KCGH-04型自动控制技术实验装置
一、产品概述
自动控制技术实验装置是为高等院校《自动控制理论》《计算机控制技术》和《现代控制理论》课程量身打造的实验教学平台。该装置融合模拟、仿真和数字RTW实时控制等先进方法，支持电机转速、温度、液位等多种实物对象的控制实验。通过对这些实物对象的仿真和实时控制，学生能够深入理解速度闭环、温度闭环等经典控制原理，掌握现代控制技术的应用。装置集运放模拟、实际物理对象操作与计算机检测控制于一体，有效激发学生的学习兴趣，提升理论与实践能力，是高校实验教学的理想选择。
二、产品特点
一体化控制系统：装置将模拟、仿真和数字RTW实时控制有机结合，实验内容由浅入深，涵盖从模拟到数字的完整控制理论体系，完美融合传统与现代教学模式，降低教学难度，提升学习效率。
多样化实物控制对象：除基础模拟电路外，装置配备转速闭环、温度闭环、位置随动和二阶液位等四大典型实物控制系统，精准覆盖自控与计控核心实验场景，为高校提供丰富多样的实验选择。
先进软件支持：预装I/0板卡、数据采集控制板，兼容MATLAB/Simulink环境，无缝对接自控与计控领域的计算机仿真及硬件在环（HIL）实时控制实验，让学生提前体验科研级实验流程。
专业实验软件套件：内置“Actlab自动控制理论实验室”和“LAB_CC计算机控制实验室”软件，支持数学建模、软件仿真及RTW实时控制，全方位培养学生的科研思维与实践能力。
开放式创新实验环境：提供开放的硬件和软件平台，鼓励学生开展自主创新实验，培养独立思考和解决问题的能力。
三、实验项目
（一）自动控制理论实验与RTW实时控制实验
典型环节电路模拟与软件仿真：研究比例、积分、微分等典型环节的电路结构和动态特性，通过软件仿真验证理论模型，掌握控制系统的组建方法。
系统动态性能与稳定性分析：利用根轨迹法、乃奎斯特判据等方法，深入分析一阶、二阶典型系统的动态响应和稳定性，学习系统性能评估技术。
频率特性测量：掌握频率响应的测量技术，绘制Bode图和Nyquist图，洞察系统频率特性，为控制系统设计提供关键数据支持。
线性系统串联校正：设计并实施串联校正方案，优化系统性能指标，如提高稳定性、加快响应速度，掌握系统性能优化策略。
非线性环节静态特性：研究继电器、饱和、死区等非线性环节的静态特性，分析非线性因素对系统性能的影响，学习非线性系统分析基础。
非线性系统相平面法：绘制相轨迹，分析非线性系统的稳定性、周期振荡等动态特性，掌握相平面法在非线性系统分析中的应用。
描述函数法：运用描述函数法简化非线性系统分析，评估系统稳定性与自激振荡特性，学习复杂非线性系统的近似分析技术。
极点配置与全状态反馈控制：学习状态空间分析方法，通过极点配置实现系统动态性能优化，掌握现代控制理论在系统设计中的应用。
采样控制系统混合仿真：结合连续与离散系统特点，研究采样控制系统的动态性能和稳定性，学习混合仿真技术在复杂系统分析中的应用。
串联校正混合仿真：在混合仿真环境下设计串联校正网络，改善采样控制系统性能，掌握数字控制系统的校正方法。
（二）计算机控制技术仿真与RTW实时控制实验
A/D与D/A转换：学习模数/数模转换原理，掌握信号采集与控制输出的关键技术，为计算机控制系统开发奠定基础。
数字滤波技术：研究数字滤波算法，去除采集信号中的噪声，提高信号质量，保障控制系统稳定性与可靠性。
D(S)离散化方法：深入学习冲激不变法、双线性变换法等离散化技术，实现连续系统到离散系统的精准转换，掌握数字控制系统设计的核心步骤。
数字PID控制算法：研究比例、积分、微分控制参数对系统性能的影响，掌握数字PID控制器的设计与优化方法，提高控制系统性能。
串级控制算法：学习串级控制系统的结构与工作原理，掌握主副控制器参数整定方法，提升复杂对象控制能力。
解耦控制算法：研究解耦控制策略，消除多变量系统变量间耦合现象，实现独立控制，提高系统控制精度。
二维模糊控制特性与应用：学习模糊控制理论，掌握二维模糊控制器的设计与实现方法，探索其在复杂系统中的应用潜力。
