TW-X31B 自控／計控原理係統實驗箱

本實驗箱是自控/計控二合一的教學實驗係統。它采用模塊式結構，可構造出各種型式和階次的模擬環節和控製係統。還可進行以微機為控製平台的計算機控製技術實驗教學，做到一機多用。

一、係統組成

1、電源

輸入單相三線～220V±10%  50Hz。輸出直流±5V/2A、±12V/0.5A 電源，均有接反和短路保護功能。

2、CPU係統

采用主從方式多CPU結構。CPUA：為主控處理器，用於係統管理，與上位機通訊，數據采集及計控實驗等；CPUB：為輔控處理器，用於信號源發生及自控實驗等；CPUC：為自編程處理器，用於提供用戶二次開發的單片機自編程。各CPU 均采用C8051F410芯片，自帶A/D、D/A轉換，轉換精度均為12位（bit）。

3、與電腦通訊

采用RS232串口聯接，也可加接USB轉RS232聯接電纜，與電腦USB口聯接。

4、被控對象（運算模擬單元）

采用模塊式結構，提供11個實驗用基本運放模擬單元，構成比例環節、慣性環節、積分環節、比例微分環節，PID環節和典型的二階、三階係統等。

5、阻容元件庫

0-999.9K直讀式可變電阻，250K電位器，多組電容。

6、信號源模塊CPUB

① 提供矩形波、正弦波、斜坡、階躍波、方波、微分脈衝等的單信號源，或同時發生兩種不同類型信號，其輸出幅度、寬度、頻率、斜率可在PC機界麵上設置。

②提供繼電特性、飽和特性、死區特性、間隙特性、延遲特性等的非線性環節輸出，其輸出幅度、寬度、斜率可在PC機界麵上設置。

③每個實驗範例都提供信號源默認值。

7、頻率特性測試模塊

實驗機自帶掃頻功能，在頻率特性中采用掃頻方式，自動生成閉環、開環伯德圖及奈氏曲線（六個），在一個界麵上全部顯示，觀察時可任選一個進行放大顯示（可多次、反複選擇），觀察方便直觀。

可自動搜索諧振峰值或穿越頻率。

8、數據采集／虛擬示波器模塊

在示波器界麵分成上、下兩塊顯示區，可同時有多達七個通道顯示。在自動控製原理實驗中供虛擬示波器顯示用，在計算機控製技術實驗中即供虛擬示波器顯示用，又可作為控製器模塊輸入。數據采集精度為12位（bit）。

9、控製器模塊CPUA

在計算機控製技術實驗中用於計算機的控製計算與輸出。A/D、D/A轉換精度為12位。PID控製及直接數字控製實驗的控製參數（包括采樣周期）可在界麵上直接設定和修改，每項範例實驗的控製參數（包括采樣周期），都在界麵上向用戶提供了默認值。

