自動控制原理計算機控制實驗箱，自控與計控實驗平臺
2024-05-06 06:49自動控制原理和計算機控制技術是自動化領域的兩個重要組成部分，它們分別代表了控制系統的基礎理論和現代實施方法。
自動控制原理 是指研究自動控制系統的行為、特性、設計方法和改進策略的學科。它涉及對系統模型的建立、分析和綜合，以確保系統的穩定性、響應速度、準確性和魯棒性等方面滿足預定的要求。自動控制原理的核心內容包括：
系統模型的建立，如傳遞函數、狀態空間模型等。
穩定性分析，如勞斯-赫爾維茨判據、奈奎斯特穩定判據等。
性能指標分析，如上升時間、峰值時間、調整時間等。
控制系統的設計，如PID控制、最優控制、魯棒控制等。
計算機控制技術 是利用計算機對過程或設備進行自動控制的技術。計算機控制技術包括以下幾個方面：
過程控制，如閉環控制、前饋控制、解耦控制等。
控制算法的開發和實施，如數字PID控制算法、預測控制算法等。
控制系統仿真，利用仿真軟件對控制系統進行建模和分析。
控制系統硬件和軟件的設計，如PLC編程、DCS系統設計等。
在實際應用中，自動控制原理和計算機控制技術是緊密結合的。計算機控制技術利用自動控制原理提供的理論基礎來設計和分析控制系統，而自動控制原理則通過計算機來實現復雜的控制算法和策略。隨著計算機技術的快速發展，現代控制系統越來越多地采用計算機控制技術，以實現更為復雜和精密的控制任務。
自動控制原理計算機控制實驗箱是一種專門用于自動控制原理實驗和計算機控制實驗的教學設備。它結合了自動控制理論、計算機技術和電子技術，為學生提供了一個直觀、實踐的學習環境，以便更深入地理解和掌握自動控制系統的原理、設計和應用。
該實驗箱由以下幾個部分組成：
硬件平臺：包括各種傳感器、執行器、接口電路、信號調理電路等，用于構建實際的控制系統。這些硬件部件可以模擬各種實際的控制對象，如溫度控制系統、電機控制系統等。
計算機控制系統：這是實驗箱的核心部分，由計算機、數據采集卡、控制算法軟件等組成。計算機通過數據采集卡獲取傳感器的信號，然后運行控制算法軟件對信號進行處理，生成控制信號并通過接口電路發送給執行器。
軟件平臺：包括實驗箱的控制軟件、編程環境、仿真軟件等。這些軟件用于編寫控制程序、設置實驗參數、顯示實驗數據等。
使用自動控制原理計算機控制實驗箱進行實驗，學生可以：
學習和掌握自動控制系統的基本原理和設計方法。
通過實驗驗證理論知識的正確性，加深對自動控制系統的理解。
學習和掌握計算機控制系統的設計和實現方法，了解計算機在控制系統中的作用。
學習和掌握控制算法的設計和實現方法，如PID控制、模糊控制等。
培養學生的動手能力和創新精神，提高解決實際問題的能力。
此外，自動控制原理計算機控制實驗箱還具有以下特點：
開放性：實驗箱的設計具有開放性，學生可以根據自己的需要靈活搭建實驗系統。
靈活性：實驗箱支持多種傳感器和執行器，可以模擬多種不同的控制對象。
安全性：實驗箱具有完善的安全保護措施，確保實驗過程的安全可靠。
易用性：實驗箱的操作簡單易懂，學生可以快速上手進行實驗。
一、概況
自動控制原理學習是自動化、自動控制、電子技術、電氣技術、精密儀器等專業教學中的基礎課程。自控原理與計算機控制實驗平臺提供集成嵌入式自控計控核心模塊、操作軟件，通過虛擬PC示波器功能可實時、清晰的觀察控制系統的各項靜、動態特性，方便了對模擬控制系統特性的研究。微型溫度控制單元可以代替烤箱進行溫度控制實驗，加上系統配置的直流電機、步進電機等控制對象，可開設控制系統課程的實驗。該系統還可擴展支持如線性系統、最優控制、系統辨識及計算機控制等現代控制理論的模擬實驗研究。
二、實驗平臺內置嵌入式自控計控核心模塊
1. 核心芯片：HD4000，雙核雙線程/主頻2.4Ghz/睿頻2.6 GHZ,4G內存，支持上電自啟動。
2. 15寸高亮度350cd/m2顯示屏，10點電容觸摸，操作快捷，方便。
3. 提供1個 千兆網口,2個RS232接口,4個 USB接口。
4. 全鋁密封，工控級別防塵，防靜電，抗干擾。
5. 前面板防塵防水，IP65防護等級，有效防止噴濺的水滴和油脂進入。
6. 極速被動散熱，熱量從鋁塊和鋁合金后蓋快速散出，經過高低溫箱長時間測試，-10°C~60°C 環境下穩定運行。
