一、產(chǎn)品概述

“YKGJK-2型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置”是我公司根據(jù)《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》、《自控原理技術(shù)》相關(guān)教材，并結(jié)合教學(xué)和實(shí)踐的需要而進(jìn)行精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它適用于高校的自動化、測控技術(shù)與儀器、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該產(chǎn)品技術(shù)性能穩(wěn)定可靠，實(shí)驗(yàn)靈活方便，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，是高等院校等理想的教學(xué)設(shè)備。

二、系統(tǒng)特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)裝置整體采用鈑金結(jié)構(gòu)、主體采用2mm厚的鈑金加工，左邊配有實(shí)驗(yàn)工具抽屜，中間設(shè)有工控機(jī)放置支架，右邊配有鍵盤及鼠標(biāo)抽屜，控制屏左邊為實(shí)驗(yàn)電路區(qū)，配有實(shí)驗(yàn)電路板，實(shí)驗(yàn)電路板采用新型優(yōu)化設(shè)計(jì)，電路中的電阻電容采用專業(yè)短路接頭連接，使其不用各種導(dǎo)線都可以接入或切除。整個(gè)設(shè)備還配套雙容模型水箱，采用鋁型材結(jié)構(gòu)加藍(lán)色透明水箱組成。桌體延伸放置水箱模型及顯示器。

三、設(shè)備能完成的實(shí)驗(yàn)功能

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)一?? 輸入輸出通道實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)二?? 數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)三?? 離散化方法實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)四?? PID控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)五?? 串級控制算法的實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)六?? 解耦控制算法的實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)七?? 最少拍無差控制實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)八?? 針對純滯后系統(tǒng)的大林算法控制實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)九? ?線性離散系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)十? ?單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)十一? 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)十二? 溫度控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)十三? 單容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)十四? 雙容水箱閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)。

2、自控原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)一? 典型環(huán)節(jié)的特性實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)二? 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)三? 高階系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)四? 線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)五? 典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測量實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)六? 線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)七? 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性分析實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)八? 非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法分析實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)九? 非線性系統(tǒng)的相平面分析法實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)十? 系統(tǒng)能控性與能觀性分析實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)十一? 控制系統(tǒng)極點(diǎn)的配置實(shí)驗(yàn)；

四、技術(shù)性能

1.輸入電源：單相三線AC220V±10%? 50/60Hz

2.工作環(huán)境：溫度-10℃～+60℃　

3.相對濕度：＜85％（25℃）海拔＜4000m

4.外形尺寸約：1620mm×730mm×1300mm

五、系統(tǒng)整體配置說明

1、系統(tǒng)組成：

（1）直流穩(wěn)壓電源

±5V/3A、±15V/1A、＋24V/3A共五路，每路均有短路保護(hù)自動恢復(fù)功能。具有階躍信號發(fā)生電路：輸出幅度0~±15V可調(diào)。

(2) 雙通道函數(shù)信號發(fā)生器

采用大規(guī)模FPGA 集成電路和32 位高速ARM 微處理器，內(nèi)部電路采取表面貼片工藝，大大提高了儀器的抗干擾性和使用壽命。顯示界面采用2.4 寸TFT 液晶顯示屏，具有320*240 高分辨率，能夠顯示兩個(gè)通道的所有參數(shù)并且提示當(dāng)前的按鍵功能，高效地利用了按鍵資源，避免了用戶頻繁地按鍵操作，大大地增強(qiáng)了可操作性。本儀器在信號產(chǎn)生、波形掃描、參數(shù)測量以及使用方面都有很大的優(yōu)勢，是電子工程師、電子實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)線及教學(xué)、科研的理想測試、計(jì)量設(shè)備。主要參數(shù)如下：

1）信號輸出幅度范圍:5mVpp~20Vpp；

2）分辨率可達(dá)1mVpp;頻率計(jì)范圍:0.01Hz~100MHz;掃描時(shí)間范圍:0.01s~999.99s；

3）偏置電平-10V~10V任意可調(diào)；每個(gè)功能都有獨(dú)立的操作界面；

4）頻率范圍：0.2Hz~2MHz；

5）輸出調(diào)制頻率掃描、幅度掃描、占空比掃描、FSK、猝發(fā)；

6）波形種類：正弦波、方波、三角波、鋸齒波；

7）輸出保護(hù)：短路保護(hù)，抗輸入電壓±35V（1分鐘）；

8）輸出幅度指示，采用2.4寸TFT液晶顯示屏，具有計(jì)算機(jī)接口。

2. 實(shí)物及相關(guān)電路

實(shí)驗(yàn)電路模塊主要由單元電路板、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、溫度加熱器四部分組成。主要包括以下內(nèi)容：

