开放式自动控制综合设计实验系统的制作方法

xiaoxiao2020-6-26  12

专利名称:开放式自动控制综合设计实验系统的制作方法
技术领域
本实用新型涉及一种实验教学设备,具体涉及一种用于工科院校专业控制课程实验教学的开放式自动控制综合设计实验系统。
技术背景实验教学是学校教学中不可或缺的重要环节,尤其在工科院校的专业设计课程的教学中更为重要,而与之配套的实验教学设备的优劣对实验教学的效果有很大的影响。在普通工科高等院校(含高职高专)的自动控制专业教学设备领域中,近年来,全国许多院校采用各教学仪器设备公司生产的“自动控制原理实验装置”,这些实验装置大部分采用运放模拟电路的分立元件来构造整套硬件装置,而且只配备能够输出记录曲线的简单软件,因此目前的实验系统一般都具有以下局限性1、操作时接线较繁杂,实验者要花费较多的时间和精力在连接电路方面,实验效率较低,时间不能专注于自动控制理论的实验研究本身。2、分立元件结构的线路可靠性较差,接线中一个小小的失误往往会造成实验的失败。3、设备端口单一、不具备通用性,实验只能局限于装置本身所提供的内容,研究范围较狭窄,不利于实验对象的拓展。4、设备附带的软件界面简单、功能有限,数据测量有时间限制,不适合长时间运行的实验,历史数据曲线不能完整保留。5、设备数据处理能力较差,研究人员不能根据实验目的自主确定和更改相关实验选项,不支持自主项目的设计和开发
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有自动控制原理实验装置的不足,提供一种开放式自动控制综合设计实验系统,其采用组合的结构和透明的外观,同时结合计算机的应用,具有结构简单、可靠性高、适用范围广、效率高的优点。为解决上述的技术问题,本实用新型采用如下的技术方案一种开放式自动控制综合设计实验系统,其包括有模拟实验装置、数据传送模块和计算机;所述模拟实验装置为开放式箱式结构,其最外层为箱体,内层为核心电路板,该核心电路板的正面印有电路原理图,上面排列有若干典型的环节电路模块,其反面设置有 PCB板、数字变阻箱和数字变容箱,该若干环节电路模块采用集成电路芯片且均设有输入端和输出端,各环节电路模块能够通过连接该输入端和输出端相互自由组合以构造出各种控制系统,该模拟实验装置的最前层为展示面板,其采用透明有机玻璃制成,上面镂刻有所述各环节电路模块的图形及其传递函数文字且位置与各环节电路模块相对应,所述展示面板上设置有与所述数字变阻箱和数字变容箱连接的“ + ”、“_”按钮和数码显示器;所述计算机储存有综合分析设计软件;所述数据传送模块分别与所述模拟实验装置和计算机连接,其由数据采集卡和输入输出数据接口板组成,该数据采集卡安装在计算机的PCI插槽中,其包含A/D转换器、D/A转换器、通用数据通信模块、数据缓存扩展模块、接口控制逻辑电路及电源电路,该输入输出数据接口板与数据采集卡连接。本实用新型所述的开放式自动控制综合设计实验系统,其所述若干环节电路模块包括有比例环节电路模块、积分环节电路模块、比例积分环节电路模块、惯性环节电路模块、微分环节电路模块、比例微分环节电路模块、比例积分微分环节电路模块、二阶振荡环节电路模块和比较环节电路模块;该环节电路模块的集成电路芯片为LM324 ;所述数据采集卡采用PCI8320,所述A/D转换器为ADC0809,所述D/A转换器为DAC0832 ;所述综合设计实验系统还包括有温控炉恒温控制模块,该温控炉恒温控制模块由两部分组成,第一部分包括被控对象电热炉的电炉丝、温度传感器热敏电阻及信号放大电路,第二部分包括可控硅及其移相触发脉冲电路;所述综合设计实验系统还包括有电机调速控制模块,该电机调速控制模块由两部分组成,第一部分包括被控直流电机、转速检测装置及直流电源,第二部分包括传感器信号整形、控制电压功率放大电路。本实用新型所述开放式自动控制综合设计实验系统的有益效果是1、实验对象适用范围广——本实用新型的核心电路板设置有多个典型的环节电路模块,能够根据使用者的需要自由组合成各种控制系统作为实验对象,此外通用的输入端和输出端、数值可调的数字变阻箱和数字变容箱都为实现这种自由组合创造了结构上的有利条件,因此所述开放式自动控制综合设计实验系统具有通用性强、实验适用范围广和支持自主设计开发的优点。