TW-X31B 自控／計(jì)控原理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱
本實(shí)驗(yàn)箱是自控/計(jì)控二合一的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，可構(gòu)造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)。還可進(jìn)行以微機(jī)為控制平臺(tái)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，做到一機(jī)多用。
一、系統(tǒng)組成
1、電源
輸入單相三線(xiàn)～220V±10% 50Hz。輸出直流±5V/2A、±12V/0.5A 電源，均有接反和短路保護(hù)功能。
2、CPU系統(tǒng)
采用主從方式多CPU結(jié)構(gòu)。CPUA：為主控處理器，用于系統(tǒng)管理，與上位機(jī)通訊，數(shù)據(jù)采集及計(jì)控實(shí)驗(yàn)等；CPUB：為輔控處理器，用于信號(hào)源發(fā)生及自控實(shí)驗(yàn)等；CPUC：為自編程處理器，用于提供用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)的單片機(jī)自編程。各CPU 均采用C8051F410芯片，自帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度均為12位（bit）。
3、與電腦通訊
采用RS232串口聯(lián)接，也可加接USB轉(zhuǎn)RS232聯(lián)接電纜，與電腦USB口聯(lián)接。
4、被控對(duì)象（運(yùn)算模擬單元）
采用模塊式結(jié)構(gòu)，提供11個(gè)實(shí)驗(yàn)用基本運(yùn)放模擬單元，構(gòu)成比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)，PID環(huán)節(jié)和典型的二階、三階系統(tǒng)等。
5、阻容元件庫(kù)
0-999.9K直讀式可變電阻，250K電位器，多組電容。
6、信號(hào)源模塊CPUB
① 提供矩形波、正弦波、斜坡、階躍波、方波、微分脈沖等的單信號(hào)源，或同時(shí)發(fā)生兩種不同類(lèi)型信號(hào)，其輸出幅度、寬度、頻率、斜率可在PC機(jī)界面上設(shè)置。
②提供繼電特性、飽和特性、死區(qū)特性、間隙特性、延遲特性等的非線(xiàn)性環(huán)節(jié)輸出，其輸出幅度、寬度、斜率可在PC機(jī)界面上設(shè)置。
③每個(gè)實(shí)驗(yàn)范例都提供信號(hào)源默認(rèn)值。
7、頻率特性測(cè)試模塊
實(shí)驗(yàn)機(jī)自帶掃頻功能，在頻率特性中采用掃頻方式，自動(dòng)生成閉環(huán)、開(kāi)環(huán)伯德圖及奈氏曲線(xiàn)（六個(gè)），在一個(gè)界面上全部顯示，觀(guān)察時(shí)可任選一個(gè)進(jìn)行放大顯示（可多次、反復(fù)選擇），觀(guān)察方便直觀(guān)。
可自動(dòng)搜索諧振峰值或穿越頻率。
8、數(shù)據(jù)采集／虛擬示波器模塊
在示波器界面分成上、下兩塊顯示區(qū)，可同時(shí)有多達(dá)七個(gè)通道顯示。在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中供虛擬示波器顯示用，在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)中即供虛擬示波器顯示用，又可作為控制器模塊輸入。數(shù)據(jù)采集精度為12位（bit）。
9、控制器模塊CPUA
在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)中用于計(jì)算機(jī)的控制計(jì)算與輸出。A/D、D/A轉(zhuǎn)換精度為12位。PID控制及直接數(shù)字控制實(shí)驗(yàn)的控制參數(shù)（包括采樣周期）可在界面上直接設(shè)定和修改，每項(xiàng)范例實(shí)驗(yàn)的控制參數(shù)（包括采樣周期），都在界面上向用戶(hù)提供了默認(rèn)值。
10、溫控、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)模塊
①溫控模塊由溫度載體和功率放大器、調(diào)節(jié)器、溫度傳感器、T／V轉(zhuǎn)換器等組成，可
進(jìn)行離散增量型PID閉環(huán)控制、PWM方式PID閉環(huán)控制、位式閉環(huán)控制及外接烤箱PID閉環(huán)控制。
②直流電機(jī)模塊由直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率放大器、調(diào)節(jié)器、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器、F/V
轉(zhuǎn)換器等組成，可進(jìn)行直流電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)字PID閉環(huán)控制。
③進(jìn)電機(jī)模塊由步進(jìn)電機(jī)及指針等組成，可進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)字四相四拍、四相八拍
方式工作，正、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制，并提供實(shí)驗(yàn)范例。
11、外設(shè)接口模塊
提供外設(shè)的擴(kuò)展接口，例如烤箱的溫度控制。
12、選購(gòu)件
①單片機(jī)自編程模塊CPUC：在單片機(jī)自編程計(jì)控實(shí)驗(yàn)中用于計(jì)算機(jī)的控制計(jì)算與輸出。
②C平臺(tái)自編程模塊
③U-EC5仿真模塊，用于單片微處理器自編程計(jì)控實(shí)驗(yàn)。
二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
1、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
1) 線(xiàn)性系統(tǒng)的時(shí)域分析實(shí)驗(yàn)：
●典型環(huán)節(jié)的模擬研究 ● 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性 ●三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性
2)線(xiàn)性控制系統(tǒng)的頻域分析實(shí)驗(yàn)：
●一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線(xiàn) ●二階閉環(huán)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)
