一、产品概述

“YKGJK-2型计算机控制技术实验装置”是我公司根据《计算机控制技术》、《自控原理技术》相关教材，并结合教学和实践的需要而进行精心设计的实验系统。它适用于高校的自动化、测控技术与仪器、计算机控制技术等专业实验教学。该产品技术性能稳定可靠，实验灵活方便，有利于培养学生的动手能力，是高等院校等理想的教学设备。

二、系统特点

实验装置整体采用钣金结构、主体采用2mm厚的钣金加工，左边配有实验工具抽屉，中间设有工控机放置支架，右边配有键盘及鼠标抽屉，控制屏左边为实验电路区，配有实验电路板，实验电路板采用新型优化设计，电路中的电阻电容采用专业短路接头连接，使其不用各种导线都可以接入或切除。整个设备还配套双容模型水箱，采用铝型材结构加蓝色透明水箱组成。桌体延伸放置水箱模型及显示器。

三、设备能完成的实验功能

1、计算机控制技术实验项目

实验一   输入输出通道实验；

实验二   数字滤波实验；

实验三   离散化方法实验；

实验四   PID控制器设计实验；

实验五   串级控制算法的实验；

实验六   解耦控制算法的实验；

实验七   最少拍无差控制实验；

实验八   针对纯滞后系统的大林算法控制实验；

实验九   线性离散系统的全状态反馈控制实验；

实验十   单闭环直流调速系统实验；

实验十一  步进电机转速控制系统实验；

实验十二  温度控制系统实验；

实验十三  单容水箱液位控制实验；

实验十四  双容水箱闭环控制实验。

2、自控原理实验项目

实验一  典型环节的特性实验；

实验二  二阶系统的瞬态响应实验；

实验三  高阶系统的动态和稳态实验；

实验四  线性定常系统的稳态误差分析实验；

实验五  典型环节和系统频率特性的测量实验；

实验六  线性定常系统的串联校正实验；

实验七  典型非线性环节的静态特性分析实验；

实验八  非线性系统的描述函数法分析实验；

实验九  非线性系统的相平面分析法实验；

实验十  系统能控性与能观性分析实验；

实验十一  控制系统极点的配置实验；

四、技术性能

1.输入电源：单相三线AC220V±10%  50/60Hz

2.工作环境：温度-10℃～+60℃　

3.相对湿度：＜85％（25℃）海拔＜4000m

4.外形尺寸约：1620mm×730mm×1300mm

五、系统整体配置说明

1、系统组成：

（1）直流稳压电源

±5V/3A、±15V/1A、＋24V/3A共五路，每路均有短路保护自动恢复功能。具有阶跃信号发生电路：输出幅度0~±15V可调。

(2) 双通道函数信号发生器

采用大规模FPGA 集成电路和32 位高速ARM 微处理器，内部电路采取表面贴片工艺，大大提高了仪器的抗干扰性和使用寿命。显示界面采用2.4 寸TFT 液晶显示屏，具有320*240 高分辨率，能够显示两个通道的所有参数并且提示当前的按键功能，高效地利用了按键资源，避免了用户频繁地按键操作，大大地增强了可操作性。本仪器在信号产生、波形扫描、参数测量以及使用方面都有很大的优势，是电子工程师、电子实验室、生产线及教学、科研的理想测试、计量设备。主要参数如下：

1）信号输出幅度范围:5mVpp~20Vpp；

2）分辨率可达1mVpp;频率计范围:0.01Hz~100MHz;扫描时间范围:0.01s~999.99s；

3）偏置电平-10V~10V任意可调；每个功能都有独立的操作界面；

4）频率范围：0.2Hz~2MHz；

5）输出调制频率扫描、幅度扫描、占空比扫描、FSK、猝发；

6）波形种类：正弦波、方波、三角波、锯齿波；

7）输出保护：短路保护，抗输入电压±35V（1分钟）；

8）输出幅度指示，采用2.4寸TFT液晶显示屏，具有计算机接口。

2. 实物及相关电路

实验电路模块主要由单元电路板、直流电机、步进电机、温度加热器四部分组成。主要包括以下内容：

1）实验电路板上应该有通用运放电路、微分电路、积分电路、加法器电路，并在上述电路的输入端和反馈端配置冗余的电容、电阻和电位器，他们可以通过短路块实现接入或切除，可以模拟各种被控对象。实验电路板应该留有一些自由布线区。要求实验电路板采用新型优化设计。

2）直流电动机组应能够施加负载力矩，以便完成直流电机双闭环控制实验。步进电机与其驱动电路连接可完成步进电机转速控制实验。主要由直流电机、转盘、F/V转换电路、驱动电路等几部分组成。

