FCJX-1型 自動控制理論計算機控制技術(shù)教學(xué)實驗臺

一、概述

1.本實驗平臺主要用于“自動控制原理?計算機控制技術(shù)”的實驗教學(xué)以及對計算機控制算法的研究，主要由數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器、上位機軟件以及可以任意組合的運放單元組成。

2.系統(tǒng)具有集成一體化的先進精密結(jié)構(gòu)，將高性能的控制原理實驗平臺和控制專用測量與分析儀器等集成在一個實驗平臺上。

3.整個實驗裝置由硬件部分和系統(tǒng)軟件組成：硬件部分由實驗平臺、多個掛件、實驗?zāi)K組成；系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)實驗軟件、系統(tǒng)管理軟件組成，系統(tǒng)實驗軟件用來完成實驗臺對功能掛箱的計算機控制，包括參數(shù)的靈活設(shè)置。

二、平臺技術(shù)

實驗平臺主要由電源儀器模塊箱、鋁型材實驗桌、實驗掛箱、儀器儀表等組成；實驗桌桌面為防火、防水、耐磨高密度板，實驗裝置主框架采用四根75mm×75mm優(yōu)質(zhì)歐標(biāo)型材（單面邊長33mm+中縫9mm+邊長33mm），四周采用成型“8”字型鋁材支架固定，安裝螺絲采用M8+滑塊螺母，設(shè)計有帶門可拆卸的鈑金機箱，所有模塊采用激光雕刻工藝，30度專用防火材料模具制作，具有2個專用拉手，采用平衡線路供電，為確保產(chǎn)品為成熟產(chǎn)品。

三、技術(shù)性能

1.輸入電源：單相三線220V±10% 50Hz；

2.裝置容量：＜200VA；

3.外形尺寸約1560mm×750mm×1200mm

四、電源控制部分：所有模塊采用彩色噴涂工藝，具有2個專用拉手，30度ABS開模帶底座機箱，操作面板尺寸195mm×300mm；實驗掛件均采用30度ABS絕緣開模底座機箱

1.交流電源模塊：提供220V交流電源，交流電源經(jīng)空氣開關(guān)控制后輸出，面板上設(shè)有鑰匙開關(guān)、啟動、停止以及急停按鈕，整體設(shè)計成獨立模塊，可以單獨使用，系統(tǒng)內(nèi)置一套“智能自動故障檢測系統(tǒng)”，采用高可靠電子測量模塊，采用6路隔離芯片級電流快速檢測集成芯片設(shè)計，32位CPU快速計算與人工智能分析電路故障類型，完成切斷直接短路及過流保護等快速保護，實現(xiàn)“0”內(nèi)阻電路保護措施，

模塊詳細(xì)介紹如下：因設(shè)備使用時誤操作導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)短路、過流、漏電等現(xiàn)狀時，智能保護系統(tǒng)直接啟動保護，通過主控芯片進行控制，直接切斷電源并蜂鳴聲告警，保護時間可根據(jù)用戶需求進行出廠設(shè)定，在設(shè)定時間內(nèi)如未排除故障，設(shè)備無法二次上電；保護系統(tǒng)啟動工作時，電源保險絲不會燒毀，避免經(jīng)常更換保險絲。

智能保護系統(tǒng)：

2.直流電源：配置±5V/1A、±12V/0.5A全數(shù)字化設(shè)計（可數(shù)字化設(shè)置啟停），提供2路隔離電源0-30V/0.2A連續(xù)可調(diào)穩(wěn)壓電源，2路通道獨立24位AD采樣，電壓電流顯示誤差3個字以內(nèi)，可拓展4-20ma電流接口，電流輸出采用品牌隔離模塊隔離，恒流源電流保護值輸出功率可200mA-0.9A任意設(shè)置，具有1鍵進入恒壓恒流模式，調(diào)節(jié)精度0.01V/1mA，具有3檔速度調(diào)節(jié)，編碼器設(shè)置功能，默認(rèn)輸出6V(10mA)和12V（10mA），具有電壓斷電保持功能，能量吸收功能，滿足實驗指導(dǎo)書的需求，可通信設(shè)置電壓電流，恒壓和恒流模式，具有電壓電流顯示功能，具有通信接口及全網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，可擴展LABVIEW等云端監(jiān)控工具

