SGZKJ-01A自動控制理論及計算機控制技術實驗臺

 

二、產(chǎn)品特點
1、系統(tǒng)集模擬、仿真和數(shù)字RTW實時控制為一體，實驗由淺入深，由模擬到數(shù)字循序漸進，將傳統(tǒng)和現(xiàn)代的教學模式相結合，便于教和學。
2、實驗臺除了模擬電路環(huán)節(jié)，提供了轉速閉環(huán)系統(tǒng)、溫度閉環(huán)系統(tǒng)（大滯后）、位置隨動系統(tǒng)和二階液位系統(tǒng)等四種具有代表性的實物為自控和計控的實驗對象，供學校選擇。
3、系統(tǒng)配置了I/0板卡、數(shù)據(jù)采集控制板和計算機，可在MATLAB/Simulink環(huán)境下實現(xiàn)自控和計控的計算機仿真和硬件在環(huán)（HIL）實時控制系統(tǒng)實驗。
4、系統(tǒng)提供了“Actlab自動控制理論實驗室”（Automatic Control Theory Lab）和LAB_CC計算機控制實驗室（LAB_Computer Control）軟件，可采用數(shù)學建模、軟件仿真和RTW實時控制等方法完成實驗，使學生通過系統(tǒng)實驗建立起科研的思路。
5、提供了開放的硬件和軟件開發(fā)環(huán)境，為學生進行自主創(chuàng)新實驗提供了條件；
三、實驗項目
1、自動控制理論實驗和RTW實時控制實驗
1）典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究；
2）典型系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析；
3）典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的頻率特性測量；
4）線性系統(tǒng)串聯(lián)校正；
5）典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性；
6）非線性系統(tǒng)相平面法；
7）非線性系統(tǒng)描述函數(shù)法；
8）極點配置線性系統(tǒng)全狀態(tài)反饋控制；
9）采樣控制系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析的混合仿真研究；
10）采樣控制系統(tǒng)串聯(lián)校正的混合仿真研究。
2、計算機控制技術的仿真和RTW實時控制實驗
1）A/D與D/A轉換
2）數(shù)字濾波
3）D(S)離散化方法的研究
4）數(shù)字PID控制的算法研究
5）串級控制的算法研究
6）解耦控制的算法研究
7）二維模糊控制器特性及其應用的研究
8）線性離散系統(tǒng)全狀態(tài)反饋控制的算法研究
9）具有純滯后系統(tǒng)的大林控制算法研究
10）最小拍控制的算法研究
11）積分分離PID控制算法研究
12）Smith預估補償算法研究
3、實物控制對象的仿真和RTW實時控制
1）直流電機速度閉環(huán)系統(tǒng)實驗；
2）溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗；
3）水箱液位閉環(huán)系統(tǒng)實驗。
4）角度平衡風機閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
5）光伏實時追蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
四、實驗臺技術說明
    1、技術條件
1）輸入電源：單相220VAC±5%/50Hz，裝置容量：< 200VA；
2）工作環(huán)境：溫度-10℃～＋40℃，相對濕度≤85%，海拔≤4000m；
3）重    量：< 50kg；
4）實驗臺尺寸：L×W×H=1650mm×750mm×780mm；
