一、產品概述
“YKGJK-2型計算機控制技術實驗裝置”是我公司根據《計算機控制技術》、《自控原理技術》相關教材，并結合教學和實踐的需要而進行精心設計的實驗系統。它適用于高校的自動化、測控技術與儀器、計算機控制技術等專業實驗教學。該產品技術性能穩定可靠，實驗靈活方便，有利于培養學生的動手能力，是高等院校等理想的教學設備。
二、系統特點
實驗裝置整體采用鈑金結構、主體采用2mm厚的鈑金加工，左邊配有實驗工具抽屜，中間設有工控機放置支架，右邊配有鍵盤及鼠標抽屜，控制屏左邊為實驗電路區，配有實驗電路板，實驗電路板采用新型優化設計，電路中的電阻電容采用專業短路接頭連接，使其不用各種導線都可以接入或切除。整個設備還配套雙容模型水箱，采用鋁型材結構加藍色透明水箱組成。桌體延伸放置水箱模型及顯示器。
三、設備能完成的實驗功能
1、計算機控制技術實驗項目
實驗一?? 輸入輸出通道實驗；
實驗二?? 數字濾波實驗；
實驗三?? 離散化方法實驗；
實驗四?? PID控制器設計實驗；
實驗五?? 串級控制算法的實驗；
實驗六?? 解耦控制算法的實驗；
實驗七?? 最少拍無差控制實驗；
實驗八?? 針對純滯后系統的大林算法控制實驗；
實驗九? ?線性離散系統的全狀態反饋控制實驗；
實驗十? ?單閉環直流調速系統實驗；
實驗十一? 步進電機轉速控制系統實驗；
實驗十二? 溫度控制系統實驗；
實驗十三? 單容水箱液位控制實驗；
實驗十四? 雙容水箱閉環控制實驗。
2、自控原理實驗項目
實驗一? 典型環節的特性實驗；
實驗二? 二階系統的瞬態響應實驗；
實驗三? 高階系統的動態和穩態實驗；
實驗四? 線性定常系統的穩態誤差分析實驗；
實驗五? 典型環節和系統頻率特性的測量實驗；
實驗六? 線性定常系統的串聯校正實驗；
實驗七? 典型非線性環節的靜態特性分析實驗；
實驗八? 非線性系統的描述函數法分析實驗；
實驗九? 非線性系統的相平面分析法實驗；
實驗十? 系統能控性與能觀性分析實驗；
實驗十一? 控制系統極點的配置實驗；
四、技術性能
1.輸入電源：單相三線AC220V±10%? 50/60Hz
2.工作環境：溫度-10℃～+60℃
3.相對濕度：＜85％（25℃）海拔＜4000m
4.外形尺寸約：1620mm×730mm×1300mm
五、系統整體配置說明
1、系統組成：
（1）直流穩壓電源
±5V/3A、±15V/1A、＋24V/3A共五路，每路均有短路保護自動恢復功能。具有階躍信號發生電路：輸出幅度0~±15V可調。
(2) 雙通道函數信號發生器
采用大規模FPGA 集成電路和32 位高速ARM 微處理器，內部電路采取表面貼片工藝，大大提高了儀器的抗干擾性和使用壽命。顯示界面采用2.4 寸TFT 液晶顯示屏，具有320*240 高分辨率，能夠顯示兩個通道的所有參數并且提示當前的按鍵功能，高效地利用了按鍵資源，避免了用戶頻繁地按鍵操作，大大地增強了可操作性。本儀器在信號產生、波形掃描、參數測量以及使用方面都有很大的優勢，是電子工程師、電子實驗室、生產線及教學、科研的理想測試、計量設備。主要參數如下：
1）信號輸出幅度范圍:5mVpp~20Vpp；
2）分辨率可達1mVpp;頻率計范圍:0.01Hz~100MHz;掃描時間范圍:0.01s~999.99s；
3）偏置電平-10V~10V任意可調；每個功能都有獨立的操作界面；
4）頻率范圍：0.2Hz~2MHz；
5）輸出調制頻率掃描、幅度掃描、占空比掃描、FSK、猝發；
6）波形種類：正弦波、方波、三角波、鋸齒波；
7）輸出保護：短路保護，抗輸入電壓±35V（1分鐘）；
8）輸出幅度指示，采用2.4寸TFT液晶顯示屏，具有計算機接口。
2. 實物及相關電路
實驗電路模塊主要由單元電路板、直流電機、步進電機、溫度加熱器四部分組成。主要包括以下內容：
1）實驗電路板上應該有通用運放電路、微分電路、積分電路、加法器電路，并在上述電路的輸入端和反饋端配置冗余的電容、電阻和電位器，他們可以通過短路塊實現接入或切除，可以模擬各種被控對象。實驗電路板應該留有一些自由布線區。要求實驗電路板采用新型優化設計。
2）直流電動機組應能夠施加負載力矩，以便完成直流電機雙閉環控制實驗。步進電機與其驅動電路連接可完成步進電機轉速控制實驗。主要由直流電機、轉盤、F/V轉換電路、驅動電路等幾部分組成。
3）溫度控制系統由溫室（透明有機玻璃制成）、溫度加熱器（功率為50瓦）、溫度傳感器、風機等部分組成，以便實現溫度控制實驗。
3、數據采集板卡
本裝置采用研華PCI Express總線多功能數據采集卡，型號為PCIE-1810，支持Labview\MATLAB、支持PCI插槽：具體參數要求如下：
1）16路單端模擬輸入，分辨率12位，采樣率單通道800kS/s，多通道500kS/s；
2）2路模擬量輸出，分辨率12位，500kS/s，轉換速率20V/μs；
3）模擬量輸入輸出支持模擬和數字觸發，多種觸發模式；
