FCDC-1型自動(dòng)控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置

一、概述

（一）本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要用于“自動(dòng)控制原理?計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及對(duì)計(jì)算機(jī)控制算法的研究，主要由數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器、上位機(jī)軟件以及可以任意組合的運(yùn)放單元組成。

（二）系統(tǒng)具有集成一體化的先進(jìn)精密結(jié)構(gòu)，將高性能的控制原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和控制專用測(cè)量與分析儀器等集成在一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。

（三）整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由硬件部分和系統(tǒng)軟件組成：硬件部分由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、多個(gè)掛件、實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成；系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)軟件、系統(tǒng)管理軟件組成，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)軟件用來(lái)完成實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)功能掛箱的計(jì)算機(jī)控制，包括參數(shù)的靈活設(shè)置。

二、平臺(tái)技術(shù)

（一）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由電源儀器模塊箱、鋁型材實(shí)驗(yàn)桌、實(shí)驗(yàn)掛箱、儀器儀表等組成；實(shí)驗(yàn)桌桌面為防火、防水、耐磨高密度板，實(shí)驗(yàn)裝置主框架采用四根75mm×75mm優(yōu)質(zhì)歐標(biāo)型材（單面邊長(zhǎng)33mm+中縫9mm+邊長(zhǎng)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(jì)有帶門可拆卸的鈑金機(jī)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(gè)專用拉手，采用平衡線路供電，為確保產(chǎn)品為成熟產(chǎn)品。

（二）技術(shù)性能

1.輸入電源：?jiǎn)蜗嗳€220V±10% 50Hz；

2.裝置容量：＜200VA；

3.外形尺寸約1560mm×750mm×1200mm（具體應(yīng)可根據(jù)用戶需求調(diào)整）；

（三）電源控制部分：所有模塊采用彩色噴涂工藝，具有2個(gè)專用拉手，30度ABS開模帶底座機(jī)箱，操作面板尺寸195mm×300mm；實(shí)驗(yàn)掛件均采用30度ABS絕緣開模底座機(jī)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(dòng)、停止以及急停按鈕，整體設(shè)計(jì)成獨(dú)立模塊，可以單獨(dú)使用，系統(tǒng)內(nèi)置一套“智能自動(dòng)故障檢測(cè)系統(tǒng)”，采用高可靠電子測(cè)量模塊，采用6路隔離芯片級(jí)電流快速檢測(cè)集成芯片設(shè)計(jì)，32位CPU快速計(jì)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(hù)等快速保護(hù)，實(shí)現(xiàn)“0”內(nèi)阻電路保護(hù)措施，

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

智能保護(hù)系統(tǒng)：

2.直流電源：配置±5V/1A、±12V/0.5A全數(shù)字化設(shè)計(jì)（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(dú)立24位AD采樣，電壓電流顯示誤差3個(gè)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(hù)值輸出功率可200mA-0.9A任意設(shè)置，具有1鍵進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(cè)功能，可擴(kuò)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(jí)，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(jí)，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(jí)柜裝≥48mm*96mm，有專用黑色10mm厚度顯示面板帶4個(gè)穩(wěn)定支點(diǎn)，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(jì)，白色激光雕字。

（3）人機(jī)交互界面采用集成化設(shè)計(jì)，可直接在軟件界面進(jìn)行產(chǎn)品選擇和實(shí)驗(yàn)選擇；能在同一屏幕顯示多個(gè)波形窗口，支持窗口布局操作；支持任意不少于8個(gè)變量的實(shí)時(shí)波形及文本顯示，能實(shí)時(shí)保存及回顯。支持運(yùn)行狀態(tài)及故障狀態(tài)顯示；支持任意8個(gè)變量的實(shí)時(shí)修改；

