專利名稱：自動控制理論的教學實驗儀器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明公開的自動控制理論的教學實驗儀器屬教學實驗儀器技術領域，具 體涉及的是一種無線控制的自動控制理論的多功能教學實驗儀器。該教學實驗 儀器是完成自動控制理論的主要實驗儀器，可廣泛應用于各類院校(主要是高 等院校)的自動化專業(yè)、測試技術專業(yè)的《自動控制理論》或者《傳感器技術》 等課程的教學實驗。二. 背景技術現(xiàn)有的自動控制理論的實驗箱的主要缺點是1.實驗箱側重于對自動控制 理論基本概念的認識，對實際自動控制系統(tǒng)的參數調整、控制效果沒有體現(xiàn)。 2.實驗箱只能通過有線方式接收計算機軟件產生的模擬信號才能完成實驗，而 實驗箱本身沒有信號源，不能脫離計算機單獨完成實驗，這對計算機與實驗箱 之間的傳輸接口的穩(wěn)定性要求很高，連線不方便， 一旦傳輸接口出現(xiàn)故障，實 驗就無法完成。3.現(xiàn)在的實驗箱應用于實驗教學的主要問題就在于因為傳輸 接口的損壞而導致整個實驗儀器不能工作，可維護性很差。4.實驗箱與計算機之間的傳輸采用RS232串口傳輸，數據傳輸速率低，連接不便，己經不能滿足 現(xiàn)在自動控制理論實驗中的數據采集、傳輸的要求。5.實驗箱在實驗中不利于 師生互動。6.現(xiàn)有實驗箱的實驗對自動控制理論的認識不夠直觀。因此，如何 保證實驗箱能夠順利完成自動控制理論的教學實驗并從實驗中驗證所學的自 動控制理論知識己經成為一項亟待解決的課題。本發(fā)明提供一種新型的自動控 制理論的教學實驗儀器，它克服了現(xiàn)有實驗箱存在的上述種種缺點，是自動控 制理論教學實驗儀器的換代產品，值得在教育系統(tǒng)采用和推廣。三. 發(fā)明內容本發(fā)明的目的是向社會提供這種自動控制理論的教學實驗儀器，它改進了現(xiàn)有實驗儀器存在的種種缺點，是一種新型的自動控制理論的教學實驗儀器， 是自動控制理論教學實驗儀器的換代產品。本發(fā)明的自動控制理論的教學實驗儀器技術方案如下一種自動控制理論的教學實驗儀器，包括實驗儀器箱體及其內的自動控制理論的教學實驗設置，設置包括有硬件部分，如電子部分的電子電路、集成 電路模塊、微機、傳感器、電子元器件、電子組件與部件等，如機械部分的零 件、組件、部件、器具等等。技術特點在于所述的該自動控制理論的教學實 驗儀器采用無線方式通過外部計算機實現(xiàn)一機對多儀、或多機對一儀控制進行 并完成自動控制理論的種種教學實驗。這是計算機通過無線控制的教學實驗儀 器模式。本發(fā)明的特點之一是該實驗儀器通過外部計算機設置仿真實驗控制 軟件及接收地址，可完成一機對多儀和多機對一儀的無線控制實驗功能，該功 能可以方便教學演示作用，增加了師生互動能力。一種自動控制理論的教學實驗儀器，包括實驗儀器箱體及其內的自動控制 理論的教學實驗設置，設置包括有硬件部分，如電子部分的電子電路、集成 電路模塊、微機、傳感器、電子元器件、電子組件與部件等，如機械部分的零 件、組件、部件、器具等等。技術特點在于所述的該自動控制理論的教學實 驗儀器采用仿真實驗控制軟件能獨立于硬件教學實驗儀器進行并完成自動控 制理論的種種仿真教學實驗。這是采用仿真實驗控制軟件獨立于硬件實現(xiàn)仿真 教學實驗的模式。所述的仿真實驗控制軟件主要有兩部分功能的內容和程序 其一，它相當于實驗儀器的上位機完成激勵信號產生、無線參數設定、實驗數 據的接收、數據顯示等。其二，作為自動控制理論的教學實驗的仿真軟件，該 軟件脫離實驗儀器獨立進行實驗完成并得到仿真的實驗結果，同時軟件通過在 實驗數據上疊加隨機噪聲，模擬實際實驗的結果。該軟件(或固化軟件或軟件 包)與其它自動控制理論實驗儀器的最大區(qū)別是軟件能獨立的完成自動控制理 論教學實驗的仿真功能，增加了實驗的靈活性，能讓實驗人員對比理論實驗數 據與實際實驗數據的不同，掌握工程實際與理論的差別等等。一種自動控制理論的教學實驗儀器，包括實驗儀器箱體及其內的自動控制 理論的教學實驗設置，設置包括有硬件部分，如電子部分的電子電路、集成 電路模塊、微機、傳感器、電子元器件、電子組件與部件等，如機械部分的零 件、組件、部件、器具等等。技術特點在于所述的該自動控制理論的教學實 驗儀器無需仿真實驗控制軟件，該教學實驗儀器能獨自進行并完成自動控制理 論的種種教學實驗。這是硬件獨自完成教學實驗的儀器模式。一種自動控制理論的教學實驗儀器，包括實驗儀器箱體及其內的自動控制 理論的教學實驗設置,設置包括有硬件部分，如電子部分的電子電路、集成 電路模塊、微機、傳感器、電子元器件、電子組件與部件等，如機械部分的零件、組件、部件、器具等等。