TW-X31B 自控／計控原理系統實驗箱

本實驗箱是自控/計控二合一的教學實驗系統。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制系統。還可進行以微機為控制平臺的計算機控制技術實驗教學，做到一機多用。

一、系統組成

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系統

采用主從方式多CPU結構。CPUA：為主控處理器，用于系統管理，與上位機通訊，數據采集及計控實驗等；CPUB：為輔控處理器，用于信號源發生及自控實驗等；CPUC：為自編程處理器，用于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、三階系統等。

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、微分脈沖等的單信號源，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機界面上設置。

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機界面上設置。

③每個實驗范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），在一個界面上全部顯示，觀察時可任選一個進行放大顯示（可多次、反復選擇），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

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

9、控制器模塊CPUA

在計算機控制技術實驗中用于計算機的控制計算與輸出。A/D、D/A轉換精度為12位。PID控制及直接數字控制實驗的控制參數（包括采樣周期）可在界面上直接設定和修改，每項范例實驗的控制參數（包括采樣周期），都在界面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閉環控制、PWM方式PID閉環控制、位式閉環控制及外接烤箱PID閉環控制。

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閉環控制。

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、反轉及轉速控制，并提供實驗范例。

11、外設接口模塊

提供外設的擴展接口，例如烤箱的溫度控制。

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于計算機的控制計算與輸出。

②C平臺自編程模塊

③U-EC5仿真模塊，用于單片微處理器自編程計控實驗。

二、實驗項目

1、自動控制原理實驗項目

1) 線性系統的時域分析實驗：

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

2)線性控制系統的頻域分析實驗：

●一階慣性環節的頻率特性曲線 ●二階閉環和開環系統的頻率特性曲線實驗

3)線性系統的校正與狀態反饋：

● 頻域法串聯超前校正  ● 頻域法串聯遲后校正  ● 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  ● 線性系統的狀態反饋及極點配

4)非線性系統的相平面分析實驗：

● 典型環節的模擬研究 ● 二階非線性控制系統 ● 三階非線性控制系統

2、計算機控制技術實驗項目

1）采樣與保持

●采樣實驗 ●采樣控制

2）微分與數字濾波

●一階微分反饋控制 ●四點微分均值反饋控制

●模擬一階慣性數字濾波  ●四點加權平均數字濾波

3）數字PID控制

a)被控對象辨識

●對象開環辨識  ●對象閉環辨識

b)二階PID控制

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

●型位置型PID控制 ●型增量型PID控制 ●帶有延遲對象PID控制

c)三階PID控制：

●位置型PID控制 ●型位置型PID控制 ●型增量型PID控制

d)串級PID控制

●二階串級PID控制 ●三階串級PID控制

e)比值PID控制：單閉環／雙閉環比值控制

●單閉環比值PID控制 ●雙閉環比值PID控制

f)前饋-反饋控制

●靜態前饋-反饋PID控制 ●動態前饋-反饋PID控制

g)解耦控制

●靜態前饋補償解耦PID控制 ●動態前饋補償解耦PID控制

4）二階位式控制

5)大林算法控制

●大林算法控制 ●消除振鈴大林算法控制

6)最少拍控制

●最少拍有紋波控制系統 ● 最少拍無紋波控制系統

3、控制系統應用實驗項目

(1)直流電機PID轉速控制

(2)溫度增量型PID控制

(3)溫度PWM方式PID控制

(4)溫度位式控制

(5)烤箱位式控制

(6)步進電機轉速、轉角控制

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臺
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、系統特點

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，只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、時域分析界面

可同時有多達七個通道顯示，可拖動界面上標尺測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，每個實驗只運行一個實驗工作周期，如果運行時間超過界面時，將繼續滾動顯示，停止后將自動停在起始位置。每個實驗在界面上顯示該實驗范例的原理圖，便于用戶脫開實驗指導書進行實驗，見附件1。

在非線性系統實驗時有相平面顯示方式，見附件3。

3、頻域分析界面

頻域分析界面可由用戶隨意選擇設置所需測試的頻率點(最多為60點)，系統集成軟件按頻率設置點，一次生成該實驗系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，并在一個界面上全部顯示，供用戶使用。測試完成后，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后，在界面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后，可移動標尺讀出各頻率點的相應數值。

頻域分析界面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，然后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。

用戶還可在界面上點擊《測試數據》，讀出已測頻率點的L、等值，分析實驗情況。

4、計算機控制技術實驗

PID控制及直接數字控制實驗的控制參數（包括采樣周期）可在界面上直接設定和修改，而不用在程序上進行復雜的修改設定，以免破壞原有的控制程序。這種直接在界面上修改控制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。

每項范例實驗的控制參數（包括采樣周期），都在界面上向用戶提供了默認值。

5、多種自編程計控實驗平臺

(1)C平臺自編程

C平臺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。集成開發環境界面如圖5所示。用戶進入該界面編寫控制程序，或打開范例文件夾，調出控制系統參考源程序，進行編譯、連接、加載、運行，見附件5。

用戶自行編寫的控制程序將在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系統的輸出值，計算出控制值輸出，進行算法控制。

(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，集成開發環境界面如圖6所示。用戶進入該界面編寫控制程序，或打開范例文件夾，調出控制系統參考源程序，進行編譯、連接、加載、運行，見附件6。

用戶自行編寫的控制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系統的輸出值，計算出控制值輸出，進行算法控制。

每項實驗都向用戶提供范例程序。

附件1  時域示波器的使用

附件2 Ⅰ型二階系統的閉環、開環伯德圖及奈氏曲線（六個）在一個界面上全部顯示

下圖為選擇其中的閉環－波特圖放大顯示：

附件3 非線性系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