1）實(shí)驗(yàn)電路板上應(yīng)該有通用運(yùn)放電路、微分電路、積分電路、加法器電路，并在上述電路的輸入端和反饋端配置冗余的電容、電阻和電位器，他們可以通過短路塊實(shí)現(xiàn)接入或切除，可以模擬各種被控對象。實(shí)驗(yàn)電路板應(yīng)該留有一些自由布線區(qū)。要求實(shí)驗(yàn)電路板采用新型優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）直流電動機(jī)組應(yīng)能夠施加負(fù)載力矩，以便完成直流電機(jī)雙閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)。步進(jìn)電機(jī)與其驅(qū)動電路連接可完成步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制實(shí)驗(yàn)。主要由直流電機(jī)、轉(zhuǎn)盤、F/V轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路等幾部分組成。

3）溫度控制系統(tǒng)由溫室（透明有機(jī)玻璃制成）、溫度加熱器（功率為50瓦）、溫度傳感器、風(fēng)機(jī)等部分組成，以便實(shí)現(xiàn)溫度控制實(shí)驗(yàn)。

3、數(shù)據(jù)采集板卡

本裝置采用研華PCI Express總線多功能數(shù)據(jù)采集卡，型號為PCIE-1810，支持Labview\MATLAB、支持PCI插槽：具體參數(shù)要求如下：

1）16路單端模擬輸入，分辨率12位，采樣率單通道800kS/s，多通道500kS/s；

2）2路模擬量輸出，分辨率12位，500kS/s，轉(zhuǎn)換速率20V/μs；

3）模擬量輸入輸出支持模擬和數(shù)字觸發(fā)，多種觸發(fā)模式；

4）24路可編程數(shù)字I/O通道；

5）2個(gè)32位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，板載4k FIFO；

6）支持微軟Windows8（僅桌面控制模式）/7/XP。

7）支持常見多種編譯語言：C#,C++,LabVIEW,VB.Net,BCB,MFC,VB6,Delphi,Java,Matlab,Qt

4、工控機(jī)系統(tǒng)：

采用研華工控機(jī)IPC-610L/AIMB-501G2/I5-2400/4G/1T/K+M，具體參數(shù)：

處理器I5-2400，

內(nèi)存：4G，

硬盤：1T，

包含鍵盤鼠標(biāo)，

顯示器：19.5寸，

5、配套雙容水箱模型

1）雙容水箱模型主要由有機(jī)玻璃水箱，水槽、水泵、和液位壓力傳感器、控制閥門、水管、供電電源等部件組成。要求采用工業(yè)級全鋁合金框架結(jié)構(gòu)，非鈑金加工，整體尺寸約：500×200×650 mm；

2）雙容水箱，水槽：采用6mm厚度的透明有機(jī)玻璃材料，水箱正面標(biāo)有水位標(biāo)尺，內(nèi)部有設(shè)有緩沖槽；

3）水泵：直流24V，直流無刷，磁力驅(qū)動，可調(diào)速控制流量;靜態(tài)楊程6米;最大流量960L/H;工作壽命大于20000小時(shí);具有缺水自動保護(hù)功能;防護(hù)等級：IP68。

4）液位壓力傳感器：配置2個(gè)0-5kAP液位傳感器，可對上下水箱進(jìn)行液位測量，儲水箱采用304不銹鋼材質(zhì)。

5）開關(guān)電源：配置高性能DC24V/1.5A開關(guān)電源。

6、多功能電機(jī)調(diào)速單元（整體項(xiàng)目配置一套）

1）由有機(jī)玻璃保護(hù)罩，電機(jī)主控制單元，電機(jī)驅(qū)動單元和電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示單元等部件組成。并且必須配置多種電機(jī)和多種電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，例如電機(jī)的開環(huán)控制、速度閉環(huán)控制、PID轉(zhuǎn)速帶負(fù)載控制，電流/力矩閉環(huán)控制、雙閉環(huán)控制等要求。電機(jī)的特性曲線顯示。