4）24路可編程數字I/O通道；
5）2個32位可編程計數器/定時器，板載4k FIFO；
6）支持微軟Windows8（僅桌面控制模式）/7/XP。
7）支持常見多種編譯語言：C#,C++,LabVIEW,VB.Net,BCB,MFC,VB6,Delphi,Java,Matlab,Qt
4、工控機系統：
采用研華工控機IPC-610L/AIMB-501G2/I5-2400/4G/1T/K+M，具體參數：
處理器I5-2400，
內存：4G，
硬盤：1T，
包含鍵盤鼠標，
顯示器：19.5寸，
5、配套雙容水箱模型
1）雙容水箱模型主要由有機玻璃水箱，水槽、水泵、和液位壓力傳感器、控制閥門、水管、供電電源等部件組成。要求采用工業級全鋁合金框架結構，非鈑金加工，整體尺寸約：500×200×650 mm；
2）雙容水箱，水槽：采用6mm厚度的透明有機玻璃材料，水箱正面標有水位標尺，內部有設有緩沖槽；
3）水泵：直流24V，直流無刷，磁力驅動，可調速控制流量;靜態楊程6米;最大流量960L/H;工作壽命大于20000小時;具有缺水自動保護功能;防護等級：IP68。
4）液位壓力傳感器：配置2個0-5kAP液位傳感器，可對上下水箱進行液位測量，儲水箱采用304不銹鋼材質。
5）開關電源：配置高性能DC24V/1.5A開關電源。
6、多功能電機調速單元（整體項目配置一套）
1）由有機玻璃保護罩，電機主控制單元，電機驅動單元和電機轉速顯示單元等部件組成。并且必須配置多種電機和多種電機控制實驗項目，例如電機的開環控制、速度閉環控制、PID轉速帶負載控制，電流/力矩閉環控制、雙閉環控制等要求。電機的特性曲線顯示。
2）驅動板底部必須自帶大扇熱片，利于溫度擴散，更適合高溫、大電流、強負荷的場合中穩定使用；支持霍爾位置檢測、增量編碼器位置檢測；支持可調電阻調試；支持過溫指示、IPM報警（過溫、過流、過壓）輸出；可支持IPM溫度測量，具有過溫LED指示；
3）電機轉速單元提供便于觀測電機調試過程中的曲線變化和利于PID參數調整的顯示界面。
4）系統支持直流無刷、永磁同步電機、三相異步電機等功率150W
以上的電機，還包括可變負載的裝置和固定電機的導軌等。
六、系統上位機軟件說明
1、采用Matlab軟件進行編寫界面及算法，主要包含各參數設置界面、波形顯示、信號顯示、Matlab仿真、實驗管理等，通過Matlab算法數據進行運算，并通過配套采集卡進行對象控制。
2、通過Matlab編寫計算機控制系統實驗平臺，通過2種模式實現計算機控制算法，一種采用Matlab軟件編寫算法，實現仿真與計算機控制；一種采用嵌入式平臺完成計算機控制。
3、軟件界面設置有關鍵實驗算法補充窗口（學生可自行設計算法），提供自恢復按鈕功能，當學生進行恢復使用時，可點擊進行軟件自帶提供算法進行實驗。
4、本裝置中的配套軟件開放源代碼，學生及教師可以進行擴展功能及做后續軟件算法研究。提高了計算機控制設備的研究性設計實驗和學生課程設計模型參考。
七、典型實驗項目說明
1、數字濾波實驗項目說明
1）數字濾波算法需包括：一階慣性濾波、平均濾波、移動平均濾波、防脈沖干擾濾波；
2）濾波結果需要反映出每種濾波算法的優勢；
3）給出每種濾波算法的截止頻率；
4）濾波器的輸入波形至少有一種是由50Hz正弦波(理想被測信號)疊加干擾信號構成，干擾信號的幅值大于1V，頻率小于等于500Hz；
5）濾波控制系統的采樣點數一個周波（20ms）64點時，濾波效果要好（平滑、幅值衰減小、相位滯后小）。
2、PID控制器設計實驗項目說明
1）被控對象：兩個慣性環節串聯后的單位閉環
兩個慣性環節串聯的傳函。
再進行單位負反饋閉環形成被控對象傳函。
針對被控對象Ga(s)，設計控制器，再進行閉環控制。
2）單位階躍輸入，采樣周期T=0.01秒，參數整定方法：
參數整定方法需有：反應曲線法、衰減曲線法。
每種參數整定方法需要給出整定的參數和輸出波形。
3）單位階躍輸入，采樣周期T=0.01秒，最佳PID參數控制效果要求：
超調量≤8%，調節時間在0.15秒以內（3%誤差帶）。
3、最少拍控制實驗項目說明
1）最少拍被控對象；
2）列寫出G(z)表達式；
3）單位階躍輸入，選取采樣周期T=0.1秒，要顯示最少拍無差有波紋控制方式下的系統輸出變量C(z)波形和控制器輸出變量U(z)的波形；
4）單位階躍輸入，選取采樣周期T=0.1秒，要顯示最少拍無差無波紋控制方式下的系統輸出變量C(z)波形和控制器輸出變量U(z)的波形。
4、大林算法實驗項目說明
1）用單片機或FPGA實現滯后控制對象，滯后時間可以設定。
2）采用大林算法進行控制，：取τ=0.5，采樣周期T=0.1秒，控制后的閉環傳函。????
3）單位階躍輸入，要顯示大林算法控制方式下的系統輸出變量C(z)波形和控制器輸出變量U(z)的波形。
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