3.儀表監(jiān)控模塊：

（1）直流數(shù)字電壓表：精度：0.2 級，滿量程500V，電壓：0-500V，5檔量程（500mV-5V-50V-500V-鎖定），帶4-20mA電流輸出口；

（2）直流數(shù)字電流表：精度：0.2級，電流：0-2A，全量程內(nèi)阻15m，5 檔量程（2mA-20mA-200mA-2A-鎖定），帶4-20mA 電流輸出口；

以上儀表采用工業(yè)級柜裝≥48mm*96mm，有專用黑色10mm厚度顯示面板帶4個穩(wěn)定支點，6位數(shù)碼顯示，用專用插接短接連接，采用輕觸開關(guān)，模具紅色軟體設(shè)計，白色激光雕字。

（3）人機交互界面采用集成化設(shè)計，可直接在軟件界面進行產(chǎn)品選擇和實驗選擇；能在同一屏幕顯示多個波形窗口，支持窗口布局操作；支持任意不少于8個變量的實時波形及文本顯示，能實時保存及回顯。支持運行狀態(tài)及故障狀態(tài)顯示；支持任意8個變量的實時修改；

五、數(shù)據(jù)采集部分：完成LABVIEW界面控制，具8路差分信號（或16路單端信號）、2路模擬信號輸出、6路數(shù)字信號輸入/輸出、1路PWM輸入、1路計數(shù)器及2路PWM輸出；操作系統(tǒng)支持winXP/Vista/Win7/Win8/Win10，可匹配LABVIEW、LABwindows/CVI、VB.net、C#、delphi、matlab、Vc,QT,Python控制；采集卡安裝在實驗掛箱表面，引出信號接口；數(shù)據(jù)采集模塊需外置固定于操作面板上，便于學(xué)生了解數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)組成，所有接線信號均引出至快速接線端子，學(xué)生可在端子上進行接線操作，以求經(jīng)久耐用采用防觸電護套專用導(dǎo)線及工業(yè)“U”型端子同時操作，一體化設(shè)計，避免模塊產(chǎn)權(quán)糾紛。

六、自動控制與計算機控制實驗部分：為了方便統(tǒng)一管理，實驗?zāi)K宜采用模塊式、積木式等結(jié)構(gòu)，由多個掛件組合而成，方便維護，采用高分子材料面板

1.自控原理實驗?zāi)K：階躍信號發(fā)生器單元：輸出幅度0～±10V可調(diào)；由運放、電容、電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成通用運放單元，可以模擬各種受控對象的數(shù)學(xué)模型。

2.計算機原理實驗?zāi)K：實驗?zāi)K采用2mm厚印制線路板制成，正面裝有實物對象及元器件，反面為印刷線路，并焊好相關(guān)的元器件，可采用優(yōu)質(zhì)鍍鋅柱子完成電路電源供應(yīng)，實驗?zāi)K采用磁吸式，方便更換，實驗?zāi)K正反面均安裝透明亞克力保護，配套以下實物對象，

各實物模型詳細(xì)圖文說明如下：

（1）溫度實物模型：加熱模塊功率 12V  0~2A   0~24W；加熱裝置最大需可加熱溫度 90℃；加熱模塊溫度輸出（模擬量）100mV/℃；加熱模塊溫度測量范圍：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(zhuǎn)）；直流電機模塊轉(zhuǎn)速 100~12000rpm；通過APC芯片搭建的模擬量轉(zhuǎn)PWM電路實現(xiàn)電機功率的無極調(diào)節(jié)。

（3）步進電機實物模型：步數(shù)：96步/圈（3.75°/步）；步進電機類型：四相五線制；額定電壓：12V；電流：500mA；霍爾類型：四磁極（2*S/2*N）。

