TW-CK07过程自动控制理论•计算机控制技术实验平台
一、概况
控制理论•计算机控制技术学习是自动化、自动控制、电子技术、电气技术、精密仪器等专业教学中的基础课程。系统提供集成操作软件，通过虚拟PC示波器功能可实时、清晰的观察控制系统的各项静、动态特性，方便了对模拟控制系统特性的研究。微型温度控制单元可以代替烤箱进行温度控制实验，加上系统配置的直流电机、步进电机、YW单容液位控制系统等控制对象，可开设控制系统课程的实验。该系统还可扩展支持如线性系统、*优控制、系统辨识及计算机控制等现代控制理论的模拟实验研究。
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基本要求
1. 控制理论技术实验箱能满足“控制理论”、“计算机控制技术”的实验教学，内置USB数据采集模块，利用上位PC机提供虚拟信号发生器、虚拟示波器功能，可在线编程完成相应的实验项目。
2. 通信接口采用USB2.0接口
3. 计算机控制实验可在线编程直接控制
4. 带LabVIEW直接控制功能
5. 具有上位机虚拟示波器，信号发生、扫频等功能
基本组成
1. 实验箱：外壳采用铝合金材料、面板采用2mm 厚PCB绝缘喷漆面板，面板上印有电路原理图、说明及器件符号，实物对象安全耐用。
2. 直流稳压电源：±5V/0.5A、±15V/0.5A、+24V/0.5A三路电压。
3. 交/直流数字电压表（一体式）
（1）直流数字电压表：测量范围为0～20V，分200mV、2V、20V三档，琴键开关切换，三位半数显，精度0.5级；
（2）数字式真有效交流毫伏表：测量范围0～20V，分为200mV、2V、20V三档，琴键开关切换，三位半数显，频带范围10Hz～1MHz，测量精度0.5％±2个字。
4. 信号发生部分：输出正弦波、方波、斜波、抛物波等四种周期波形，输出频率范围为0.1HZ～100Hz，幅度为0～10VP-P可调。接口板上的输入和输出端要有完善的保护电路，能够承受实验箱上所提供的最大电源。
5. 信号采集部分：支持至少4路AD（-10V~+10V）采集，两路DA（-10V~+10V）输出。采样频率为40Ksps以上，转换精度为12位，配合上位机可进行常规信号采集显示、模拟量输出、频率特性分析等功能。
6. 微控制器单元：可在线编程，具有A/D转换和D/A转换功能。主要用于计算机控制实验部分，其作用为计算机控制算法的执行。主要由单片机、AD采集（四路12位，电压范围：-10V~+10V）和DA输出（两路12位，电压范围：-10V~+10V）三部分组成。
7. 实验模块：通用电路单元（至少6个）、反相器单元（至少3个）、非线性单元（至少3个，具有死区特性或间隙特性、具有继电特性和具有饱和特性）、采样保持器单元、无源电路单元、电位器单元、阶跃信号发生器单元（幅值的调节范围：-15V～+15V）、电阻测量单元、直流电机单元、步进电机单元、温度控制单元。微控制器单元、数据采集模块部分、交/直流数字电压表等部分。模拟电路单元都要有场效应管组成的锁零电路和运放调零电位器。
8. 上位机软件主要包括虚拟示波器，信号发生、扫频等功能、LabVIEW直接控制和MATLAB仿真功能。（虚拟示波器实现同时观察4个通道，在观察过程中可以进行“时间轴”和“幅度轴”调节；虚拟示波器有4中观察模式，分别是正常模式、示波器模式、同步模式、李沙育图形模式；在观察过程中，如果需要进行信号的测量或停止观察，点击“停止采集”按钮，两根纵轴线可以拉动测量波形的幅度，还可以测量波形的周期；信号发生器有两个输出通道，对应实验箱上的信号发生器1和信号发生器2，“模式选择”中选择连续输出模式，输出频率是0.05HZ~100HZ，输出波形通过实验箱上信号发生器的开关选择，有正弦波、方波、斜波和抛物波四种，各种波形的幅度通过实验箱上的幅度调节旋钮来调节。）
9. 数据采集采用USB 2.0通讯接口，完全符合USB 2.0协议规范，可实现480M比特/秒的高速数据传输，其功能有：
1）完全符合传统操作习惯的数字存储示波器，电压档位V/DIV 5V-25mV 8档可调，频率 T/DIV 5min-1ms 17档可调，数字显示幅值和频率，光标定位，波形数据的存储等；
2）独立双通道16bit分辨率，1Msps实时采样；
3）至少4路A/D 12bit分辨率，信号范围：-10V~+10V，40Ksps以上实时采样，可同时采集4路模拟电压信号。
4）2路D/A 输出，12bit 分辨率，0－10V标准信号输出，可作为控制信输出。
10. 直流电机调速单元：主要由检测传感器、功率放大器、直流电机组成，由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号，经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值按照一定的规律（通常为PID）运算，然后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。检测传感器采用霍尔传感器，功率放大器采用晶体管功率放大器，控制电路的核心为美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成芯片SG3525。
11. 步进电机调速单元：由脉冲发生单元、脉冲分配单元、功率驱动单元、保护和反馈单元组成，用硬件或软件方法实现脉冲分配器的功能，它输出的多相脉冲信号，经功率放大后驱动电机的各相绕组。
12. 温度过程控制单元：由温度驱动部分、温度测量端组成，温度的驱动部分采用了直流24V的驱动电源，控制电路和驱动电路的原理与直流电机相同，直流24V经过PWM调制后加到加热器的两端
要求完成的实验项目
1. 典型环节的电路模拟(阶跃响应)
2. 二阶系统的瞬态响应(阶跃响应)
3. 高阶系统的瞬态响应和稳定性分析(阶跃响应)
4. 线性系统稳态误差的研究
5. 典型环节或系统频率特性的测量
6. 线性定常系统的串联校正
7. 典型非线性环节的静态特性
8. 非线性系统的描述函数法
9. 非线性系统的相平面分析法
10. 系统能控性与能观性分析
11. 控制系统极点的任意配置
12. 具有内部模型的状态反馈控制系统
13. 采样控制系统的分析
14. 采样控制系统的动态校正
15. A/D与D/A转换
16. 数字滤波器
17. 离散化方法研究
18. 数字PID调节器算法的研究
19. 串级控制算法的研究
20. 解耦控制算法的研究
21. 最少拍控制算法的研究
22. 具有纯滞后系统的大林控制
23. 线性离散系统的全状态反馈控制
24. 模糊控制系统
25. 具有单神经元控制器的控制系统
26. 二次型状态调节器
27. 直流电机闭环调速实验（实物）
28. 温度过程控制实验（实物）
29. 步进电机调速实验（实物）
30. 线性连续控制系统的仿真
31. 根轨迹的仿真
32. 线性系统频率响应的仿真
33. 采样控制系统的仿真
34. 串联校正的仿真
35. 非线性连续控制系统的仿真
36. 基于状态方程式的时间响应测试
37. 控制系统极点的任意配置
38. 状态观测器设计及带观测器的闭环系统响应测试
39. 多变量解耦控
40. 信号的时域表示
41. 信号的基本运算
42. 连续时间系统的冲激响应和单位阶跃响应
43. 二阶系统的模拟
44. 系统的零输入、零状态及完全响应
45. 线性系统稳定性分析
46. 信号的无失真传输
47. 信号的采样与恢复
48. 幅度调制与解调
49. 滤波器频率特性的研究
50. 信号的分解与合成
51. 周期信号的频谱表示
52. LTI系统的频率响应
