一、概述

自控原理、計算機(jī)控制等課程是自動化及相關(guān)專業(yè)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，理論性較強(qiáng)，較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)掌握有一定的難度，因此實驗教學(xué)環(huán)節(jié)效果的好壞對學(xué)生牢固掌握課堂理論知識，提高課程的教學(xué)質(zhì)量起著非常重要的作用，我們研制的這種新型實驗裝置，將傳統(tǒng)的實驗方法與計算機(jī)結(jié)合起來，不僅使操作更靈活方便，實驗內(nèi)容更豐富，分析手段更科學(xué)化，而且明顯提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、主要組成

實驗裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該系統(tǒng)中由計算機(jī)通過串口或USB接口與自制的A/D、D/A接口板實現(xiàn)信號發(fā)生器、示波器的功能，實驗時不用打開機(jī)箱，使用非常方便，本系統(tǒng)充分發(fā)揮了計算機(jī)的優(yōu)勢，由計算機(jī)完成實驗數(shù)據(jù)的采集、存儲和計算處理，在實驗時就可以將實驗結(jié)果與理論分析值進(jìn)行對比，提高了實驗效率，配套實驗軟件人機(jī)界面非常友好，操作簡便，實驗數(shù)據(jù)可導(dǎo)入Matlab進(jìn)行分析，顯著增強(qiáng)了實驗效果。本實驗裝置還具有實驗方案配置靈活、便于擴(kuò)展其他實驗等優(yōu)點，由于計算機(jī)在不做實驗時也可被充分利用，實際上也節(jié)約了設(shè)備投資。

圖1 新型自控/計控實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

三、特點

1、A/D、D/A接口板采用SOC型單片機(jī)C8051F020，集成度高，板上擁有2路DA，8路AD，精度為12位，范圍-5V至+5V，通過串口或USB接口與計算機(jī)相連，數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到115200bps。

2、在同一硬件平臺上開發(fā)了自控原理/計算機(jī)控制/虛擬儀器等多個系列的多套實驗軟件，形成了包括自控原理仿真、自控原理實驗、數(shù)字PID實驗、直接數(shù)字控制器設(shè)計、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)回放等軟件組成的軟件包，功能非常強(qiáng)大。

• 自控原理部分：

開發(fā)有自控原理實驗仿真軟件，在實際操作之前可*行理論仿真，實驗后可將實測結(jié)果與理論值進(jìn)行對比分析，加深理解。

信號發(fā)生器部分的設(shè)計具有超乎尋常的強(qiáng)大功能及靈活性，真正實現(xiàn)2路DA的同時使用，可發(fā)出階躍、斜坡、拋物線、正弦、方波、三角、鋸齒、隨機(jī)等多種信號且幅值、頻率、極性、初始相位可調(diào)，2路DA之間相位可調(diào)、可疊加。

AD信號可選擇顯示的方式（正反、顏色、線寬、打點劃線等），可實現(xiàn)連續(xù)采集（只受硬盤容量限制），

具有長余輝X-Y與短余輝X-Y顯示方式。

實驗數(shù)據(jù)可生成數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Matlab進(jìn)行分析，顯著增強(qiáng)了實驗效果。

可自動進(jìn)行頻率特性分析，生成60組數(shù)據(jù)，自動繪制波特圖、奈氏圖。

• 計算機(jī)控制部分：

信號給定方式多樣，可選階躍、斜坡、拋物線、正弦、方波、三角、鋸齒、電位器給定多種方式且幅值、頻率、極性可調(diào)。

可實現(xiàn)多個PID調(diào)節(jié)器的串級控制實驗，可進(jìn)行電流、轉(zhuǎn)速、位置三閉環(huán)控制的模擬實驗。

可進(jìn)行四種算法的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制實驗，所有控制算法均不需編程。

AD信號可選擇顯示的方式（正反、顏色、線寬、打點劃線等），可實現(xiàn)連續(xù)采集（只受硬盤容量限制）。

• 虛擬儀器部分：

可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、回放等功能。

3、本實驗裝置通過開放通信協(xié)議，提供多種例程，實現(xiàn)了一機(jī)多用，非常適合自動化及相關(guān)專業(yè)開展實驗室開放、課程設(shè)計、電子競賽訓(xùn)練、畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)內(nèi)容。

4、使用方便，在界面設(shè)計方面，特別注意了易操作性，自控原理、計算機(jī)控制、虛擬儀器等多套軟件共用同一套硬件，具有相同的界面風(fēng)格，部分程序界面如圖2所示，其中參數(shù)設(shè)置在動態(tài)加入的窗體中完成，波形顯示在一個圖片框控件上完成，圖片框上方顯示X-Y坐標(biāo)值和時間值，工具欄上的三個按鍵分別是啟動、暫停和停止，同時包括接口測試程序，學(xué)生不需專門的學(xué)習(xí)過程即可使用。

5、實時顯示速度快，軟件采用了特別的加速技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)曲線的高速實時顯示，不需數(shù)據(jù)擬合處理，非常適用于實驗教學(xué)。

6、該實驗平臺采用開放性設(shè)計，可充分滿足教師學(xué)生自主開發(fā)設(shè)計型、創(chuàng)新性實驗的需要。

7、性能可靠，本產(chǎn)品設(shè)計*，能夠適應(yīng)實驗教學(xué)中經(jīng)常出現(xiàn)的各種錯誤接線、錯誤操作等情況，經(jīng)用戶長時間使用，從未出現(xiàn)任何影響使用的故障，真正實現(xiàn)零維護(hù)。為保證客戶利益，我們對本產(chǎn)品實行1年保修，終身維護(hù)。

圖2 部分程序界面

四、實驗內(nèi)容：

自控原理部分：

實驗一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)

實驗二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)

實驗三 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

實驗四 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析

實驗五 系統(tǒng)頻率特性實驗

實驗六 系統(tǒng)校正

實驗七 相平面法分析非線性系統(tǒng)

實驗八 采樣系統(tǒng)分析

實驗九 狀態(tài)反饋

實驗十 二次型控制器設(shè)計

計算機(jī)控制部分：

實驗一 D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換實驗

實驗二 A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換實驗

實驗三 采樣與保持實驗

實驗四 平滑與數(shù)字濾波實驗

實驗五 模擬PID控制實驗

實驗六 數(shù)字PID控制實驗

實驗七 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)實驗

實驗八 最少拍控制系統(tǒng)實驗

實驗九 大林算法實驗

實驗十 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計

虛擬儀器部分：

可實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集、存儲、回放等功能。

開放實驗、畢業(yè)設(shè)計部分：

（1）開展模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出、人機(jī)界面設(shè)計、溫度測量等常規(guī)單片機(jī)程序設(shè)計；

（2）開發(fā)單片機(jī)與各種主流軟件平臺的串行通信協(xié)議以及MODBUS等多種通信協(xié)議；

（3）基于各種主流軟件平臺的上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計；

（4）PID等智能控制算法的實現(xiàn)及智能儀器開發(fā)。

以上內(nèi)容均應(yīng)開放通信協(xié)議并提供相應(yīng)例程。

圖3 部分實驗效果