10、溫控、直流電機、步進電機模塊

①溫控模塊由溫度載體和功率放大器、調節器、溫度傳感器、T／V轉換器等組成，可

進行離散增量型PID閉環控製、PWM方式PID閉環控製、位式閉環控製及外接烤箱PID閉環控製。

②直流電機模塊由直流電機和電機驅動功率放大器、調節器、電機轉速檢測傳感器、F/V

轉換器等組成，可進行直流電機轉速數字PID閉環控製。

③進電機模塊由步進電機及指針等組成，可進行步進電機轉速數字四相四拍、四相八拍

方式工作，正、反轉及轉速控製，並提供實驗範例。

11、外設接口模塊

提供外設的擴展接口，例如烤箱的溫度控製。

12、選購件

①單片機自編程模塊CPUC：在單片機自編程計控實驗中用於計算機的控製計算與輸出。

②C平台自編程模塊

③U-EC5仿真模塊，用於單片微處理器自編程計控實驗。

二、實驗項目

1、自動控製原理實驗項目

1) 線性係統的時域分析實驗：

●典型環節的模擬研究  ● 二階係統的瞬態響應和穩定性 ●三階係統的瞬態響應和穩定性

2)線性控製係統的頻域分析實驗：

●一階慣性環節的頻率特性曲線 ●二階閉環和開環係統的頻率特性曲線實驗

3)線性係統的校正與狀態反饋：

● 頻域法串聯超前校正  ● 頻域法串聯遲後校正  ● 時域法串聯比例微分校正

● 時域法局部比例反饋校正  ● 時域法微分反饋校正  ● 線性係統的狀態反饋及極點配

4)非線性係統的相平麵分析實驗：

● 典型環節的模擬研究 ● 二階非線性控製係統 ● 三階非線性控製係統

2、計算機控製技術實驗項目

1）采樣與保持

●采樣實驗 ●采樣控製

2）微分與數字濾波

●一階微分反饋控製 ●四點微分均值反饋控製

●模擬一階慣性數字濾波  ●四點加權平均數字濾波

3）數字PID控製

a)被控對象辨識

●對象開環辨識  ●對象閉環辨識

b)二階PID控製

●位置型PID控製 ●增量型PID控製 ●積分分離PID控製 ●帶死區PID控製

●型位置型PID控製 ●型增量型PID控製 ●帶有延遲對象PID控製

c)三階PID控製：

●位置型PID控製 ●型位置型PID控製 ●型增量型PID控製

d)串級PID控製

●二階串級PID控製 ●三階串級PID控製

e)比值PID控製：單閉環／雙閉環比值控製

●單閉環比值PID控製 ●雙閉環比值PID控製

f)前饋-反饋控製

●靜態前饋-反饋PID控製 ●動態前饋-反饋PID控製

g)解耦控製

●靜態前饋補償解耦PID控製 ●動態前饋補償解耦PID控製

4）二階位式控製

5)大林算法控製

●大林算法控製 ●消除振鈴大林算法控製

6)最少拍控製

●最少拍有紋波控製係統 ● 最少拍無紋波控製係統

3、控製係統應用實驗項目

(1)直流電機PID轉速控製

(2)溫度增量型PID控製

(3)溫度PWM方式PID控製

(4)溫度位式控製

(5)烤箱位式控製

(6)步進電機轉速、轉角控製

1. 實驗箱配置

序號	名稱	說明	數量
1	主機箱	含機箱、工作電源、常用信號源、實驗電路區等	1台
2	交流電源線	1.5m	1根
3	2號實驗導線	40cm	25根
4	串口通信線（2、3直通）	1.5m	1根
5	實驗指導書		2本

附：使用本實驗箱需配套儀器儀表：電腦、萬用表和示波器（可以選配，實驗箱上自帶示波器）。

三、係統特點

1、被控對象采用模塊式結構

采用模塊式結構將使被控對象構建方便，隻須采用短路套跨接及少量模塊間的聯線就能構造出各種型式和階次的模擬環節，直觀且簡化了實驗操作和設備管理。

2、時域分析界麵

可同時有多達七個通道顯示，可拖動界麵上標尺測X軸（時間值）和Y軸（幅度值），波形可上、下、左、右隨意移動，X、Y軸比例可隨意修改，每個實驗隻運行一個實驗工作周期，如果運行時間超過界麵時，將繼續滾動顯示，停止後將自動停在起始位置。每個實驗在界麵上顯示該實驗範例的原理圖，便於用戶脫開實驗指導書進行實驗，見附件1。

在非線性係統實驗時有相平麵顯示方式，見附件3。

3、頻域分析界麵

頻域分析界麵可由用戶隨意選擇設置所需測試的頻率點(最多為60點)，係統集成軟件按頻率設置點，一次生成該實驗係統的閉環和開環對數幅頻特性曲線、對數相頻特性曲線（伯德圖），幅相特性曲線（奈奎斯特圖），共六種特性曲線，並在一個界麵上全部顯示，供用戶使用。測試完成後，將同時自動形成閉環、開環伯德圖及奈氏曲線（連續曲線）；用戶可在曲線上隨意增添頻率點，查找曲線上各頻率點的各特征參數，例如諧振頻率、諧振峰值，穿越頻率、相位裕度等。

實驗過程中，對每個頻率點測試完成後，在界麵上將同步顯示該角頻率的閉環和開環L、、Im、Re數值。

在所選頻率點全部測試完成後，可移動標尺讀出各頻率點的相應數值。

頻域分析界麵也可由用戶根據被測對象的頻率特性設置一個最低頻率點和一個最高頻率點，然後采用諧振峰值或穿越頻率搜索方式，讓實驗機自動畫出頻率特性曲線，無須用戶費心設置各頻率點，見附件2。

用戶還可在界麵上點擊《測試數據》，讀出已測頻率點的L、等值，分析實驗情況。

4、計算機控製技術實驗

PID控製及直接數字控製實驗的控製參數（包括采樣周期）可在界麵上直接設定和修改，而不用在程序上進行複雜的修改設定，以免破壞原有的控製程序。這種直接在界麵上修改控製參數的方法既直觀又方便，免去了修改編寫程序時所花的大量精力。

每項範例實驗的控製參數（包括采樣周期），都在界麵上向用戶提供了默認值。

5、多種自編程計控實驗平台

(1)C平台自編程

C平台自編程計控實驗是通過VC6.0開發環境用C語言進行編寫計控實驗程序。集成開發環境界麵如圖5所示。用戶進入該界麵編寫控製程序，或打開範例文件夾，調出控製係統參考源程序，進行編譯、連接、加載、運行，見附件5。

用戶自行編寫的控製程序將在PC機上全速運行，等待實驗機的《開始》和《停止》信號，按采樣周期讀取實驗係統的輸出值，計算出控製值輸出，進行算法控製。

(2)單片機自編程

單片機自編程計控實驗通過C8051FXXX單片機開發環境用C51語言進行編寫計控實驗程序，集成開發環境界麵如圖6所示。用戶進入該界麵編寫控製程序，或打開範例文件夾，調出控製係統參考源程序，進行編譯、連接、加載、運行，見附件6。

用戶自行編寫的控製程序將在實驗機單片機自編程（B5）模塊上全速運行，等待實驗機的《開始》和《停止》信號，按采樣周期讀取實驗係統的輸出值，計算出控製值輸出，進行算法控製。

每項實驗都向用戶提供範例程序。

附件1  時域示波器的使用

附件2 Ⅰ型二階係統的閉環、開環伯德圖及奈氏曲線（六個）在一個界麵上全部顯示

下圖為選擇其中的閉環－波特圖放大顯示：

附件3 非線性係統分析示波器的使用

附件4 C語言進行編寫計控實驗程序。

附件5 C51語言進行編寫計控實驗程序