3)線(xiàn)性系統(tǒng)的校正與狀態(tài)反饋：
● 頻域法串聯(lián)超前校正 ● 頻域法串聯(lián)遲后校正 ● 時(shí)域法串聯(lián)比例微分校正
● 時(shí)域法局部比例反饋校正 ● 時(shí)域法微分反饋校正 ● 線(xiàn)性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋及極點(diǎn)配
4)非線(xiàn)性系統(tǒng)的相平面分析實(shí)驗(yàn)：
● 典型環(huán)節(jié)的模擬研究 ● 二階非線(xiàn)性控制系統(tǒng) ● 三階非線(xiàn)性控制系統(tǒng)
2、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
1）采樣與保持
●采樣實(shí)驗(yàn) ●采樣控制
2）微分與數(shù)字濾波
●一階微分反饋控制 ●四點(diǎn)微分均值反饋控制
●模擬一階慣性數(shù)字濾波 ●四點(diǎn)加權(quán)平均數(shù)字濾波
3）數(shù)字PID控制
a)被控對(duì)象辨識(shí)
●對(duì)象開(kāi)環(huán)辨識(shí) ●對(duì)象閉環(huán)辨識(shí)
b)二階PID控制
●位置型PID控制 ●增量型PID控制 ●積分分離PID控制 ●帶死區(qū)PID控制
●型位置型PID控制 ●型增量型PID控制 ●帶有延遲對(duì)象PID控制
c)三階PID控制：
●位置型PID控制 ●型位置型PID控制 ●型增量型PID控制
d)串級(jí)PID控制
●二階串級(jí)PID控制 ●三階串級(jí)PID控制
e)比值PID控制：?jiǎn)伍]環(huán)／雙閉環(huán)比值控制
●單閉環(huán)比值PID控制 ●雙閉環(huán)比值PID控制
f)前饋-反饋控制
●靜態(tài)前饋-反饋PID控制 ●動(dòng)態(tài)前饋-反饋PID控制
g)解耦控制
●靜態(tài)前饋補(bǔ)償解耦PID控制 ●動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償解耦PID控制
4）二階位式控制
5)大林算法控制
●大林算法控制 ●消除振鈴大林算法控制
6)最少拍控制
●最少拍有紋波控制系統(tǒng) ● 最少拍無(wú)紋波控制系統(tǒng)
3、控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
(1)直流電機(jī)PID轉(zhuǎn)速控制
(2)溫度增量型PID控制
(3)溫度PWM方式PID控制
(4)溫度位式控制
(5)烤箱位式控制
(6)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角控制
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實(shí)驗(yàn)箱配置
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序號(hào)
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名稱(chēng)
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說(shuō)明
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數(shù)量
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1
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主機(jī)箱
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含機(jī)箱、工作電源、常用信號(hào)源、實(shí)驗(yàn)電路區(qū)等
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1臺(tái)
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2
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交流電源線(xiàn)
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1.5m
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1根
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3
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2號(hào)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線(xiàn)
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40cm
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25根
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4
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串口通信線(xiàn)（2、3直通）
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1.5m
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1根
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5
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實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)
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2本
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附：使用本實(shí)驗(yàn)箱需配套儀器儀表：電腦、萬(wàn)用表和示波器（可以選配，實(shí)驗(yàn)箱上自帶示波器）。
三、系統(tǒng)特點(diǎn)
1、被控對(duì)象采用模塊式結(jié)構(gòu)
采用模塊式結(jié)構(gòu)將使被控對(duì)象構(gòu)建方便，只須采用短路套跨接及少量模塊間的聯(lián)線(xiàn)就能構(gòu)造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)，直觀(guān)且簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作和設(shè)備管理。