7. 核心模塊預裝有高度可視化的源語言級集成開發環境，集控制程序開發、調試和實驗測量分析于一體，支持匯編源語言級的編程和調試。
8. 核心模塊集成提供了一組先進的虛擬儀器功能，為用戶創造了集控制系統設計、系統調試和測試分析諸功能一體化的實驗環境，具有很高的性價比和極佳的教學效果。其主要性能指標如下：
1) 雙蹤超低頻數字存儲示波器：具有實時測量和顯示、波形回放、游標測量、波形存貯等功能。
2) 頻率特性分析儀：可顯示系統各頻率點的時域相應波形并進行分析，以半自動掃頻測量方式進行測量，測量完畢后即可產生極坐標圖和波特圖，由此顯示出系統的頻率特性，同時還具有圖形保存功能。
3) X_Y測量：將兩路測量信號以X_Y坐標的形式顯示，具有波形刷新和波形存貯功能，可應用于非線性系統的實驗特性研究。
三、開放式的控制實驗平臺
1. 實驗平臺中具有各種典型信號源（階躍信號、方波信號、斜波信號、拋物波信號、正弦波信號）、模擬對象（八組運放單元）、實際對象（步進電機、直流電機、溫度控制）等單元。各單元之間的電路連接、單元內的元件選擇都可以多種方式來操作，從而極大地提高了實驗效率。系統允許用戶根據教學內容來自行設計、開發相應的實驗項目，并支持大型的課程設計和畢業設計。
2. 自動控制原理實驗方面，系統提供了包括線性控制系統的時域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法以及系統校正和設計等方法的實驗研究，也提供了關于線性離散系統、非線性控制系統的實驗研究內容；另外對于現代控制理論的教學，提供了狀態空間分析實驗。
3. 系統提供的計算機控制實驗內容主要包括：過程通道和數據采集處理、系統的數字程序控制、數字PID閉環控制、數字調節器直接設計方法的實驗研究，從而可使學生對新型智能控制算法有所了解和掌握。
4. 在控制系統應用實驗方面，系統提供了直流電機(快速)和溫度控制(慢速)兩種實驗對象，以構成不同的閉環系統，從而可選擇不同的控制策略或控制參數，以得到最好的實時控制效果。
四、系統構成
1. 嵌入式自控計控核心模塊；
2. 系統由各單元電路、8088CPU控制單元和PC機進行通訊的串口構成；
3. 信號源發生單元電路：正弦波、方波、斜波及拋物波，信號周期在2毫秒至30秒之間可調；
4. 采樣保恃器及單穩單元電路；
5. 運算模擬單元電路；
6. 非線性單元電路；
7. 狀態指示燈單元；
8. D/A0832數/模轉換單元電路；
9. A/D0809模/數轉換單元電路；
10. 單節拍脈沖發生單元；
11. 電位器單元；
12. －5V電源發生單元；
13. 驅動單元；
14. 電機單元；
15. 直流電機、步進電機模塊單元；
16. 信號測量單元： 采用PC軟件實現雙蹤示波器、頻率特性分析等功能。
17. 特殊運算環節單元；
18. 可變電阻器組單元；
19. 微型溫度控制單元；
五、電源參數
1. 輸入電壓：220V ±10%
2. 輸出電壓/電流：+5V/2A，+l2V/0.2A，-l2V/0.2A
六、實驗平臺采用復合材料的箱式結構：
1. 箱體采用優質鋁合金框架+鋁合金包邊+鐵護角+ABS密度板+優雅黑美式大手把。
2. 上下蓋安裝加固強勁支撐合頁，兩邊增加兩個支撐鉸鏈曲手，開合度設置為95度，提供一個完美的操作和顯示視角。
3. 所有合金包角采用柳釘來加固保護，內部鋪設黑色PU面料，箱子美觀，堅固，不易變形。
4. 箱體箱底安裝耐磨墊和保護腳，正面安裝雙安全卡扣鎖。
七、實驗項目
（一）自動控制原理 實驗項目
1. 典型環節的模擬研究
2. 典型系統瞬態響應和穩定性
3. 系統校正
4. 控制系統的頻率特性
5. 典型非線性環節
6. 非線性系統（一）
7. 非線性系統（二）
8. 采樣系統分析
9. 采樣控制系統的校正
10. 態反饋（極點配置）
（二）計算機控制技術
11. A/D，D/A轉換
12. 采樣保持器
13. 數字濾波
14. 積分分離式PID控制
15. 最小拍有紋波系統實驗
16. 最小拍無紋波系統實驗
17. 大林算法控制
18. 非線性控制
19. 解耦控制
20. 綜合控制實驗
（三）控制系統應用