2）驅(qū)動板底部必須自帶大扇熱片，利于溫度擴(kuò)散，更適合高溫、大電流、強(qiáng)負(fù)荷的場合中穩(wěn)定使用；支持霍爾位置檢測、增量編碼器位置檢測；支持可調(diào)電阻調(diào)試；支持過溫指示、IPM報(bào)警（過溫、過流、過壓）輸出；可支持IPM溫度測量，具有過溫LED指示；

3）電機(jī)轉(zhuǎn)速單元提供便于觀測電機(jī)調(diào)試過程中的曲線變化和利于PID參數(shù)調(diào)整的顯示界面。

4）系統(tǒng)支持直流無刷、永磁同步電機(jī)、三相異步電機(jī)等功率150W

以上的電機(jī)，還包括可變負(fù)載的裝置和固定電機(jī)的導(dǎo)軌等。

六、系統(tǒng)上位機(jī)軟件說明

1、采用Matlab軟件進(jìn)行編寫界面及算法，主要包含各參數(shù)設(shè)置界面、波形顯示、信號顯示、Matlab仿真、實(shí)驗(yàn)管理等，通過Matlab算法數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并通過配套采集卡進(jìn)行對象控制。

2、通過Matlab編寫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，通過2種模式實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制算法，一種采用Matlab軟件編寫算法，實(shí)現(xiàn)仿真與計(jì)算機(jī)控制；一種采用嵌入式平臺完成計(jì)算機(jī)控制。

3、軟件界面設(shè)置有關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)算法補(bǔ)充窗口（學(xué)生可自行設(shè)計(jì)算法），提供自恢復(fù)按鈕功能，當(dāng)學(xué)生進(jìn)行恢復(fù)使用時(shí)，可點(diǎn)擊進(jìn)行軟件自帶提供算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4、本裝置中的配套軟件開放源代碼，學(xué)生及教師可以進(jìn)行擴(kuò)展功能及做后續(xù)軟件算法研究。提高了計(jì)算機(jī)控制設(shè)備的研究性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和學(xué)生課程設(shè)計(jì)模型參考。

七、典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目說明

1、數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目說明

1）數(shù)字濾波算法需包括：一階慣性濾波、平均濾波、移動平均濾波、防脈沖干擾濾波；

2）濾波結(jié)果需要反映出每種濾波算法的優(yōu)勢；

3）給出每種濾波算法的截止頻率；

4）濾波器的輸入波形至少有一種是由50Hz正弦波(理想被測信號)疊加干擾信號構(gòu)成，干擾信號的幅值大于1V，頻率小于等于500Hz；

5）濾波控制系統(tǒng)的采樣點(diǎn)數(shù)一個(gè)周波（20ms）64點(diǎn)時(shí)，濾波效果要好（平滑、幅值衰減小、相位滯后小）。

2、PID控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目說明

1）被控對象：兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)后的單位閉環(huán)

兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)的傳函。

再進(jìn)行單位負(fù)反饋閉環(huán)形成被控對象傳函。

針對被控對象Ga(s)，設(shè)計(jì)控制器，再進(jìn)行閉環(huán)控制。

2）單位階躍輸入，采樣周期T=0.01秒，參數(shù)整定方法：

參數(shù)整定方法需有：反應(yīng)曲線法、衰減曲線法。

每種參數(shù)整定方法需要給出整定的參數(shù)和輸出波形。

3）單位階躍輸入，采樣周期T=0.01秒，最佳PID參數(shù)控制效果要求：

超調(diào)量≤8%，調(diào)節(jié)時(shí)間在0.15秒以內(nèi)（3%誤差帶）。

3、最少拍控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目說明

1）最少拍被控對象；

2）列寫出G(z)表達(dá)式；

3）單位階躍輸入，選取采樣周期T=0.1秒，要顯示最少拍無差有波紋控制方式下的系統(tǒng)輸出變量C(z)波形和控制器輸出變量U(z)的波形；

4）單位階躍輸入，選取采樣周期T=0.1秒，要顯示最少拍無差無波紋控制方式下的系統(tǒng)輸出變量C(z)波形和控制器輸出變量U(z)的波形。

4、大林算法實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目說明

1）用單片機(jī)或FPGA實(shí)現(xiàn)滯后控制對象，滯后時(shí)間可以設(shè)定。

2）采用大林算法進(jìn)行控制，：取τ=0.5，采樣周期T=0.1秒，控制后的閉環(huán)傳函。????

3）單位階躍輸入，要顯示大林算法控制方式下的系統(tǒng)輸出變量C(z)波形和控制器輸出變量U(z)的波形。

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