FCJX-1型 自動控制理論計算機控制技術教學實驗臺

一、概述

1.本實驗平臺主要用于“自動控制原理?計算機控制技術”的實驗教學以及對計算機控制算法的研究，主要由數據采集卡、虛擬儀器、上位機軟件以及可以任意組合的運放單元組成。

2.系統具有集成一體化的先進精密結構，將高性能的控制原理實驗平臺和控制專用測量與分析儀器等集成在一個實驗平臺上。

3.整個實驗裝置由硬件部分和系統軟件組成：硬件部分由實驗平臺、多個掛件、實驗模塊組成；系統軟件包括系統實驗軟件、系統管理軟件組成，系統實驗軟件用來完成實驗臺對功能掛箱的計算機控制，包括參數的靈活設置。

二、平臺技術

實驗平臺主要由電源儀器模塊箱、鋁型材實驗桌、實驗掛箱、儀器儀表等組成；實驗桌桌面為防火、防水、耐磨高密度板，實驗裝置主框架采用四根75mm×75mm優質歐標型材（單面邊長33mm+中縫9mm+邊長33mm），四周采用成型“8”字型鋁材支架固定，安裝螺絲采用M8+滑塊螺母，設計有帶門可拆卸的鈑金機箱，所有模塊采用激光雕刻工藝，30度專用防火材料模具制作，具有2個專用拉手，采用平衡線路供電，為確保產品為成熟產品。

三、技術性能

1.輸入電源：單相三線220V±10% 50Hz；

2.裝置容量：＜200VA；

3.外形尺寸約1560mm×750mm×1200mm

四、電源控制部分：所有模塊采用彩色噴涂工藝，具有2個專用拉手，30度ABS開模帶底座機箱，操作面板尺寸195mm×300mm；實驗掛件均采用30度ABS絕緣開模底座機箱

1.交流電源模塊：提供220V交流電源，交流電源經空氣開關控制后輸出，面板上設有鑰匙開關、啟動、停止以及急停按鈕，整體設計成獨立模塊，可以單獨使用，系統內置一套“智能自動故障檢測系統”，采用高可靠電子測量模塊，采用6路隔離芯片級電流快速檢測集成芯片設計，32位CPU快速計算與人工智能分析電路故障類型，完成切斷直接短路及過流保護等快速保護，實現“0”內阻電路保護措施，

模塊詳細介紹如下：因設備使用時誤操作導致設備出現短路、過流、漏電等現狀時，智能保護系統直接啟動保護，通過主控芯片進行控制，直接切斷電源并蜂鳴聲告警，保護時間可根據用戶需求進行出廠設定，在設定時間內如未排除故障，設備無法二次上電；保護系統啟動工作時，電源保險絲不會燒毀，避免經常更換保險絲。

智能保護系統：

2.直流電源：配置±5V/1A、±12V/0.5A全數字化設計（可數字化設置啟停），提供2路隔離電源0-30V/0.2A連續可調穩壓電源，2路通道獨立24位AD采樣，電壓電流顯示誤差3個字以內，可拓展4-20ma電流接口，電流輸出采用品牌隔離模塊隔離，恒流源電流保護值輸出功率可200mA-0.9A任意設置，具有1鍵進入恒壓恒流模式，調節精度0.01V/1mA，具有3檔速度調節，編碼器設置功能，默認輸出6V(10mA)和12V（10mA），具有電壓斷電保持功能，能量吸收功能，滿足實驗指導書的需求，可通信設置電壓電流，恒壓和恒流模式，具有電壓電流顯示功能，具有通信接口及全網絡數據監測功能，可擴展LABVIEW等云端監控工具

3.儀表監控模塊：

（1）直流數字電壓表：精度：0.2 級，滿量程500V，電壓：0-500V，5檔量程（500mV-5V-50V-500V-鎖定），帶4-20mA電流輸出口；

（2）直流數字電流表：精度：0.2級，電流：0-2A，全量程內阻15m，5 檔量程（2mA-20mA-200mA-2A-鎖定），帶4-20mA 電流輸出口；

以上儀表采用工業級柜裝≥48mm*96mm，有專用黑色10mm厚度顯示面板帶4個穩定支點，6位數碼顯示，用專用插接短接連接，采用輕觸開關，模具紅色軟體設計，白色激光雕字。

（3）人機交互界面采用集成化設計，可直接在軟件界面進行產品選擇和實驗選擇；能在同一屏幕顯示多個波形窗口，支持窗口布局操作；支持任意不少于8個變量的實時波形及文本顯示，能實時保存及回顯。支持運行狀態及故障狀態顯示；支持任意8個變量的實時修改；

五、數據采集部分：完成LABVIEW界面控制，具8路差分信號（或16路單端信號）、2路模擬信號輸出、6路數字信號輸入/輸出、1路PWM輸入、1路計數器及2路PWM輸出；操作系統支持winXP/Vista/Win7/Win8/Win10，可匹配LABVIEW、LABwindows/CVI、VB.net、C#、delphi、matlab、Vc,QT,Python控制；采集卡安裝在實驗掛箱表面，引出信號接口；數據采集模塊需外置固定于操作面板上，便于學生了解數據采集卡的結構組成，所有接線信號均引出至快速接線端子，學生可在端子上進行接線操作，以求經久耐用采用防觸電護套專用導線及工業“U”型端子同時操作，一體化設計，避免模塊產權糾紛。