21. 直流電機閉環調速實驗
22. 溫度閉環控制實驗
23. 步進電機調速實驗
自動控制原理 是指研究自動控制系統的行為、特性、設計方法和改進策略的學科。它涉及對系統模型的建立、分析和綜合，以確保系統的穩定性、響應速度、準確性和魯棒性等方面滿足預定的要求。自動控制原理的核心內容包括：
系統模型的建立，如傳遞函數、狀態空間模型等。
穩定性分析，如勞斯-赫爾維茨判據、奈奎斯特穩定判據等。
性能指標分析，如上升時間、峰值時間、調整時間等。
控制系統的設計，如PID控制、最優控制、魯棒控制等。
計算機控制技術 是利用計算機對過程或設備進行自動控制的技術。計算機控制技術包括以下幾個方面：
過程控制，如閉環控制、前饋控制、解耦控制等。
控制算法的開發和實施，如數字PID控制算法、預測控制算法等。
控制系統仿真，利用仿真軟件對控制系統進行建模和分析。
控制系統硬件和軟件的設計，如PLC編程、DCS系統設計等。
在實際應用中，自動控制原理和計算機控制技術是緊密結合的。計算機控制技術利用自動控制原理提供的理論基礎來設計和分析控制系統，而自動控制原理則通過計算機來實現復雜的控制算法和策略。隨著計算機技術的快速發展，現代控制系統越來越多地采用計算機控制技術，以實現更為復雜和精密的控制任務。
自動控制原理計算機控制實驗箱是一種專門用于自動控制原理實驗和計算機控制實驗的教學設備。它結合了自動控制理論、計算機技術和電子技術，為學生提供了一個直觀、實踐的學習環境，以便更深入地理解和掌握自動控制系統的原理、設計和應用。
該實驗箱由以下幾個部分組成：
硬件平臺：包括各種傳感器、執行器、接口電路、信號調理電路等，用于構建實際的控制系統。這些硬件部件可以模擬各種實際的控制對象，如溫度控制系統、電機控制系統等。
計算機控制系統：這是實驗箱的核心部分，由計算機、數據采集卡、控制算法軟件等組成。計算機通過數據采集卡獲取傳感器的信號，然后運行控制算法軟件對信號進行處理，生成控制信號并通過接口電路發送給執行器。
軟件平臺：包括實驗箱的控制軟件、編程環境、仿真軟件等。這些軟件用于編寫控制程序、設置實驗參數、顯示實驗數據等。
使用自動控制原理計算機控制實驗箱進行實驗，學生可以：
學習和掌握自動控制系統的基本原理和設計方法。
通過實驗驗證理論知識的正確性，加深對自動控制系統的理解。
學習和掌握計算機控制系統的設計和實現方法，了解計算機在控制系統中的作用。
學習和掌握控制算法的設計和實現方法，如PID控制、模糊控制等。
培養學生的動手能力和創新精神，提高解決實際問題的能力。
此外，自動控制原理計算機控制實驗箱還具有以下特點：
開放性：實驗箱的設計具有開放性，學生可以根據自己的需要靈活搭建實驗系統。
靈活性：實驗箱支持多種傳感器和執行器，可以模擬多種不同的控制對象。
安全性：實驗箱具有完善的安全保護措施，確保實驗過程的安全可靠。
易用性：實驗箱的操作簡單易懂，學生可以快速上手進行實驗。
DB-SD42 自控原理與計算機控制實驗平臺
一、概況
自動控制原理學習是自動化、自動控制、電子技術、電氣技術、精密儀器等專業教學中的基礎課程。自控原理與計算機控制實驗平臺提供集成嵌入式自控計控核心模塊、操作軟件，通過虛擬PC示波器功能可實時、清晰的觀察控制系統的各項靜、動態特性，方便了對模擬控制系統特性的研究。微型溫度控制單元可以代替烤箱進行溫度控制實驗，加上系統配置的直流電機、步進電機等控制對象，可開設控制系統課程的實驗。該系統還可擴展支持如線性系統、最優控制、系統辨識及計算機控制等現代控制理論的模擬實驗研究。
二、實驗平臺內置嵌入式自控計控核心模塊
1. 核心芯片：HD4000，雙核雙線程/主頻2.4Ghz/睿頻2.6 GHZ,4G內存，支持上電自啟動。
2. 15寸高亮度350cd/m2顯示屏，10點電容觸摸，操作快捷，方便。
3. 提供1個 千兆網口,2個RS232接口,4個 USB接口。
4. 全鋁密封，工控級別防塵，防靜電，抗干擾。
5. 前面板防塵防水，IP65防護等級，有效防止噴濺的水滴和油脂進入。
6. 極速被動散熱，熱量從鋁塊和鋁合金后蓋快速散出，經過高低溫箱長時間測試，-10°C~60°C 環境下穩定運行。