（四）數(shù)據(jù)采集部分：完成LABVIEW界面控制，具8路差分信號(hào)（或16路單端信號(hào)）、2路模擬信號(hào)輸出、6路數(shù)字信號(hào)輸入/輸出、1路PWM輸入、1路計(jì)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(shí)驗(yàn)掛箱表面，引出信號(hào)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(hào)均引出至快速接線端子，學(xué)生可在端子上進(jìn)行接線操作，以求經(jīng)久耐用采用防觸電護(hù)套專用導(dǎo)線及工業(yè)“U”型端子同時(shí)操作，一體化設(shè)計(jì)，避免模塊產(chǎn)權(quán)糾紛。

（五）自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)部分：為了方便統(tǒng)一管理，實(shí)驗(yàn)?zāi)K宜采用模塊式、積木式等結(jié)構(gòu)，由多個(gè)掛件組合而成，方便維護(hù)，采用高分子材料面板，尺寸195mm*130mm*300mm（長(zhǎng)*寬*高）

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

2.計(jì)算機(jī)原理實(shí)驗(yàn)?zāi)K：尺寸132x88x21mm，實(shí)驗(yàn)?zāi)K采用2mm厚印制線路板制成，正面裝有實(shí)物對(duì)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(shí)驗(yàn)?zāi)K采用磁吸式，方便更換，實(shí)驗(yàn)?zāi)K正反面均安裝透明亞克力保護(hù)，配套以下實(shí)物對(duì)象，

各實(shí)物模型詳細(xì)圖文說(shuō)明如下：

（1）溫度實(shí)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(cè)量范圍：0-100℃。

（2）直流電機(jī)實(shí)物模型：直流電機(jī)模塊功率12V/0.22mA（空載），3.5A（堵轉(zhuǎn)）；直流電機(jī)模塊轉(zhuǎn)速 100~12000rpm；通過APC芯片搭建的模擬量轉(zhuǎn)PWM電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率的無(wú)極調(diào)節(jié)。

（3）步進(jìn)電機(jī)實(shí)物模型：步數(shù)：96步/圈（3.75°/步）；步進(jìn)電機(jī)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）。

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

（七）HKSM-1型便攜式教學(xué)開發(fā)平臺(tái)（整批配置二套）：采用 PVC 工程塑料一次成型，尺寸長(zhǎng)350×寬260×高60mm，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(dòng)；同時(shí)額外預(yù)留 24V 供電接口以作備用，平臺(tái)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(shí)驗(yàn)箱側(cè)面；實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的需求，可任意設(shè)置，具有短路 保護(hù)且自動(dòng)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(shí)驗(yàn)形式；具備 2 路虛擬示波器及虛擬信號(hào)源輸出口。

1.支持虛擬儀器采集卡、 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K、計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K在開 發(fā)平臺(tái)上安裝，可隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，此平臺(tái)支持后期數(shù)字電路、模擬電路、

電路分析、單片機(jī)、虛擬儀器等實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示。

2.稱重傳感器實(shí)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(cè)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(jìn)行自動(dòng)換算。

3.可燃?xì)怏w傳感器實(shí)物模型：可檢測(cè)煙霧、可燃?xì)怏w，檢測(cè)濃度 300-10000ppm，需測(cè)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(cè)，通過芯片變送為電壓模擬量輸出或通過比較器比較報(bào)警濃度后直接輸出開關(guān)量。

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

部分輸出高電平并延時(shí)一段時(shí)間，信號(hào)可重復(fù)觸發(fā)。

5.度測(cè)量傳感器實(shí)物模型：輸入電壓 4.5-5.5V ，輸出信號(hào) 0-3V ，測(cè)量范圍 0-99.9%RH，內(nèi)置變送器通過測(cè)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(jìn)行自動(dòng)換算

三、設(shè)備可完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（一）自控原理實(shí)驗(yàn)

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(cè)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)

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(jí)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(jī)閉環(huán)調(diào)速控制（實(shí)物）

9.溫度閉環(huán)PID控制（實(shí)物）

10.步進(jìn)電機(jī)控制（實(shí)物）