2、實驗臺結構說明
由鋁合金控制屏、實驗模塊、實驗桌和實驗導線等組成。實驗模塊由交流電源、運放模擬環(huán)節(jié)、控制計算機（學校自備）及I/O板卡、數(shù)據(jù)采集控制板和控制對象等組成。
3、系統(tǒng)配置
*（1）控制屏：由電源單元、數(shù)據(jù)處理單元、元器件單元、3個非線性單元以及9個模擬電路單元等共16個單元組成。
1）U1電源單元：包括電源開關、保險絲、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V 以及0V～15V 可調電源，提供實驗工作電源。
2）實時采集數(shù)據(jù)處理單元：USB2.0接口，內部包含多路A/D采集輸入通道和D/A輸出通道。
模擬量輸入：8路12位A/D采樣精度，±10V電平輸入，200K采樣速率。可同步采集多路模擬量信號輸入；
模擬量輸出：2路12位D/A輸出，±10V電平輸出。
數(shù)字量通道：8路TTL輸入，8路TTL輸出。
雙蹤示波卡功能：雙路16位A/D采樣精度，1M采樣速率，40K采樣深度。結合上位機軟件，用以實現(xiàn)虛擬示波器、測試信號發(fā)生器等功能。
3）U4元器件單元：由運放及外圍元器件構成。
4）U5－U7 3 個非線性環(huán)節(jié)單元：由運放及外圍元器件構成。
單元U5可選擇具有死區(qū)特性或間隙特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。單元U6為具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。單元U7為具有飽和特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。
5）U8－U16 9 個模擬電路單元：由運算放大器與電阻，電容等器件組成的模擬電路單元。其中U8為反相器。U9－U16的每個單元均有場效應管組成的鎖零電路和運放調零電路。
（2）控制對象配置
1）ACT-DT1電機轉速閉環(huán)控制系統(tǒng)
采用力矩電機，可準確地反應出控制效果，進行電機轉速閉環(huán)控制。轉速通過光電碼盤進行檢測，并轉換后輸出 1～10V 轉速信號。在面板上設置有 1 只 0～10V 直流電壓表和 1 只轉速表，可用于電壓測量和轉速指示。
 
2）ACT-WKB溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)
該模型采用熱風控制，基于流體溫度控制原理，模仿汽車發(fā)動機燃燒溫度檢測控制。其特點是反應速度快，控制效果好，可滿足《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》等課程的教學要求。
實驗內容：
a.模擬調節(jié)器控制的溫度控制實驗；
b.開環(huán)控制的溫度控制系統(tǒng)實驗；
c.閉環(huán)控制的溫度控制系統(tǒng)實驗；
d.溫度干擾控制系統(tǒng)實驗。
 
 
3）ACT-YK4二階液位控制系統(tǒng)
系統(tǒng)由水箱、電源、傳感器、水泵、管路及金屬框架組成。
水箱3只：2只控制水箱和1只儲水箱。2只控制水箱安置在上下兩層，其主要任務是為完成二階液位特性實驗和水箱液位控制實驗。在控制水箱的底部安裝了兩水閥，打開時可以充當干擾的作用。儲水箱的主要作用是儲水用的。向控制水箱提供水，同時也擔任把水回收的重要任務。電源模塊：主要為水泵和傳感器提供電源、系統(tǒng)的反饋信號等。金屬框架：主要安裝水箱、管路、水泵、液位傳感器等實驗元件，構成二階液位控制對象：水泵：是系統(tǒng)的供水系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的設定值和反饋信號達到液位控制的目的。