七、配套基于 LABVIEW 虛擬儀器開發(fā)實驗軟件：以上各實驗?zāi)K均配套 LABVIEW程序，通過數(shù)據(jù)采集卡進行實驗，提供源代碼，學(xué)生可自行進行程序設(shè)定。

八、便攜式教學(xué)開發(fā)平臺：采用 PVC 工程塑料一次成型，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電源線 220V 直接供電，默認(rèn)上電自啟動；同時額外預(yù)留 24V 供電接口以作備用，平臺具有以太網(wǎng)、485、 USB 等多種通訊接口，2 種電源供電接口及通訊接口位置均布置在實驗箱側(cè)面；實驗所需直流可調(diào)電源 2 路，0-15V/0-200mA 連續(xù)直流可調(diào)輸出，具有 1 鍵進入恒壓恒流模式，調(diào)節(jié)精度≤0.01V/1mA，具有 3 檔速度調(diào)節(jié)，編碼器設(shè)置功能， 默認(rèn)輸出 6V(10mA)和 12V（10mA）滿足實驗項目的需求，可任意設(shè)置，具有短路 保護且自動恢復(fù)，可一鍵恢復(fù)出廠設(shè)置；提供 2 路固定±5V、 ±12V、+3.3V、 +24V 常用固定電源輸出，電源輸出采用不同接口形式，以滿足多種實驗形式；具備 2 路虛擬示波器及虛擬信號源輸出口。

1.支持虛擬儀器采集卡、 自動控制實驗?zāi)K、計算機控制實驗?zāi)K在開 發(fā)平臺上安裝，可隨時隨地進行實驗演示，此平臺支持后期數(shù)字電路、模擬電路、

電路分析、單片機、虛擬儀器等實驗教學(xué)演示。

2.稱重傳感器實物模型：提供 0-6KG 稱重傳感器 ，壓力變送器輸出 100mV/KG，變送器輸出范圍 0-10V，通過測量重量傳感器電橋?qū)⒅亓哭D(zhuǎn)化為電壓線性輸出，采用 labview 軟件進行自動換算。

3.可燃?xì)怏w傳感器實物模型：可檢測煙霧、可燃?xì)怏w，檢測濃度 300-10000ppm，需測量在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫材料電導(dǎo)率檢測，通過芯片變送為電壓模擬量輸出或通過比較器比較報警濃度后直接輸出開關(guān)量。

4.人體熱釋電感應(yīng)實物模型：輸入電壓 5V，重復(fù)感應(yīng)封鎖時間 2.5s，感 應(yīng)范圍≥120 ° , 通過編寫 VI 程序及面板設(shè)計，設(shè)計一個人體紅外感應(yīng)樓道燈， 紅外探頭檢測到特殊紅外（人體熱釋電）后發(fā)出信號給信號處理部分，信號處理

部分輸出高電平并延時一段時間，信號可重復(fù)觸發(fā)。

5.度測量傳感器實物模型：輸入電壓 4.5-5.5V ，輸出信號 0-3V ，測量范圍 0-99.9%RH，內(nèi)置變送器通過測量濕敏電容的參數(shù)將空氣濕度轉(zhuǎn)化為模擬量并輸出，采用 labview 軟件進行自動換算

九、設(shè)備可完成實驗內(nèi)容

（一）自控原理實驗

1.典型環(huán)節(jié)的電路模擬

2.二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)

3.線性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的研究

4.典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)頻率特性的測量

5.線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正

6.典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性

7.非線性系統(tǒng)的相平面分析法

8.非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法

9.系統(tǒng)能控性與能觀性分析

10.采樣控制系統(tǒng)的分析

（二）計算機控制技術(shù)實驗

1A/D與D/A轉(zhuǎn)換

2.數(shù)字濾波器

3.D(S)離散化方法的研究

4.數(shù)字PID控制算法的研究

5.串級控制算法的研究

6.最少拍控制算法的研究

7.線性離散系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制

8.直流電機閉環(huán)調(diào)速控制（實物）

9.溫度閉環(huán)PID控制（實物）

10.步進電機控制（實物）