[发明专利]一种自动控制原理实验平台

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动控制原理实验平台，属于实验与测试技术实验装备技术领域。

背景技术

目前，国内大多数自动化实验设备主要包括以下几种形式，

第一种采用MATLAB/Simulink计算机仿真平台进行控制系统设计与仿真，通过对某一控制对象进行数学微分方程建模，得到其传递函数，再进行时域分析、频域分析和根轨迹分析等。这一过程在控制理论层面研究抽象的传递函数，没有控制器与被控对象的明确概念，缺乏工程参考价值。

第二种采用硬件实验箱作为实验工具，使用电阻、电容、电感等模拟元器件构成增益、积分、微分、惯性等典型环节等作为实验对象。在实验过程中，用户依据给定的电路进行连接，通过模拟电路搭建实现控制系统的某一传递函数，工作量大，其频繁拔插的操作会缩短实验设备的使用寿命，在短时间内用户无法对控制系统有整体、深刻的认识。且扩展性差，不利于综合设计型实验的开展。

第三种采用直线倒立摆作为被控对象，建立新型实验平台。倒立摆常常被用作控制系统典型被控对象, 但它的非线性、多维度、强耦合、单输入、多输出的结构特点对于基础实验用户而言明显偏难, 不太适合作为自动化学科的实验装置。

除此之外还有其他类似实验平台，例如使用电机-小车运动控制系统作为实验平台，研究控制理论；使用三容水箱作为控制对象，利用MATLAB实现对实验物理模型实时控制等。但这些实验平台中大部分都不具备控制系统完整性及实验内容多样性的特点与优势，因此不能满足创新型实验平台的要求。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺点与不足，提供了一种自动控制原理实验平台，使实验平台具备多功能、与实际工程应用紧密联系的特点。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种自动控制原理实验平台，包括转台台体1、旋转编码器2、直流力矩电机3、负载装置4、机械轴承5、嵌入式控制器6；旋转编码器2、直流力矩电机3、嵌入式控制器6安装于立式转台台体1内部，直流力矩电机3通过机械轴承5与转台台体1顶部负载装置4相连，旋转编码器2安装于直流力矩电机3下方，与其同轴连接，嵌入式控制器6安装于旋转编码器2下方。

所述转台台体1采用高强度合金材料。

所述旋转编码器2采用24位增量型旋转编码器。

所述嵌入式控制器6采用以工业级别XE167芯片。

所述直流力矩电机3采用稀土永磁式直流力矩电机。

本发明的有益效果如下：

（1）能够建立精准数学模型，便于用户对设计的参数进行仿真分析和验证，增大了理论对实验的指导意义。

（2）可开展实验项目丰富。本实验平台集控制对象模型建立、自动控制理论仿真、嵌入式软件设计、信号采集等内容于一体，可开展伺服转台系统频域法建模实验、伺服转台系统时域响应实验、伺服转台系统频域校正实验、伺服转台系统复合校正实验、伺服转台系统控制律设计实验、伺服转台系统信号采集实验等。具有高度的集成性和完整的系统性。

（3）可扩展性强。本实验平台开放系统的数据采集模块，由用户自主编写转台位置信息采集、速度解算程序与优化算法，并将其集成到整个转台伺服控制程序中去。实验平台的控制箱上为模拟控制预留了硬件接口，能够兼容自动控制模拟学习机作为模拟控制器，用户利用模拟学习机搭建出所需的模拟电路，产生相应的模拟控制指令。将搭建好模拟电路的模拟学习机连入控制箱上的硬件接口，实现对实验平台的模拟控制。

（4）具有稳定的跟踪性能和很高的控制精度。转动的框架结构均采用对称结构，减小了重心偏置的现象发生，有利于转台在运转时达到更好的稳定性能。框架材料选用密度低、刚度大的合金材料，从而减少转动惯量。同时设计时采用对称的型结构，减小了框架的偏心程度，进而提高了固有频率。经过合理的热处理，改变材料的强度、韧性等性能，进而消除材料内部的残余应力。使用高精度旋转编码器，电流环、速度环和位置环的控制结构，大大提高了伺服转台的动态性能和控制精度。

附图说明

图1是高精度伺服实验平台的机械结构示意图，其中：1、转台台体；2、旋转编码器；3、直流力矩电机；4、负载装置；5、机械轴承；6、嵌入式控制器。

图2是高精度伺服实验平台的硬件设计示意图。

图3是高精度伺服实验平台的控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。