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SB-ATC1自控原理與計算機控制實驗箱
自控原理實驗箱，自控原理與計算機控制實驗箱，自動控制原理學(xué)習(xí)是自動化、自動控制、電子技術(shù)、電氣技術(shù)、精密儀器等專業(yè)教學(xué)中的基礎(chǔ)課程。系統(tǒng)提供集成操作軟件，通過虛擬PC示波器功能可實時、清晰的觀察控制系統(tǒng)的各項靜、動態(tài)特性，方便了對模擬控制系統(tǒng)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(tǒng)配置的直流電機、步進電機等控制對象，可開設(shè)控制系統(tǒng)課程的實驗。該系統(tǒng)還可擴展支持如線性系統(tǒng)、控制、系統(tǒng)辨識及計算機控制等現(xiàn)代控制理論的模擬實驗研究。
自控原理實驗箱具有很強的開放性能、擴展性能；運算模擬單元的運放八個，每個運算模擬單元內(nèi)都有實驗所需的電阻、電容等元件，可以通過短路塊和導(dǎo)線靈活方便的對實驗單元電路的組合，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)；從運算模擬單元獨立出來的可變電阻器組單元檔位連續(xù)，調(diào)節(jié)精度高，接線靈活多變，充分滿足于自控原理及計算機控制技術(shù)實驗教學(xué)的要求。
一、自控原理與計算機控制實驗箱功能特點：
1．高性能的嵌入式控制計算機
系統(tǒng)采用Intel 8088作為系統(tǒng)的控制計算機，Intel 8088是INTEL公司推出的16位處理器，是面向嵌入式工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計、開發(fā)的，其與許多常用接口如8259、8253、串口等芯片配合使用，并可擴展程序和數(shù)據(jù)存儲器，滿足于復(fù)雜的計算機控制和應(yīng)用的要求。從而使計算機控制的實驗教學(xué)可以達(dá)到更高的水平。
2.開放式的控制實驗平臺
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(nèi)的元件選擇都可以多種方式來操作，從而提高了實驗效率。系統(tǒng)允許用戶根據(jù)教學(xué)內(nèi)容來自行設(shè)計、開發(fā)相應(yīng)的實驗項目，并支持大型的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計。
3．先進的虛擬儀器功能
系統(tǒng)提供了一組先進的虛擬儀器功能，為用戶創(chuàng)造了集控制系統(tǒng)設(shè)計、電路構(gòu)造、系統(tǒng)調(diào)試和測試分析諸功能一體化的實驗環(huán)境，具有很高的性價比和教學(xué)效果。其主要性能指標(biāo)如下：
(1) 雙蹤超低頻數(shù)字存儲示波器：具有實時測量和顯示、波形回放、游標(biāo)測 量、波形存貯等功能。
(2) 頻率特性分析儀：可顯示系統(tǒng)各頻率點的時域相應(yīng)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(chǎn)生極坐標(biāo)圖和波特圖，由此顯示出系統(tǒng)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(biāo)的形式顯示，具有波形刷新和波形存貯功能，可應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的實驗特性研究。
4．源語言級集成開發(fā)環(huán)境
系統(tǒng)為嵌入式控制計算機配有高度可視化的源語言級集成開發(fā)環(huán)境，集控制程序開發(fā)、調(diào)試和實驗測量分析于一體，支持匯編源語言級的編程和調(diào)試。
5．新型控制實驗教學(xué)內(nèi)容
系統(tǒng)所支持的控制實驗是按照二十一世紀(jì)新自動控制和計算機控制教學(xué)體系和內(nèi)容來配備的，其內(nèi)容由淺入深，層次分明。
自動控制原理實驗方面，系統(tǒng)提供了包括線性控制系統(tǒng)的時域分析法、根軌跡分析法、頻域分析法以及系統(tǒng)校正和設(shè)計等方法的實驗研究，也提供了關(guān)于線性離散系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)的實驗研究內(nèi)容；另外對于現(xiàn)代控制理論的教學(xué)，提供了狀態(tài)空間分析實驗。
系統(tǒng)提供的計算機控制實驗內(nèi)容主要包括：過程通道和數(shù)據(jù)采集處理、系統(tǒng)的數(shù)字程序控制、數(shù)字PID閉環(huán)控制、數(shù)字調(diào)節(jié)器直接設(shè)計方法的實驗研究，從而可使學(xué)生對新型智能控制算法有所了解和掌握。
在控制系統(tǒng)應(yīng)用實驗方面，系統(tǒng)提供了直流電機(快速)和溫度控制(慢速)兩種實驗對象，以構(gòu)成不同的閉環(huán)系統(tǒng)，從而可選擇不同的控制策略或控制參數(shù)，以得到好的實時控制效果。
