jie)的電路模擬

2.二階系統的瞬態響應

3.線性系統穩態誤差的研究(jiu)

4.典(dian)型環節(jie)或(huo)系統頻率特性的測量

5.線性定常系統的(de)串(chuan)聯校正

6.典型非(fei)線性環(huan)節(jie)的靜態特性

7.非線性系統的相平面分析法

8.非線性系統的描述函數(shu)法(fa)

9.系(xi)統(tong)能控性與能觀性分(fen)析

10.采樣控制系統的分(fen)析

（二）計算機(ji)控制技術(shu)實(shi)驗

1A/D與(yu)D/A轉換

2.數字濾波器

3.D(S)離散化方法的研究

4.數字PID控(kong)制(zhi)算法的研(yan)究

5.串級控制算法的研究

6.最少拍(pai)控制算法(fa)的(de)研(yan)究(jiu)

7.線性(xing)離散系統的全狀態反饋控制

8.直(zhi)流電機閉(bi)環調速控制（實物）

9.溫度閉環PID控制（實物(wu)）

10.步進(jin)電機控制(zhi)（實物）