3）温度控制系统由温室（透明有机玻璃制成）、温度加热器（功率为50瓦）、温度传感器、风机等部分组成，以便实现温度控制实验。

3、数据采集板卡

本装置采用研华PCI Express总线多功能数据采集卡，型号为PCIE-1810，支持Labview\MATLAB、支持PCI插槽：具体参数要求如下：

1）16路单端模拟输入，分辨率12位，采样率单通道800kS/s，多通道500kS/s；

2）2路模拟量输出，分辨率12位，500kS/s，转换速率20V/μs；

3）模拟量输入输出支持模拟和数字触发，多种触发模式；

4）24路可编程数字I/O通道；

5）2个32位可编程计数器/定时器，板载4k FIFO；

6）支持微软Windows8（仅桌面控制模式）/7/XP。

7）支持常见多种编译语言：C#,C++,LabVIEW,VB.Net,BCB,MFC,VB6,Delphi,Java,Matlab,Qt

4、工控机系统：

采用研华工控机IPC-610L/AIMB-501G2/I5-2400/4G/1T/K+M，具体参数：

处理器I5-2400，

内存：4G，

硬盘：1T，

包含键盘鼠标，

显示器：19.5寸，

5、配套双容水箱模型

1）双容水箱模型主要由有机玻璃水箱，水槽、水泵、和液位压力传感器、控制阀门、水管、供电电源等部件组成。要求采用工业级全铝合金框架结构，非钣金加工，整体尺寸约：500×200×650 mm；

2）双容水箱，水槽：采用6mm厚度的透明有机玻璃材料，水箱正面标有水位标尺，内部有设有缓冲槽；

3）水泵：直流24V，直流无刷，磁力驱动，可调速控制流量;静态杨程6米;最大流量960L/H;工作寿命大于20000小时;具有缺水自动保护功能;防护等级：IP68。

4）液位压力传感器：配置2个0-5kAP液位传感器，可对上下水箱进行液位测量，储水箱采用304不锈钢材质。

5）开关电源：配置高性能DC24V/1.5A开关电源。

6、多功能电机调速单元（整体项目配置一套）

1）由有机玻璃保护罩，电机主控制单元，电机驱动单元和电机转速显示单元等部件组成。并且必须配置多种电机和多种电机控制实验项目，例如电机的开环控制、速度闭环控制、PID转速带负载控制，电流/力矩闭环控制、双闭环控制等要求。电机的特性曲线显示。

2）驱动板底部必须自带大扇热片，利于温度扩散，更适合高温、大电流、强负荷的场合中稳定使用；支持霍尔位置检测、增量编码器位置检测；支持可调电阻调试；支持过温指示、IPM报警（过温、过流、过压）输出；可支持IPM温度测量，具有过温LED指示；

3）电机转速单元提供便于观测电机调试过程中的曲线变化和利于PID参数调整的显示界面。

4）系统支持直流无刷、永磁同步电机、三相异步电机等功率150W

以上的电机，还包括可变负载的装置和固定电机的导轨等。

六、系统上位机软件说明

1、采用Matlab软件进行编写界面及算法，主要包含各参数设置界面、波形显示、信号显示、Matlab仿真、实验管理等，通过Matlab算法数据进行运算，并通过配套采集卡进行对象控制。

2、通过Matlab编写计算机控制系统实验平台，通过2种模式实现计算机控制算法，一种采用Matlab软件编写算法，实现仿真与计算机控制；一种采用嵌入式平台完成计算机控制。

3、软件界面设置有关键实验算法补充窗口（学生可自行设计算法），提供自恢复按钮功能，当学生进行恢复使用时，可点击进行软件自带提供算法进行实验。

4、本装置中的配套软件开放源代码，学生及教师可以进行扩展功能及做后续软件算法研究。提高了计算机控制设备的研究性设计实验和学生课程设计模型参考。

七、典型实验项目说明

1、数字滤波实验项目说明

1）数字滤波算法需包括：一阶惯性滤波、平均滤波、移动平均滤波、防脉冲干扰滤波；

2）滤波结果需要反映出每种滤波算法的优势；

3）给出每种滤波算法的截止频率；

4）滤波器的输入波形至少有一种是由50Hz正弦波(理想被测信号)叠加干扰信号构成，干扰信号的幅值大于1V，频率小于等于500Hz；

5）滤波控制系统的采样点数一个周波（20ms）64点时，滤波效果要好（平滑、幅值衰减小、相位滞后小）。

2、PID控制器设计实验项目说明

1）被控对象：两个惯性环节串联后的单位闭环

两个惯性环节串联的传函。

再进行单位负反馈闭环形成被控对象传函。

针对被控对象Ga(s)，设计控制器，再进行闭环控制。

2）单位阶跃输入，采样周期T=0.01秒，参数整定方法：

参数整定方法需有：反应曲线法、衰减曲线法。

每种参数整定方法需要给出整定的参数和输出波形。

3）单位阶跃输入，采样周期T=0.01秒，最佳PID参数控制效果要求：

超调量≤8%，调节时间在0.15秒以内（3%误差带）。

3、最少拍控制实验项目说明

1）最少拍被控对象；

2）列写出G(z)表达式；

3）单位阶跃输入，选取采样周期T=0.1秒，要显示最少拍无差有波纹控制方式下的系统输出变量C(z)波形和控制器输出变量U(z)的波形；

4）单位阶跃输入，选取采样周期T=0.1秒，要显示最少拍无差无波纹控制方式下的系统输出变量C(z)波形和控制器输出变量U(z)的波形。

4、大林算法实验项目说明

1）用单片机或FPGA实现滞后控制对象，滞后时间可以设定。

2）采用大林算法进行控制，：取τ=0.5，采样周期T=0.1秒，控制后的闭环传函。    

3）单位阶跃输入，要显示大林算法控制方式下的系统输出变量C(z)波形和控制器输出变量U(z)的波形。

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