二、自控原理與計算機控制實驗系統(tǒng)構(gòu)成
（1）系統(tǒng)由各單元電路、8088CPU控制單元和PC機進行通訊的串口構(gòu)成；
（2）信號源發(fā)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(diào)；
（3）采樣保恃器及單穩(wěn)單元電路；
（4）運算模擬單元電路；
（5）非線性單元電路；
（6）狀態(tài)指示燈單元；
（7）D/A0832數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元電路；
（8）A/D0809模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元電路；
（9）單節(jié)拍脈沖發(fā)生單元；
（10）電位器單元；
（11）－5V電源發(fā)生單元；
（12）驅(qū)動單元；
（13）電機單元；
（14）直流電機、步進電機模塊單元；
（15）信號測量單元： 采用PC軟件實現(xiàn)雙蹤示波器、頻率特性分析等功能。
（16）特殊運算環(huán)節(jié)單元；
（17）可變電阻器組單元；
（18）微型溫度控制單元；
三、電源參數(shù)
1、輸入電壓：220V ±10%
2、輸出電壓/電流：+5V/2A，+l2V/0.2A，-l2V/0.2A
四、實驗項目
（一）自動控制原理 實驗項目
1、典型環(huán)節(jié)的模擬研究
2、典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性
3、系統(tǒng)校正
4、控制系統(tǒng)的頻率特性
5、典型非線性環(huán)節(jié)
6、非線性系統(tǒng)（一）
7、非線性系統(tǒng)（二）
8、采樣系統(tǒng)分析
9、采樣控制系統(tǒng)的校正
10、態(tài)反饋（極點配置）
（二）計算機控制技術(shù)
1、A/D，D/A轉(zhuǎn)換
2、采樣保持器
3、數(shù)字濾波
4、積分分離式PID控制
5、最小拍有紋波系統(tǒng)實驗
6、最小拍無紋波系統(tǒng)實驗
7、大林算法控制
8、非線性控制
9、解耦控制
10、綜合控制實驗
（三）控制系統(tǒng)應(yīng)用
1.直流電機閉環(huán)調(diào)速實驗
2.溫度閉環(huán)控制實驗
3.步進電機調(diào)速實驗
SB-ZK5自控計控原理實驗箱
自控計控原理實驗箱是自控/計控二合一的教學(xué)實驗系統(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)。還可進行以微機為控制平臺的計算機控制技術(shù)實驗教學(xué)，做到一機多用。
一、系統(tǒng)組成
1、電源：輸入單相三線～220V±10% 50Hz。輸出直流5V/2A、±12V/0.5A 電源，均有接反和短路保護功能。
2、核心系統(tǒng)：采用8088微處理器，方便計算機控制技術(shù)軟件編程；RS232總線接口與上位機通訊（可以USB接口通信），含有上位機總清復(fù)位和人工總清復(fù)位電路， 含有自動鎖零和人工鎖零功能。
3、函數(shù)發(fā)生器：實驗機自帶信號測量和信號顯示模塊
可測量信號電壓（-5V～+5V）、頻率、溫度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。
4、階躍信號發(fā)生器：由手控階躍發(fā)生（0/+5v、-5v/+5v），幅度控制（電位器），非線性輸出組。
5、函數(shù)信號發(fā)生器：能輸出正弦波、斜波、方波、矩型波、繼電特性、飽和特性、死區(qū)特性和間隙特性，有開關(guān)切換，同時有數(shù)碼管顯示波形相關(guān)信息。正弦波信號頻率范圍0.1HZ~2HZ和0.8HZ~50HZ兩檔,分辨率是0.1HZ和1HZ,其他波形頻率范圍是0.1HZ~250HZ,分辨率是0.1HZ。波形信號的幅值范圍-6V~+6V，幅值分辨率是0.1V,失真度不大于0.5%。阻抗不大于50Ω。
6、運算模擬單元：提供8個OP07基本運放模擬單元（實驗用），每單元的輸入回路有6組0.5%精度電阻、或 5%精度電容，反饋回路有7組0.5%精度電阻、或5%精度電容，和1個運算放大器組成。另有擴展運放模擬單元，其一可調(diào)零放大器，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；其二校正網(wǎng)絡(luò)庫，可構(gòu)成各種校正環(huán)節(jié)；其三是2組整形模塊。
7、提供阻容元件庫：250K、500K電位器，2組0-999.9K直讀式可變電阻，多組電容。
8、1組D/A輸出:電壓0～5V 或-5V～+5V。
9、4路A/D輸入:其中有2個通道為0～+5v電壓輸入，2個通道為-5v～+5v電壓輸入。
10、2組采樣保持器及單穩(wěn)單元電路。
11、提供精密基準(zhǔn)電壓+Vref和-Vref。
12、定時和中斷單元：2組定時計數(shù)器和2路中斷源。
9、提供虛擬示波器：
1）2個通道模擬信號輸入：可測量相平面顯示，頻域?qū)?shù)幅頻、相頻曲線，幅相曲線等。