线性离散系统全状态反馈控制算法：深入学习线性离散系统状态空间分析方法，掌握全状态反馈控制律设计技术，实现系统性能优化。
纯滞后系统大林控制算法：学习大林算法原理，掌握其在纯滞后系统中的应用方法，有效补偿系统滞后，提高控制性能。
最小拍控制算法：研究最小拍控制原理，设计控制器使系统输出在最少拍数内达到稳态，实现快速精确控制。
积分分离PID控制算法：学习积分分离PID控制策略，避免系统超调与振荡，提高系统抗干扰能力与动态性能。
Smith预估补偿算法：深入研究Smith预估器设计方法，学习其在解决系统纯滞后问题中的应用技巧，提升控制系统稳定性与响应速度。
（三）实物控制对象仿真与RTW实时控制实验
直流电机速度闭环系统实验：搭建直流电机速度控制系统，进行速度控制实验，深入理解电机控制原理，掌握速度控制技术。
温度闭环控制系统实验：构建温度控制系统，开展温度控制实验，学习温度传感器应用与加热器控制方法，提升温度控制能力。
水箱液位闭环系统实验：搭建水箱液位控制系统，进行液位控制实验，掌握液位传感器应用与水泵控制技术，积累液位控制经验。
角度平衡风机闭环控制系统实验：搭建角度平衡风机控制系统，进行角度控制实验，学习角度传感器应用与风机控制方法，拓展在平衡控制领域的实践能力。
光伏实时追踪闭环控制系统实验：构建光伏追踪系统，开展实时追踪实验，学习光敏传感器应用与电机控制技术，探索新能源领域的控制应用。
四、实验台技术说明
（一）技术条件
输入电源：单相220VAC±5%/50Hz，装置容量：< 200VA。
工作环境：温度-10℃～＋40℃，相对湿度≤85%，海拔≤4000m。
重量：< 50kg。
实验台尺寸：L×W×H=1650mm×750mm×780mm。
（二）实验台结构说明
实验台由铝合金控制屏、实验模块、实验桌和实验导线等部分组成。实验模块涵盖交流电源、运放模拟环节、控制计算机（需学校自备）及I/O板卡、数据采集控制板和控制对象等关键组件。
（三）系统配置
控制屏：整合电源单元、数据处理单元、元器件单元、3个非线性单元以及9个模拟电路单元等16个功能单元。
U1电源单元：提供＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V及0V～15V可调电源，满足实验工作需求。
实时采集数据处理单元：配备USB2.0接口，包含多路A/D采集输入通道和D/A输出通道，实现模拟量和数字量的高效转换与传输。
U4元器件单元：由运放及外围元器件构成，提供基础电子元件支持。
U5－U7非线性环节单元：模拟死区、间隙、继电、饱和等非线性特性，丰富实验研究场景。
U8－U16模拟电路单元：由运算放大器与电阻、电容等器件组成的模拟电路单元，支持多种模拟电路实验。
控制对象配置
ACT-DT1电机转速闭环控制系统：采用力矩电机，通过光电码盘检测转速，转换输出1～10V转速信号，配备直流电压表和转速表，直观展示控制效果。
ACT-WKB温度闭环控制系统：基于热风控制原理，模仿汽车发动机燃烧温度检测控制，提供快速精准的温度控制实验平台。
ACT-YK4二阶液位控制系统：由水箱、电源、传感器、水泵、管路及金属框架组成，完成二阶液位特性实验和水箱液位控制实验。
角度平衡风机闭环控制系统：通过控制两侧风机电压，平衡吹力，使挡板保持设定角度，角度控制范围0-180度，稳定精度±3度。
光伏实时追踪闭环控制系统：利用3路光敏传感器检测光强，通过H桥驱动电机正反转，精准寻找光源位置，稳定误差不超过±5度。
上位机控制软件功能
Actlab自动控制理论实验室软件：基于LabVIEW设计，实现实验项目选择、数据采集、特性曲线分析等功能，提供丰富的界面显示与交互体验。
LAB-CC计算机控制实验室软件：与实验台紧密配合，支持Matlab仿真实验、运放模拟对象实验和实物对象控制实验，覆盖计算机控制技术课程全部知识点。
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