2、時(shí)域分析界面
可同時(shí)有多達(dá)七個(gè)通道顯示，可拖動(dòng)界面上標(biāo)尺測(cè)X軸（時(shí)間值）和Y軸（幅度值），波形可上、下、左、右隨意移動(dòng)，X、Y軸比例可隨意修改，每個(gè)實(shí)驗(yàn)只運(yùn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)工作周期，如果運(yùn)行時(shí)間超過(guò)界面時(shí)，將繼續(xù)滾動(dòng)顯示，停止后將自動(dòng)停在起始位置。每個(gè)實(shí)驗(yàn)在界面上顯示該實(shí)驗(yàn)范例的原理圖，便于用戶(hù)脫開(kāi)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)附件1。
在非線(xiàn)性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)有相平面顯示方式，見(jiàn)附件3。
3、頻域分析界面
頻域分析界面可由用戶(hù)隨意選擇設(shè)置所需測(cè)試的頻率點(diǎn)(最多為60點(diǎn))，系統(tǒng)集成軟件按頻率設(shè)置點(diǎn)，一次生成該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的閉環(huán)和開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)、對(duì)數(shù)相頻特性曲線(xiàn)（伯德圖），幅相特性曲線(xiàn)（奈奎斯特圖），共六種特性曲線(xiàn)，并在一個(gè)界面上全部顯示，供用戶(hù)使用。測(cè)試完成后，將同時(shí)自動(dòng)形成閉環(huán)、開(kāi)環(huán)伯德圖及奈氏曲線(xiàn)（連續(xù)曲線(xiàn)）；用戶(hù)可在曲線(xiàn)上隨意增添頻率點(diǎn)，查找曲線(xiàn)上各頻率點(diǎn)的各特征參數(shù)，例如諧振頻率、諧振峰值，穿越頻率、相位裕度等。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)測(cè)試完成后，在界面上將同步顯示該角頻率的閉環(huán)和開(kāi)環(huán)L、、Im、Re數(shù)值。
在所選頻率點(diǎn)全部測(cè)試完成后，可移動(dòng)標(biāo)尺讀出各頻率點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)值。
頻域分析界面也可由用戶(hù)根據(jù)被測(cè)對(duì)象的頻率特性設(shè)置一個(gè)最低頻率點(diǎn)和一個(gè)最高頻率點(diǎn)，然后采用諧振峰值或穿越頻率搜索方式，讓實(shí)驗(yàn)機(jī)自動(dòng)畫(huà)出頻率特性曲線(xiàn)，無(wú)須用戶(hù)費(fèi)心設(shè)置各頻率點(diǎn)，見(jiàn)附件2。
用戶(hù)還可在界面上點(diǎn)擊《測(cè)試數(shù)據(jù)》，讀出已測(cè)頻率點(diǎn)的L、等值，分析實(shí)驗(yàn)情況。
4、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)
PID控制及直接數(shù)字控制實(shí)驗(yàn)的控制參數(shù)（包括采樣周期）可在界面上直接設(shè)定和修改，而不用在程序上進(jìn)行復(fù)雜的修改設(shè)定，以免破壞原有的控制程序。這種直接在界面上修改控制參數(shù)的方法既直觀(guān)又方便，免去了修改編寫(xiě)程序時(shí)所花的大量精力。
每項(xiàng)范例實(shí)驗(yàn)的控制參數(shù)（包括采樣周期），都在界面上向用戶(hù)提供了默認(rèn)值。
5、多種自編程計(jì)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
(1)C平臺(tái)自編程
C平臺(tái)自編程計(jì)控實(shí)驗(yàn)是通過(guò)VC6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)計(jì)控實(shí)驗(yàn)程序。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境界面如圖5所示。用戶(hù)進(jìn)入該界面編寫(xiě)控制程序，或打開(kāi)范例文件夾，調(diào)出控制系統(tǒng)參考源程序，進(jìn)行編譯、連接、加載、運(yùn)行，見(jiàn)附件5。
用戶(hù)自行編寫(xiě)的控制程序?qū)⒃赑C機(jī)上全速運(yùn)行，等待實(shí)驗(yàn)機(jī)的《開(kāi)始》和《停止》信號(hào)，按采樣周期讀取實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的輸出值，計(jì)算出控制值輸出，進(jìn)行算法控制。
(2)單片機(jī)自編程
單片機(jī)自編程計(jì)控實(shí)驗(yàn)通過(guò)C8051FXXX單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境用C51語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)計(jì)控實(shí)驗(yàn)程序，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境界面如圖6所示。用戶(hù)進(jìn)入該界面編寫(xiě)控制程序，或打開(kāi)范例文件夾，調(diào)出控制系統(tǒng)參考源程序，進(jìn)行編譯、連接、加載、運(yùn)行，見(jiàn)附件6。
用戶(hù)自行編寫(xiě)的控制程序?qū)⒃趯?shí)驗(yàn)機(jī)單片機(jī)自編程（B5）模塊上全速運(yùn)行，等待實(shí)驗(yàn)機(jī)的《開(kāi)始》和《停止》信號(hào)，按采樣周期讀取實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的輸出值，計(jì)算出控制值輸出，進(jìn)行算法控制。
每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都向用戶(hù)提供范例程序。
附件1 時(shí)域示波器的使用
附件2 Ⅰ型二階系統(tǒng)的閉環(huán)、開(kāi)環(huán)伯德圖及奈氏曲線(xiàn)（六個(gè)）在一個(gè)界面上全部顯示
下圖為選擇其中的閉環(huán)－波特圖放大顯示：
附件3 非線(xiàn)性系統(tǒng)分析示波器的使用
附件4 C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)計(jì)控實(shí)驗(yàn)程序。
附件5 C51語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)計(jì)控實(shí)驗(yàn)程序