2）示波器的時域顯示方式：示波器的相平面顯示（X-Y）方式；示波器的頻率特性顯示方式有對數(shù)幅頻特性顯示、對數(shù)相頻特性顯示（伯德圖），幅相特性顯示方式（奈奎斯特圖），時域分析（弧度）顯示方式。
3）示波器的計算機控制顯示方式。
10、外圍控制對象
1）步進電機（35BY48）轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角控制。
2）直流電機（BY25）脈沖測速輸出及電壓測速輸出。
3）溫度模塊可調(diào)脈沖寬度輸入控制及電壓輸入控制加熱，熱敏電阻測溫（0℃～76.5℃）。
11、支持二次開發(fā)：除模擬運算單元、函數(shù)發(fā)生器外，本實驗機的8253定時器、8259中斷控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器地址也開放給用戶。
12、機箱：堅固型鋁合金框架，厚實的 ABS 塑料包角，參考外形尺寸 480×360×120mm。
二、實驗項目
自動控制實驗
1、線性系統(tǒng)的時域分析：
1）典型環(huán)節(jié)的模擬研究 ；
2)二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性;
3)三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。
2、線性控制系統(tǒng)的頻域分析（伯德圖、奈氏圖）：
1）慣性環(huán)節(jié)的頻率特性曲線；
2）二階閉環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線；
3）二階開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性曲線 ；
4） 頻率特性的時域分析。
3、非線性系統(tǒng)的相平面分析：
1）典型非線性環(huán)節(jié)；
2）二階非線性控制系統(tǒng)：
3）三階非線性控制系統(tǒng)。
4、線性系統(tǒng)的校正與狀態(tài)反饋:1)線性系統(tǒng)的校正；
① 頻域法串聯(lián)超前校正；
② 時域法串聯(lián)比例微分校正；
③ 時域法比例反饋校正 ；
④ 時域法微分反饋校正；
2)線性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋及極點配置
5、采樣控制系統(tǒng)分析
6、模擬直流電機閉環(huán)調(diào)速實驗
7、模擬溫度閉環(huán)控制實驗
計算機控制技術(shù)實驗
1、數(shù)/模轉(zhuǎn)換實驗
2、模/數(shù)轉(zhuǎn)換實驗
3、采樣與保持：
1）采樣實驗；
2）采樣/保持器實驗；
3）采樣/保持控制系統(tǒng)分析舉例。
4、平滑與數(shù)字濾波實驗 ：
1）微分與平滑 ；
2）數(shù)字濾波 。
5、數(shù)字PID控制實驗：
1）標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法，
2）積分分離PID控制算法：
3）非線性PID控制算法；
4）積分分離--砰砰復(fù)式PID控制算法
6、最少拍控制系統(tǒng) ：
1）最少拍有紋波系統(tǒng)；
2）最少拍無紋波設(shè)計；
3）最少拍控制系統(tǒng)設(shè)計舉例。
7、大林算法：
1）有明顯振鈴現(xiàn)象的大林算法及振鈴消除 ；
2）有微弱振鈴現(xiàn)象的大林算法及振鈴消除；
3）無振鈴現(xiàn)象的大林算法。
8、多變量解耦控制：
1）多變量解耦控制設(shè)計；
2）多變量解耦控制設(shè)計。
9、微機控制的二次開發(fā)
控制系統(tǒng)實驗
1、直流電機閉環(huán)調(diào)速實驗
2、溫度閉環(huán)控制實驗
3、步進電機調(diào)速實驗
4、模擬/數(shù)字混合溫度閉環(huán)控制實驗
四、實驗箱配置
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序號 |
名稱 |
說明 |
數(shù)量 |
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1 |
SB-ZK5主機箱 |
含機箱、工作電源、常用信號源、實驗電路區(qū)等 |
1臺 |
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2 |
交流電源線 |
1.5m
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1根 |
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3 |
2號實驗導(dǎo)線 |
40cm |
25根 |
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4 |
串口通信線（2、3直通） |
1.5m |
1根 |
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5 |
實驗指導(dǎo)書 |
|
2本 |
附：使用本實驗箱需配套儀器儀表：電腦、萬用表和示波器（可以選配，實驗箱上自帶示波器）。