7. 核心模塊預裝有高度可視化的源語言級集成開發環境，集控制程序開發、調試和實驗測量分析于一體，支持匯編源語言級的編程和調試。
8. 核心模塊集成提供了一組先進的虛擬儀器功能，為用戶創造了集控制系統設計、系統調試和測試分析諸功能一體化的實驗環境，具有很高的性價比和極佳的教學效果。其主要性能指標如下：
1) 雙蹤超低頻數字存儲示波器：具有實時測量和顯示、波形回放、游標測量、波形存貯等功能。
2) 頻率特性分析儀：可顯示系統各頻率點的時域相應波形并進行分析，以半自動掃頻測量方式進行測量，測量完畢后即可產生極坐標圖和波特圖，由此顯示出系統的頻率特性，同時還具有圖形保存功能。
3) X_Y測量：將兩路測量信號以X_Y坐標的形式顯示，具有波形刷新和波形存貯功能，可應用于非線性系統的實驗特性研究。
三、開放式的控制實驗平臺
1. 實驗平臺中具有各種典型信號源（階躍信號、方波信號、斜波信號、拋物波信號、正弦波信號）、模擬對象（八組運放單元）、實際對象（步進電機、直流電機、溫度控制）等單元。各單元之間的電路連接、單元內的元件選擇都可以多種方式來操作，從而極大地提高了實驗效率。系統允許用戶根據教學內容來自行設計、開發相應的實驗項目，并支持大型的課程設計和畢業設計。
2. 自動控制原理實驗方面，系統提供了包括線性控制系統的時域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法以及系統校正和設計等方法的實驗研究，也提供了關于線性離散系統、非線性控制系統的實驗研究內容；另外對于現代控制理論的教學，提供了狀態空間分析實驗。
3. 系統提供的計算機控制實驗內容主要包括：過程通道和數據采集處理、系統的數字程序控制、數字PID閉環控制、數字調節器直接設計方法的實驗研究，從而可使學生對新型智能控制算法有所了解和掌握。
4. 在控制系統應用實驗方面，系統提供了直流電機(快速)和溫度控制(慢速)兩種實驗對象，以構成不同的閉環系統，從而可選擇不同的控制策略或控制參數，以得到最好的實時控制效果。
四、系統構成
1. 嵌入式自控計控核心模塊；
2. 系統由各單元電路、8088CPU控制單元和PC機進行通訊的串口構成；
3. 信號源發生單元電路：正弦波、方波、斜波及拋物波，信號周期在2毫秒至30秒之間可調；
4. 采樣保恃器及單穩單元電路；
5. 運算模擬單元電路；
6. 非線性單元電路；
7. 狀態指示燈單元；
8. D/A0832數/模轉換單元電路；
9. A/D0809模/數轉換單元電路；
10. 單節拍脈沖發生單元；
11. 電位器單元；
12. －5V電源發生單元；
13. 驅動單元；
14. 電機單元；
15. 直流電機、步進電機模塊單元；
16. 信號測量單元： 采用PC軟件實現雙蹤示波器、頻率特性分析等功能。
17. 特殊運算環節單元；
18. 可變電阻器組單元；
19. 微型溫度控制單元；
五、電源參數
1. 輸入電壓：220V ±10%
2. 輸出電壓/電流：+5V/2A，+l2V/0.2A，-l2V/0.2A
六、實驗平臺采用復合材料的箱式結構：
1. 箱體采用優質鋁合金框架+鋁合金包邊+鐵護角+ABS密度板+優雅黑美式大手把。
2. 上下蓋安裝加固強勁支撐合頁，兩邊增加兩個支撐鉸鏈曲手，開合度設置為95度，提供一個完美的操作和顯示視角。
3. 所有合金包角采用柳釘來加固保護，內部鋪設黑色PU面料，箱子美觀，堅固，不易變形。
4. 箱體箱底安裝耐磨墊和保護腳，正面安裝雙安全卡扣鎖。
七、實驗項目
（一）自動控制原理 實驗項目
1. 典型環節的模擬研究
2. 典型系統瞬態響應和穩定性
3. 系統校正
4. 控制系統的頻率特性
5. 典型非線性環節
6. 非線性系統（一）
7. 非線性系統（二）
8. 采樣系統分析
9. 采樣控制系統的校正
10. 態反饋（極點配置）
（二）計算機控制技術
11. A/D，D/A轉換
12. 采樣保持器
13. 數字濾波
14. 積分分離式PID控制
15. 最小拍有紋波系統實驗
16. 最小拍無紋波系統實驗
17. 大林算法控制
18. 非線性控制
19. 解耦控制
20. 綜合控制實驗
（三）控制系統應用
21. 直流電機閉環調速實驗
22. 溫度閉環控制實驗
23. 步進電機調速實驗