2、数据处理能力强——本实用新型采用计算机完成数据处理、分析以及实时控制,结合使用LabVIEW和MATLAB两种软件,既充分发挥LabVIEW较强的实时数据采集、测试、分析、处理及保存的功能,又借助MATLAB超强的系统分析及仿真设计功能,使得研究者能更好地实现仿真算法与实际控制的统一,提升实验系统的效率,同时充分发挥了计算机界面直观、历史测量数据保留完整和适合长时间运行的特点,因而所述开放式自动控制综合设计实验系统具有数据处理能力强、效率高的优点。3、系统工作可靠——本实用新型采用了模块组合式结构和统一的数据接口,因此极大限度避免了人为接线的失误,大大提高了所述开放式自动控制综合设计实验系统的可靠性。总之,本实用新型所述开放式自动控制综合设计实验系统具有结构简单通用、可靠性高、实验适用范围广、数据处理能力强和工作效率高的优点。所述开放式自动控制综合设计实验系统不但为高等院校有关专业的学生完成《自动控制原理系列实验》、《计算机控制技术系列实验》、((LabVIEff实验》、《控制系统MATLAB仿真实验》、《自动控制系系统实验》、 《系统建模与系统辨识实验》、《自动控制系统课程设计》、《毕业设计》等课程,研究控制系统的辨识以及各种高级算法提供了一个良好的实验平台和环境,而且能够为有关技术人员自主创新实验设计和开发自动控制系统提供很有实用价值的工具。

图1是本实用新型的结构框图。图2是核心电路板示意图。[0020]图3是展示面板示意图。图4是计算机综合分析设计软件框图。图5是数据传送模块结构示意图。图6是温控炉恒温控制模块的电路原理图。图7是电机调速控制模块的电路原理图。
具体实施方式
现结合具体实施例和附图对本实用新型作详细说明。请参阅图1本实用新型的结构示意图,图示开放式自动控制综合设计实验系统包括模拟实验装置、数据传送模块、温控炉恒温控制模块、电机调速控制模块和计算机。所述模拟实验装置为开放式箱式结构,其共有三层最外层为箱体,其箱壁上设置有电源开关、电源转换接口、数据传送接口等;该模拟实验装置的内层为核心电路板,上面排列有若干典型的环节电路模块,参见图2,该若干环节电路模块包括有比例环节、积分环节、比例积分环节、惯性环节、微分环节、比例微分环节、比例积分微分环节、二阶振荡环节和比较环节,该若干环节电路模块采用集成电路芯片,其PCB板和焊接的元件设置于所述核心电路板的反面,该元件包含数字变阻箱和数字变容箱,所述核心电路板的正面印有电路原理图,各环节电路模块均设有输入端和输出端,从而能够通过连接该输入端和输出端相互自由组合,以构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统,实现控制系统的模拟建模及信号获取,为自动控制系统的性能分析和校正控制器的开发提供了实验研究基础;所述模拟实验装置的最前面一层为展示面板,见图3,其采用透明有机玻璃制成,上面镂刻有所述核心电路板上各典型的环节电路模块的图形及其传递函数文字,该图形和文字的位置与各环节电路模块相对应,实验者透过透明的展示面板能够看见所述核心电路板上的电路图,从而了解不同的模拟环节的电路设计,所述展示面板上设置有与各环节电路模块的数字变阻箱和数字变容箱连接的“ + ”、“_”按钮和数码显示器,按动该数码显示器旁边的“ + ”、 “_”按钮便可调节电阻、电容的值,从而改变各环节电路模块的特征参数,而且可以直观地从数码显示器上读出当时的电阻值、电容值。所述各环节模块电路的工作电源为+5V,由独立的稳压电源提供,并已经连接好公共地端。各环节模块电路的结构分别表述如下1、比例环节电路模块其传递函数为=^^ = KK = ^-Ri = IOkQ