六、自動控制與計算機控制實驗部分：為了方便統一管理，實驗模塊宜采用模塊式、積木式等結構，由多個掛件組合而成，方便維護，采用高分子材料面板

1.自控原理實驗模塊：階躍信號發生器單元：輸出幅度0～±10V可調；由運放、電容、電阻、電位器和一些自由布線區等組成通用運放單元，可以模擬各種受控對象的數學模型。

2.計算機原理實驗模塊：實驗模塊采用2mm厚印制線路板制成，正面裝有實物對象及元器件，反面為印刷線路，并焊好相關的元器件，可采用優質鍍鋅柱子完成電路電源供應，實驗模塊采用磁吸式，方便更換，實驗模塊正反面均安裝透明亞克力保護，配套以下實物對象，

各實物模型詳細圖文說明如下：

（1）溫度實物模型：加熱模塊功率 12V  0~2A   0~24W；加熱裝置最大需可加熱溫度 90℃；加熱模塊溫度輸出（模擬量）100mV/℃；加熱模塊溫度測量范圍：0-100℃。

（2）直流電機實物模型：直流電機模塊功率12V/0.22mA（空載），3.5A（堵轉）；直流電機模塊轉速 100~12000rpm；通過APC芯片搭建的模擬量轉PWM電路實現電機功率的無極調節。

（3）步進電機實物模型：步數：96步/圈（3.75°/步）；步進電機類型：四相五線制；額定電壓：12V；電流：500mA；霍爾類型：四磁極（2*S/2*N）。

七、配套基于 LABVIEW 虛擬儀器開發實驗軟件：以上各實驗模塊均配套 LABVIEW程序，通過數據采集卡進行實驗，提供源代碼，學生可自行進行程序設定。

八、便攜式教學開發平臺：采用 PVC 工程塑料一次成型，采用工業標準電源線 220V 直接供電，默認上電自啟動；同時額外預留 24V 供電接口以作備用，平臺具有以太網、485、 USB 等多種通訊接口，2 種電源供電接口及通訊接口位置均布置在實驗箱側面；實驗所需直流可調電源 2 路，0-15V/0-200mA 連續直流可調輸出，具有 1 鍵進入恒壓恒流模式，調節精度≤0.01V/1mA，具有 3 檔速度調節，編碼器設置功能， 默認輸出 6V(10mA)和 12V（10mA）滿足實驗項目的需求，可任意設置，具有短路 保護且自動恢復，可一鍵恢復出廠設置；提供 2 路固定±5V、 ±12V、+3.3V、 +24V 常用固定電源輸出，電源輸出采用不同接口形式，以滿足多種實驗形式；具備 2 路虛擬示波器及虛擬信號源輸出口。

1.支持虛擬儀器采集卡、 自動控制實驗模塊、計算機控制實驗模塊在開 發平臺上安裝，可隨時隨地進行實驗演示，此平臺支持后期數字電路、模擬電路、

電路分析、單片機、虛擬儀器等實驗教學演示。

2.稱重傳感器實物模型：提供 0-6KG 稱重傳感器 ，壓力變送器輸出 100mV/KG，變送器輸出范圍 0-10V，通過測量重量傳感器電橋將重量轉化為電壓線性輸出，采用 labview 軟件進行自動換算。

3.可燃氣體傳感器實物模型：可檢測煙霧、可燃氣體，檢測濃度 300-10000ppm，需測量在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫材料電導率檢測，通過芯片變送為電壓模擬量輸出或通過比較器比較報警濃度后直接輸出開關量。

4.人體熱釋電感應實物模型：輸入電壓 5V，重復感應封鎖時間 2.5s，感 應范圍≥120 ° , 通過編寫 VI 程序及面板設計，設計一個人體紅外感應樓道燈， 紅外探頭檢測到特殊紅外（人體熱釋電）后發出信號給信號處理部分，信號處理

部分輸出高電平并延時一段時間，信號可重復觸發。

5.度測量傳感器實物模型：輸入電壓 4.5-5.5V ，輸出信號 0-3V ，測量范圍 0-99.9%RH，內置變送器通過測量濕敏電容的參數將空氣濕度轉化為模擬量并輸出，采用 labview 軟件進行自動換算

九、設備可完成實驗內容

（一）自控原理實驗

1.典型環節的電路模擬

2.二階系統的瞬態響應

3.線性系統穩態誤差的研究

4.典型環節或系統頻率特性的測量

5.線性定常系統的串聯校正

6.典型非線性環節的靜態特性

7.非線性系統的相平面分析法

8.非線性系統的描述函數法

9.系統能控性與能觀性分析

10.采樣控制系統的分析

（二）計算機控制技術實驗

1A/D與D/A轉換

2.數字濾波器

3.D(S)離散化方法的研究

4.數字PID控制算法的研究

5.串級控制算法的研究

6.最少拍控制算法的研究

7.線性離散系統的全狀態反饋控制

8.直流電機閉環調速控制（實物）

9.溫度閉環PID控制（實物）

10.步進電機控制（實物）