4）角度平衡風機閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
系統(tǒng)由角度傳感器，風機、指針擋板、驅動電路框架組成。
2路風機分別安裝在擋板兩側，通過控制兩側風機的電壓，平衡兩側吹力，使得擋板處于某個固定的設定角度。角度控制范圍0-180度，穩(wěn)定精度要求±3度，驅動兩路只要是通過MOS控制風機的風力大小，角度傳感器電壓轉換輸出AD采集的電壓范圍。
5）光伏實時追蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗
系統(tǒng)由光敏傳感器，電機、驅動電路，調理電路框架組成。
3路光敏傳感器，分別檢測環(huán)境光強、光照左側和右側光強，通過兩側光照差值，尋找光源位置。驅動電路通過H橋驅動電機進行正反轉，尋找光源位置。調理電路復制采集轉換光敏電壓，輸出給單片機的ADC端口。電源模塊負責整體的設備供電，通過采集的電壓值和電機控制，精準尋找光源位置，穩(wěn)定誤差不超過±5度。
*（3）上位機控制軟件功能介紹
1）Actlab自動控制理論實驗室軟件說明
采用LabVIEW設計而成，可進行實驗項目選擇與編輯，數(shù)據(jù)采集，特性曲線的分析、比較、文件存取等。
主要功能:
①數(shù)字顯示幅值和頻率；
②可實現(xiàn)光標跟蹤定位和測量；
③實驗波形的存儲；
④采用同一界面化編程，去除了很多級聯(lián)菜單，可以同時頻域特性兩種表示方式；如頻域實驗中，Bode Plot、Nyquist Plot、X-t Plot均在同一界面顯示，可以同時比較直觀地看到頻域特性兩種表示方式特點。界面豐富,色彩可以根據(jù)需要采用多種色彩組合,界面比較豐富形象化。
⑤可在同一圖形控件中同時顯示多條波形。波形顯示與否是可選的，可以在同一圖形控件中同時顯示多條波形，也可以全部不顯示。
實驗中，增加了“暫停”功能，這一功能將不會使實驗過程中斷，重新開始實驗；實驗過程中可以隨意改變實驗參數(shù)，不需要停止實驗。實驗運行中，也可以隨意更換A/D、D/A端口，不需要停止實驗，只需要將硬件上的接線更換。
實驗波形數(shù)據(jù)是實時采集上來的數(shù)據(jù)，在不“暫停”的情況下，可以改變硬件上的參數(shù)或者軟件上的實驗參數(shù)，采集上來的實驗波形實時更新。
2）LAB_CC計算機控制實驗室軟件說明
LAB_CC計算機控制實驗室軟件與ACCT-III 型實驗臺構成了計算機控制技術實驗系統(tǒng)。計控實驗內容覆蓋了計算機控制技術課程全部知識點，實驗模式包含Matlab仿真實驗、運放模擬對象實驗、實物對象控制實驗。
★五、配套教學資源（共配1套，5臺以下無此項配置）：
（一）在線教育課程開放平臺（具有軟件著作權，配1個登錄帳號）:
1、本系統(tǒng)是互通教學多元化管理平臺，將用戶傳統(tǒng)的各個平臺系統(tǒng)實施整合，集中互通管理，解決多平臺、多賬號難以管理、數(shù)據(jù)庫分散無法集中統(tǒng)計等問題。系統(tǒng)包含了：在線教務管理系統(tǒng)、在線課程資源管理平臺、在線習題庫平臺、在線考試考核平臺、線上視頻課程管理平臺及線上虛擬仿真教學管理平臺，真正意義的一站互通數(shù)據(jù)集中統(tǒng)計！
2、課程資源：多個微課視頻實拍采集教學視頻素材，后期影視包裝，片頭10秒左右，片尾5秒左右，視頻尺寸不低于1920*1080，視頻格式MP4、FLV等；多個虛擬仿真內容采用unity引擎開發(fā)，在pc端win系統(tǒng)上運行（win7、win8、win10，注不包含win xp）軟件。
3、為了教學的統(tǒng)一性要求在線教育平臺與實訓裝置是同一個生產(chǎn)商！
4、在線教育開放平臺資源庫（提供軟件截圖，主要功能截圖內容根據(jù)以下要求逐一提供）：
