自控原理/計算機控制多功能實驗裝置

一、概述

自控原理、計算機控制等課程是自動化及相關專業的重要的專業基礎課，理論性較強，較抽象，學生學習掌握有一定的難度，因此實驗教學環節效果的好壞對學生牢固掌握課堂理論知識，提高課程的教學質量起著非常重要的作用，我們研制的這種新型實驗裝置，將傳統的實驗方法與計算機結合起來，不僅使操作更靈活方便，實驗內容更豐富，分析手段更科學化，而且明顯提高了學生的學習興趣。

二、主要組成

實驗裝置的結構圖如圖1所示，該系統中由計算機通過串口或USB接口與自制的A/D、D/A接口板實現信號發生器、示波器的功能，實驗時不用打開機箱，使用非常方便，本系統充分發揮了計算機的優勢，由計算機完成實驗數據的采集、存儲和計算處理，在實驗時就可以將實驗結果與理論分析值進行對比，提高了實驗效率，配套實驗軟件人機界面非常友好，操作簡便，實驗數據可導入Matlab進行分析，顯著增強了實驗效果。本實驗裝置還具有實驗方案配置靈活、便于擴展其他實驗等優點，由于計算機在不做實驗時也可被充分利用，實際上也節約了設備投資。

圖1 新型自控/計控實驗系統結構圖

三、特點

1、A/D、D/A接口板采用SOC型單片機C8051F020，集成度高，板上擁有2路DA，8路AD，精度為12位，范圍-5V至+5V，通過串口或USB接口與計算機相連，數據傳輸速度達到115200bps。

2、在同一硬件平臺上開發了自控原理/計算機控制/虛擬儀器等多個系列的多套實驗軟件，形成了包括自控原理仿真、自控原理實驗、數字PID實驗、直接數字控制器設計、數據記錄、數據回放等軟件組成的軟件包，功能非常*。

• 自控原理部分：

開發有自控原理實驗仿真軟件，在實際操作之前可*行理論仿真，實驗后可將實測結果與理論值進行對比分析，加深理解。

信號發生器部分的設計具有超乎尋常的*功能及靈活性，真正實現2路DA的同時使用，可發出階躍、斜坡、拋物線、正弦、方波、三角、鋸齒、隨機等多種信號且幅值、頻率、極性、初始相位可調，2路DA之間相位可調、可疊加。

AD信號可選擇顯示的方式（正反、顏色、線寬、打點劃線等），可實現連續采集（只受硬盤容量限制），

具有長余輝X-Y與短余輝X-Y顯示方式。

實驗數據可生成數據文件導入Matlab進行分析，顯著增強了實驗效果。

可自動進行頻率特性分析，生成60組數據，自動繪制波特圖、奈氏圖。

• 計算機控制部分：

信號給定方式多樣，可選階躍、斜坡、拋物線、正弦、方波、三角、鋸齒、電位器給定多種方式且幅值、頻率、極性可調。

可實現多個PID調節器的串級控制實驗，可進行電流、轉速、位置三閉環控制的模擬實驗。

可進行四種算法的單神經元自適應PID控制實驗，所有控制算法均不需編程。

AD信號可選擇顯示的方式（正反、顏色、線寬、打點劃線等），可實現連續采集（只受硬盤容量限制）。

• 虛擬儀器部分：

可實現數據采集、存儲、回放等功能。

3、本實驗裝置通過開放通信協議，提供多種例程，實現了一機多用，非常適合自動化及相關專業開展實驗室開放、課程設計、電子競賽訓練、畢業設計等教學內容。

4、使用方便，在界面設計方面，特別注意了易操作性，自控原理、計算機控制、虛擬儀器等多套軟件共用同一套硬件，具有相同的界面風格，部分程序界面如圖2所示，其中參數設置在動態加入的窗體中完成，波形顯示在一個圖片框控件上完成，圖片框上方顯示X-Y坐標值和時間值，工具欄上的三個按鍵分別是啟動、暫停和停止，同時包括接口測試程序，學生不需專門的學習過程即可使用。

5、實時顯示速度快，軟件采用了特別的加速技術，實現了數據曲線的高速實時顯示，不需數據擬合處理，非常適用于實驗教學。

6、該實驗平臺采用開放性設計，可充分滿足教師學生自主開發設計型、創新性實驗的需要。

7、性能可靠，本產品設計*，能夠適應實驗教學中經常出現的各種錯誤接線、錯誤操作等情況，經用戶長時間使用，從未出現任何影響使用的故障，真正實現零維護。為保證客戶利益，我們對本產品實行1年保修，終身維護。

圖2 部分程序界面

四、實驗內容：

自控原理部分：

實驗一 典型環節及其階躍響應

實驗二 二階系統階躍響應

實驗三 控制系統的穩定性分析

實驗四 系統穩態誤差分析

實驗五 系統頻率特性實驗

實驗六 系統校正

實驗七 相平面法分析非線性系統

實驗八 采樣系統分析

實驗九 狀態反饋

實驗十 二次型控制器設計

計算機控制部分：

實驗一 D/A模數轉換實驗

實驗二 A/D數模轉換實驗

實驗三 采樣與保持實驗

實驗四 平滑與數字濾波實驗

實驗五 模擬PID控制實驗

實驗六 數字PID控制實驗

實驗七 單神經元自適應PID控制系統實驗

實驗八 最少拍控制系統實驗

實驗九 大林算法實驗

實驗十 雙閉環直流調速系統課程設計

虛擬儀器部分：

可實現多通道數據采集、存儲、回放等功能。

開放實驗、畢業設計部分：

（1）開展模擬量輸入輸出、數字量輸入輸出、人機界面設計、溫度測量等常規單片機程序設計；

（2）開發單片機與各種主流軟件平臺的串行通信協議以及MODBUS等多種通信協議；

（3）基于各種主流軟件平臺的上位機監控程序設計；

（4）PID等智能控制算法的實現及智能儀器開發。

以上內容均應開放通信協議并提供相應例程。

圖3 部分實驗效果