IN(s)R1请参阅图2,所述比例环节电路模块由芯片LM3M和电阻元件构成,该LM3M是集成运放芯片,包含四个运算放大器,构造成两组完全相同的比例环节,该两组比例环节之间完全独立,每组的输入端IN(S)和输出端OUT(S)可以分别单独使用,其中R2是可变电阻, 取值范围为1ΚΩ 999ΚΩ,改变其值能够改变比例环节的特征参数比例系数K,因此比例环节的比例系数K的取值范围为0. 1 99. 9。R2采用数字变阻箱结构,按动所述展示面板上数码显示器旁边的“ + ”、“-”按钮便可调节电阻R2的值。当进行单独测试比例环节的实验时,可以将所述比例环节电路模块的输入端IN(S)连接所述数据传送模块的D/A端口以接受模拟输入信号,其输出端OUT (s)连接数据传递模块的A/D端口以输出信号传递给计算机并显示输出波形。2、积分环节电路模块其传递函数为
权利要求1.一种开放式自动控制综合设计实验系统,其特征在于所述综合设计实验系统包括有模拟实验装置、数据传送模块和计算机;所述模拟实验装置为开放式箱式结构,其最外层为箱体,内层为核心电路板,该核心电路板的正面印有电路原理图,上面排列有若干典型的环节电路模块,其反面设置有PCB板、数字变阻箱和数字变容箱,该若干环节电路模块采用集成电路芯片且均设有输入端和输出端,各环节电路模块能够通过连接该输入端和输出端相互自由组合以构造出各种控制系统,该模拟实验装置的最前层为展示面板,其采用透明有机玻璃制成,上面镂刻有所述各环节电路模块的图形及其传递函数文字且位置与各环节电路模块相对应,所述展示面板上设置有与所述数字变阻箱和数字变容箱连接的“ + ”、“_” 按钮和数码显示器;所述计算机储存有综合分析设计软件;所述数据传送模块分别与所述模拟实验装置和计算机连接,其由数据采集卡和输入输出数据接口板组成,该数据采集卡安装在计算机的PCI插槽中,其包含A/D转换器、D/A转换器、通用数据通信模块、数据缓存扩展模块、接口控制逻辑电路及电源电路,该输入输出数据接口板与数据采集卡连接。
2.根据权利要求1所述的开放式自动控制综合设计实验系统,其特征在于所述若干环节电路模块包括有比例环节电路模块、积分环节电路模块、比例积分环节电路模块、惯性环节电路模块、微分环节电路模块、比例微分环节电路模块、比例积分微分环节电路模块、 二阶振荡环节电路模块和比较环节电路模块。
3.根据权利要求2所述的开放式自动控制综合设计实验系统,其特征在于所述环节电路模块的集成电路芯片为LM324。
4.根据权利要求2所述的开放式自动控制综合设计实验系统,其特征在于所述数据采集卡采用PCI8320,所述A/D转换器为ADC0809,所述D/A转换器为DAC0832。
5.根据权利要求1或2所述的开放式自动控制综合设计实验系统,其特征在于所述综合设计实验系统还包括有温控炉恒温控制模块,该温控炉恒温控制模块由两部分组成, 第一部分包括被控对象电热炉的电炉丝、温度传感器热敏电阻及信号放大电路,第二部分包括可控硅及其移相触发脉冲电路。
6.根据权利要求1或2所述的开放式自动控制综合设计实验系统,其特征在于所述综合设计实验系统还包括有电机调速控制模块,该电机调速控制模块由两部分组成,第一部分包括被控直流电机、转速检测装置及直流电源,第二部分包括传感器信号整形、控制电压功率放大电路。
专利摘要一种开放式自动控制综合设计实验系统,包括有模拟实验装置、数据传送模块和计算机;所述模拟实验装置为开放式箱式结构,其最外层为箱体,内层为核心电路板,该核心电路板上排列有若干典型的环节电路模块,该环节电路模块采用集成电路芯片且均设有输入端和输出端,其能够相互自由组合以构造出各种控制系统,该模拟实验装置的最前层为透明的展示面板;所述计算机储存有综合分析设计软件;所述数据传送模块分别与所述模拟实验装置和计算机连接,其由数据采集卡和输入输出数据接口板组成。本实用新型具有结构简单通用、可靠性高、实验适用范围广、数据处理能力强和效率高的优点,能够为学生完成实验课程、自主创新实验设计和开发自动控制系统提供实用的工具。
文档编号G09B19/00GK201984672SQ201120060678
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月9日 优先权日2011年3月9日
发明者熊晓君 申请人:上海理工大学

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