★（1）《模擬電子技術》課程要包括：1 .常用半導體器件（1.1 半導體的基本知識、1.2 二極管、1.3 三極管、1.4半導體器件的識別與檢測），2. 直流穩(wěn)壓電源（2.1 整流電路、2.2 濾波電路、2.3 穩(wěn)壓電路），3. 基本放大電路（3.1 放大電路的基本知識、3.2 基本共射極放大電路、3.3 分壓式偏置共射放大電路3.4 共集電極放大電路），4. 功率放大電路（互補對稱功率放大電路），5 .差動放大電路與集成運算放大器，6. 放大電路中的反饋（6.1 反饋的基本概念、6.2 負反饋對放大電路性能的影響），7 .集成運算放大器的應用（7.1 集成運放的應用基礎、7.2 集成運放的線性應用），8. 正弦波振蕩器（8.1 正弦波振蕩電路概述、8.2 RC 正弦波振蕩電路）。
★（2）數(shù)字電子技術》課程要包括：1.章數(shù)字電路基礎（邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法） ，2.邏輯門（集成邏輯門電路），3.電路集成觸發(fā)器 （3.1 主從觸發(fā)器3.2邊沿觸發(fā)器3.3 CMOS 集成觸發(fā)器），4.時序邏電路（4.1時序邏輯電路的分析、4.2時序邏輯電路的分析），5.脈沖波形的產(chǎn)生與整形電路（5.1多諧振蕩器、5.2施密特觸發(fā)器、5.3.555 定時器及其應用）
★（3）《電子產(chǎn)品設計制作》課程要包括：項目一 智能電子時鐘（數(shù)碼管結構、共陽數(shù)碼管字形碼、共陰數(shù)碼管字形碼、電子時鐘效果演示），項目二 電子秤（稱重傳感器工作原理、電子秤效果演示），項目三 電子尋跡小車（電機驅動、電機調速、紅外尋跡原理、紅外避障原理、小車尋跡效果演示、小車避障效果演示、超聲波測距原理、小車前進后退轉彎調速）
★（4）《嵌入式技術應用》課程要包括：
教學項目 1（認識 STM32 固件庫、STM32 固件庫關鍵子目錄和文件、嵌入式系統(tǒng)、ARM Cortex-M3 處理器、STM32 系列處理器），
教學項目 2（認識 STM32 的 I/O 口、STM32 的GPIO初始化和輸入輸出庫函數(shù)、Cortex-M3 工作模式及狀態(tài)、Cortex-M3 寄存器組、Cortex-M3 特殊功能寄存器組、STM32 相關結構體、Cortex-M3 處理器結構、STM32 系統(tǒng)結構、STM32 時鐘配置），
教學項目 3（認識數(shù)碼管、數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路硬件連接、認識Coretex-M3 存儲器、Cortex-M3 存儲器映射、STM32 存儲器映射、數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示電路硬件連接、位帶區(qū)與位帶別名區(qū)、位帶操作）
教學項目 4（認識嵌入式應用技術與開發(fā)的核心板、GPIO 寄存器地址映射、端口復用使用、端口復用重映射、STM32 中斷通道、STM32 外部中斷、STM32 中斷優(yōu)先級、STM32 外部中斷編程、）
教學項目 5（SysTick 定時器、庫函數(shù)中的 SysTick 相關函數(shù)、SysTick 的關鍵函數(shù)編寫、認識 STM32 定時器、STM32 定時器與定時相關的寄存器、STM32 定時器相關的庫函數(shù)、STM32 的 PWM 輸出相關寄存器、STM32 的 PWM 輸出編程思路、STM32 的 PWM 輸出相關庫函數(shù)）
教學項目 6（串行通信基本知識、STM32 的USART 串口、STM32 串口的相關寄存器、STM32 串口相關函數(shù)、認識WIFI 通信模塊、認識 Zigbee 通信模塊、ZigBee 通信模塊使用）
教學項目 7（STM32 模數(shù)轉換簡介、STM32 的 ADC 結構STM32 模數(shù)轉換相關寄存器、STM32 的 ADC 設置、ADC 相關的庫函數(shù)）
