自控原理/计算机控制多功能实验装置

一、概述

自控原理、计算机控制等课程是自动化及相关专业的重要的专业基础课，理论性较强，较抽象，学生学习掌握有一定的难度，因此实验教学环节效果的好坏对学生牢固掌握课堂理论知识，提高课程的教学质量起着非常重要的作用，我们研制的这种新型实验装置，将传统的实验方法与计算机结合起来，不仅使操作更灵活方便，实验内容更丰富，分析手段更科学化，而且明显提高了学生的学习兴趣。

二、主要组成

实验装置的结构图如图1所示，该系统中由计算机通过串口或USB接口与自制的A/D、D/A接口板实现信号发生器、示波器的功能，实验时不用打开机箱，使用非常方便，本系统充分发挥了计算机的优势，由计算机完成实验数据的采集、存储和计算处理，在实验时就可以将实验结果与理论分析值进行对比，提高了实验效率，配套实验软件人机界面非常友好，操作简便，实验数据可导入Matlab进行分析，显著增强了实验效果。本实验装置还具有实验方案配置灵活、便于扩展其他实验等优点，由于计算机在不做实验时也可被充分利用，实际上也节约了设备投资。

图1 新型自控/计控实验系统结构图

三、特点

1、A/D、D/A接口板采用SOC型单片机C8051F020，集成度高，板上拥有2路DA，8路AD，精度为12位，范围-5V至+5V，通过串口或USB接口与计算机相连，数据传输速度达到115200bps。

2、在同一硬件平台上开发了自控原理/计算机控制/虚拟仪器等多个系列的多套实验软件，形成了包括自控原理仿真、自控原理实验、数字PID实验、直接数字控制器设计、数据记录、数据回放等软件组成的软件包，功能非常强大。

• 自控原理部分：

开发有自控原理实验仿真软件，在实际操作之前可*行理论仿真，实验后可将实测结果与理论值进行对比分析，加深理解。

信号发生器部分的设计具有超乎寻常的强大功能及灵活性，真正实现2路DA的同时使用，可发出阶跃、斜坡、抛物线、正弦、方波、三角、锯齿、随机等多种信号且幅值、频率、极性、初始相位可调，2路DA之间相位可调、可叠加。

AD信号可选择显示的方式（正反、颜色、线宽、打点划线等），可实现连续采集（只受硬盘容量限制），

具有长余辉X-Y与短余辉X-Y显示方式。

实验数据可生成数据文件导入Matlab进行分析，显著增强了实验效果。

可自动进行频率特性分析，生成60组数据，自动绘制波特图、奈氏图。

• 计算机控制部分：

信号给定方式多样，可选阶跃、斜坡、抛物线、正弦、方波、三角、锯齿、电位器给定多种方式且幅值、频率、极性可调。

可实现多个PID调节器的串级控制实验，可进行电流、转速、位置三闭环控制的模拟实验。

可进行四种算法的单神经元自适应PID控制实验，所有控制算法均不需编程。

AD信号可选择显示的方式（正反、颜色、线宽、打点划线等），可实现连续采集（只受硬盘容量限制）。

• 虚拟仪器部分：

可实现数据采集、存储、回放等功能。

3、本实验装置通过开放通信协议，提供多种例程，实现了一机多用，非常适合自动化及相关专业开展实验室开放、课程设计、电子竞赛训练、毕业设计等教学内容。

4、使用方便，在界面设计方面，特别注意了易操作性，自控原理、计算机控制、虚拟仪器等多套软件共用同一套硬件，具有相同的界面风格，部分程序界面如图2所示，其中参数设置在动态加入的窗体中完成，波形显示在一个图片框控件上完成，图片框上方显示X-Y坐标值和时间值，工具栏上的三个按键分别是启动、暂停和停止，同时包括接口测试程序，学生不需专门的学习过程即可使用。

5、实时显示速度快，软件采用了特别的加速技术，实现了数据曲线的高速实时显示，不需数据拟合处理，非常适用于实验教学。

6、该实验平台采用开放性设计，可充分满足教师学生自主开发设计型、创新性实验的需要。

7、性能可靠，本产品设计*，能够适应实验教学中经常出现的各种错误接线、错误操作等情况，经用户长时间使用，从未出现任何影响使用的故障，真正实现零维护。为保证客户利益，我们对本产品实行1年保修，终身维护。

图2 部分程序界面

四、实验内容：

自控原理部分：

实验一 典型环节及其阶跃响应

实验二 二阶系统阶跃响应

实验三 控制系统的稳定性分析

实验四 系统稳态误差分析

实验五 系统频率特性实验

实验六 系统校正

实验七 相平面法分析非线性系统

实验八 采样系统分析

实验九 状态反馈

实验十 二次型控制器设计

计算机控制部分：

实验一 D/A模数转换实验

实验二 A/D数模转换实验

实验三 采样与保持实验

实验四 平滑与数字滤波实验

实验五 模拟PID控制实验

实验六 数字PID控制实验

实验七 单神经元自适应PID控制系统实验

实验八 最少拍控制系统实验

实验九 大林算法实验

实验十 双闭环直流调速系统课程设计

虚拟仪器部分：

可实现多通道数据采集、存储、回放等功能。

开放实验、毕业设计部分：

（1）开展模拟量输入输出、数字量输入输出、人机界面设计、温度测量等常规单片机程序设计；

（2）开发单片机与各种主流软件平台的串行通信协议以及MODBUS等多种通信协议；

（3）基于各种主流软件平台的上位机监控程序设计；

（4）PID等智能控制算法的实现及智能仪器开发。

以上内容均应开放通信协议并提供相应例程。

图3 部分实验效果