自动控制理论及计算机控制技术实验系统

一、基本要求

根据全国统编教材《自动控制理论》、《计算机控制技术》的实验教学要求而设计，适用于各类本科院校、高职院校相关专业的实验教学。要求实验内容循序渐进，除了运放模拟实验外，还包含 MATLAB 仿真实验和 RTW 实时控制实验内容。

要求实验系统集运放模拟单元、实际物理对象、计算机数据采集控制于一体，有助于激发学生的实验兴趣，深化理论教学，提高学生的学生工程实践的能力。

要求本系统在 MATLAB/Simulink 中 RTW 模式支持下，可对运放模拟单元和实物控制对象实现硬件在回路控制，完成相关闭环控制实验。要求上位机软件功能丰富，具有实验所需的各种测量功能。

二、技术说明

设备组成：要求由实验系统、 USB 电缆线、应用软件等组成。

1 、实验系统：模拟实验区

控制理论实验箱主要由电源单元、信号源单元、与 PC 机进行通讯的数据处理单元、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 ）电源单元

提供电源开关、保险丝、＋ 5V 、－ 5V 、＋ 15V 、－ 15V 、 0V 以及 1.3V ～ 15V 可调电压的输出等；

2 ）信号及数据处理单元

产生频率与幅值可调的周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号以及正弦信号，并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周期锁零信号；

3 ）元器件单元；

4 ） 3 个非线性环节单元；

5 ） 9 个模拟电路单元；

2 、上位机软件功能要求

上位机软件基于 MATLAB 软件 GUI 功能开发，利用 Matlab 的仿 真功能，可对自动控制理论、计算机控制技术各知识点进行软件仿真实验，还可根据实际需求进行自主创新实验。

要求该实验系统自动控制原理和计算机控制技术均可完成以下三种类型实验：仿真实验、模拟实验、实物控制实验。

（ 1 ）仿真实验：要求 Actlab 利用 Matlab 的仿真功能，对自动控制理论各知识点进行软件仿真实验。使学生熟悉基本的实验环境、仿真软件，在纯仿真条件下观察实验结果，实现对理论知识的加深和巩固；

（ 2 ）模拟实验：要求 Actlab 利用 Simulink 中 RTW （ Real-time Windows Target ）控制模式，并利用数据采集卡实现 Actlab 与实验系统间的信号传输，在时域和频域两方面对自动控制理论知识点进行实验。允许学生利用模拟器件自行搭建模拟对象，在数据采集卡辅助下，使学生在 Actlab 中观察模拟系统的实验结果，与纯仿真结果进行对比，使学生了解仿真与模拟方法间的不同，更好的对实验中知识点进行理解与掌握；

（ 3 ）实物控制实验：要求 Actlab 利用 Simulink 中 RTW （ Real-time Windows Target ）控制模式，和数据采集卡实现 Actlab 与实验系统间的信号传输，针对实际被控系统进行实验。使学生了解所学理论在工程实践中的应用，从而更好的掌握分析和解决实际问题方法。

3 、数据采集系统：要求包含信号调理电路、 AD/DA 转换电路、差分放大电路、数据通讯接口等。硬件资源如下：

1 ） 6 路模拟量输入：输入电压 0- ± 10V ， 6 路独立 AD 转换，转换速率 300KHz 。 要求其中 2 路 AD 可以实现量程切换，便于在测量小信号的时候更精确；

2 ） 2 路模拟量输出：要求输出电压 0- ± 10V ， 2 路独立 DA 转换，转换速率 1MHz ；

3 ） 2 路开关量输出信号： TTL 电平，可作为锁零信号用；

4 ）要求实时板卡安装在目标机的 PCI 接口上，作采集控制板和上位机之间数据通信用。

4 、创新实验模式

4-1 、要求具有 MATLAB/RTW 的实验模式，解决仿真实验与实际实验不相符情况。配置 PCI 实时板卡，可实现与上位机的高速数据传输，对模拟信号实时采样。

三、 平台技术要求

实验平台须铝合金型材拼装结构，双层台板设计，外形、颜色、尺寸协调，与实验室的环境、条件相匹配。

1 、输入电源：单相三线，交流 220V ± 10% ， 50HZ ；

2 、容量：≦ 1.5KVA ；

3 、参考尺寸： 1600 × 800 × 1300mm （长 X 宽 X 高）；

4 、安全保护：接地保护，漏电保护（动作电流＜ 30mA ），过载保护；

6 、电源指示灯指示电源状态通断；

7 、可选数码仪表指示工位序号： 3 位 0.8 寸红色高亮度数码显示；

8 、双层设计，上层为隔板，下层为实验台面，隔板下方带 LED 照明（ 16W ），照明开关独立控制；

9 、实验台四只主立柱采用截面尺寸不小于 70X70mm 工业铝合金型材，型材四角圆弧不小于 R15mm ，型材表面喷砂氧化处理成本色，型材 - 导轨符合 GB/T6892-2015 标准；

10 、主立柱连接件需采用高强度铝合金压铸件，表面抛丸后喷塑处理；

11 、台面上方适当位置安装电源壳体，壳体需采用工业铝合金型材，型材表面喷砂氧化处理成本色，插座、漏电保护装置、指示仪表均安装在壳体面板上，壳体需拆卸简单、维修方便；

13 、台面上方右侧安装铝合金液晶显示器支架一只，固定在主立柱型材的适当位置，（固定 19-24 寸液晶显示器）；

14 、实验台底部右侧位置为金属材质电脑主机托板，表面静电喷塑处理成暖白色；底部左侧位置为金属材质隔板，表面静电喷塑处理成暖白色，用以放置其它实验设备和物品；

15 、底部拉杆采用参考尺寸 1.5mmX20mmX80mm 冷轧电镀锌方钢管制作，表面静电喷塑处理；

16 、台面材质采用 16mm 厚抗贝特板，表面颜色选用暖白色，尺寸规格为 1600X800mm ；

17 、台面上方距离 450mm 处为上层隔板，隔板采用 16mm 厚抗贝特板，表面颜色选用暖白色，参考尺寸为 1600X350mm ；

18 、主立柱型材头部需采用塑料件封头，底部安装可调高支脚，所有塑料件材质为 ABS ；

四、实验项目

1 、自动控制原理实验（仿真、模拟实验）

1 ）典型环节的时域响应； 2 ）典型系统（一阶、二阶）的时域响应和稳定性分析； 3 ）线性系统串联校正； 4 ）典型环节（或系统）的频率特性测量； 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 、计算机控制技术实验（仿真、模拟实验）

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 ）最少拍控制的算法研究； 8 ）具有纯滞后系统的大林控制算法研究；