（二）仿真軟件
1、三菱PLC與變頻器仿真教學軟件（網(wǎng)絡版，具有軟件著作權）
產(chǎn)品技術要求
軟件PLC產(chǎn)品依據(jù)中華人民共和國勞動和勞動安全行業(yè)標準（LD/T81.2－2006）《“維修電工”職業(yè)技能實訓和鑒定設備技術規(guī)范》與教育部有關專業(yè)教學大綱而設計研制，包括可編程控制器和變頻器在內的26個項目，每個項目又根據(jù)需要設有：實訓目的、實訓器件、器件布局、I/O分配、T型圖、電路連接、通電運行等多種模塊，基本涵蓋了國家維修電工中級、高級和技師鑒定考核對于可編程控制器和變頻器的應知應會全部要求。軟件以技能為核心，項目為引領，任務為驅動，職場環(huán)境為背景，操作步驟為主線，以學生交互訓練為主體，具有三維可視化、智能化、全交互的特點，集職業(yè)性、情境性、過程性、交互性和靈活性于一身，性價比極高。該軟件不僅可以作為實訓教學應用，其大量的原理動畫演示也可以作為助教型軟件素材應用于課堂教學環(huán)節(jié)。為電氣自動化、機電一體化等電工電子專業(yè)的技能實訓、鑒定信息化、現(xiàn)代化提供了豐富不可或缺的教學資源。 
產(chǎn)品內容要求

2、單片機仿真教學軟件參數(shù)方案（網(wǎng)絡版、具有軟件著作權）
（1）軟件能達到的教學目標
1.1 本產(chǎn)品是參照《職業(yè)教育數(shù)字校園建設規(guī)范》，結合專業(yè)培養(yǎng)目標對學生知識、能力和素質的要求，著眼學生能力培養(yǎng)，以模塊化教學內容為核心，重新組織教學結構，整體構建課程體系，有針對性地將單片機專業(yè)內單一的教學活動，通過虛擬仿真實訓和工作過程模擬組合成不同的教學模塊。
1.2 所有的實訓項目均基于實物三維建模，形成真實感極強的虛擬實訓環(huán)境，使學習者能在幾乎真實的環(huán)境下操作練習，增強實際操作感，提高掌握實際技能的能力；所有的技能訓練均是通過交互方式，變“讓學生觀摩教師表演”為“讓學生學習中動手、動手中學習”，理論和實際無縫銜接，提高實際操作技能；所有的操作都具有嚴格的工藝流程和操作步驟，使學習者通過規(guī)范的訓練，養(yǎng)成正確操作的習慣，培養(yǎng)學習者科學嚴緊、一絲不茍的職業(yè)素養(yǎng)。
（2）軟件能達到的教學效果
2.1 產(chǎn)品是依據(jù)中華人民共和國勞動和勞動安全行業(yè)標準（LD/T81.2－2006）《“維修電工”職業(yè)技能實訓和鑒定設備技術規(guī)范》與教育部有關專業(yè)教學大綱設計研制，包括可編程控制器和變頻器在內的26個項目，每個項目又根據(jù)需要設有：實訓目的、實訓器件、器件布局、I/O分配、T型圖、電路連接、通電運行等多種模塊，涵蓋了國家維修電工中級、高級和技師鑒定考核對于可編程控制器和變頻器的應知應會全部要求。
2.2 軟件以技能為核心，項目為引領，任務為驅動，職場環(huán)境為背景，操作步驟為主線，以學生交互訓練為主體，具有三維可視化、智能化、全交互的特點，集職業(yè)性、情境性、過程性、交互性和靈活性于一身。作為實訓教學應用，具有大量的原理動畫演示，助教素材應用于課堂教學環(huán)節(jié)，提供了豐富不可或缺的教學資源。
2.3 軟件支持實習實訓的導訓過程，達到預習、強化、模擬考核、反復試錯、探索創(chuàng)新的目的。
2.4 軟件具有先進性、實用性，可二次修改；軟件支持校園網(wǎng)內不限制（指定）終端、不少于100人同時在線實訓。
（3）模塊內容:1、查找大小數(shù)。2、航標燈控制。3、計數(shù)報警器。4、數(shù)碼管顯示。5、循環(huán)燈點亮。6、霓虹燈控制。7、算數(shù)運算器。8、繼電器控制。9、 倒計時音樂報警器。10、數(shù)據(jù)傳送。