技術特點在于所述的該自動控制理論的教學實 驗儀器及其仿真實驗控制軟件能進行并完成自動控制理論的種種教學實驗。這 是軟硬件結合的教學實驗儀器模式。所述的仿真實驗控制軟件全同于上述的， 不再重述。根據以上所述的自動控制理論的教學實驗儀器，技術特點還有所述的仿 真實驗控制軟件由外部計算機生成并利用無線通信方式通過無線通信模塊寫 入該自動控制理論的教學實驗儀器中。所述的仿真實驗控制軟件通過無線通信 模塊寫入該自動控制理論的教學實驗儀器中是采用無線通信方式通過外部計算機和儀器之間如USB接口、無線收發(fā)通信電路(如nRF24L01模塊)完成或 實現(xiàn)的。例如該實驗儀器設置實驗平臺作為仿真實驗控制軟件的接收地址，無 線通信傳輸數據包的第一個字節(jié)作為標志位，用以區(qū)分命令和地址等。根據以上所述的自動控制理論的教學實驗儀器，技術特點還有所述的該 自動控制理論的教學實驗儀器的無線通信模塊通過無線通信方式與外部計算機 交互信息，特別包括控制該教學實驗儀器完成種種教學實驗。所述的無線通信部 分主要包括該實驗儀器與外部計算機的通信USB接口、無線收發(fā)通信電路、交互 數據處理的機構(如微機)組成。無線通信距離能到達30-50米，并且無線通信 協(xié)議上具有嚴格的數據校驗機制，保證數據的可靠通信。根據以上所述的自動控制理論的教學實驗儀器，技術特點還有所述的該 自動控制理論的教學實驗儀器設置的溫度控制認知模塊采用指示燈與小風扇指示控制狀態(tài)指示燈以閃爍頻率指示加熱強度，風扇以轉速大小指示制冷強度。根據以上所述的自動控制理論的教學實驗儀器，技術特點還有所述的溫 度控制認知模塊由溫度設定、溫度測試、溫度顯示、控制與執(zhí)行部分組成，該 模塊通過溫度設定旋鈕設定需要的溫度值，溫度傳感器測定當前環(huán)境溫度，設 定溫度與實測溫度比較，其偏差作為控制的信號經控制部分對不同的執(zhí)行器進 行控制，執(zhí)行器包括加熱器及其加熱指示器、制冷器及其制冷指示器。所述的 加熱器是電熱絲，所述的制冷器是小風扇。根據以上所述的自動控制理論的教學實驗儀器，技術特點還有所述的該自 動控制理論的教學實驗儀器上設置或安裝有加速度傳感器、應變傳感器作為信 號源，并集成了傳感器信號采集、處理電路，使實驗儀器可以單獨完成自動控制理論的教學實驗。其中沖擊力錘為加速度傳感器用以測定加速度信號；應變傳感器用以測量壓力信號；在應變傳感器懸臂梁的懸空端安裝刻度尺用以測 量應變處的位移。所述的加速度傳感器是壓阻式傳感器，它輸出信號為電荷信 號，經過電荷放大電路將電荷放大并轉換成電壓信號，再經過二階壓控低通濾 波電路輸出能夠用于實驗的電壓信號。壓電加速度傳感器安裝在小錘頭上，學 生實驗時用小錘敲擊物體，加速度傳感器的輸出通過不同的實驗機構(如比 例、微分、積分、比例微分、比例積分、比例積分微分等)得到不同控制信號， 讓學生直觀的認識傳感器和控制環(huán)節(jié)的控制效果。所述的應變傳感器的應變片 粘貼在一端固定的懸臂梁上，在懸臂梁懸空端側面裝有刻度表。用力壓懸臂梁， 產生的應變信號通過惠斯通電橋變換后，經過不同的實驗機構(如比例、微分、 積分、比例微分、比例積分、比例積分微分等)得到不同的控制效果輸出。這 里的特點是在懸臂梁懸空端部采用刻度標尺作為測量懸臂梁的彎曲程度，通過 簡單的近視計算可以得到應變片粘貼處的應變大小，將理論值與實驗值進行對 比，加強學生的感性認識。本發(fā)明的自動控制理論的教學實驗儀器優(yōu)點有1.該實驗儀器通過無線通 信模塊從外部計算機寫入仿真實驗控制軟件，使得軟件和硬件配合完成各種自 動控制理論的教學實驗，省去有線連接的不便；2.該自動控制理論的教學實驗 儀器的軟件、或硬件可以各自單獨完成自動控制理論的教學實驗，提高實驗方 法的靈活性；3.該自動控制理論的教學實驗儀器增加設置了傳感器信號源，不 僅可以使學生更加形象地認識到自動控制理論的基本知識，而且提高了學生的 動手能力、增強了實驗的直觀性，彌補了現(xiàn)有實驗儀器的不足；4.該自動控制 理論的教學實驗儀器采用無線方式通過外部計算機實現(xiàn)一機對多儀和多機對 一儀的功能，教師不僅可以讓學生同步獲取演示實驗數據，還可以獲取并顯示 任一學生的實驗結果。本發(fā)明的這種自動控制理論的教學實驗儀器是自動控制 理論教學實驗儀器的換代產品，值得采用和推廣。 四.


本發(fā)明的自動控制理論的教學實驗儀器說明書附圖共有8幅 圖1是自動控制理論的教學實驗儀器方框結構圖； 圖2是自動控制理論的教學實驗儀器的加速度傳感器原理圖；圖3是自動控制理論的教學實驗儀器應變傳感器機械圖；圖4是自動控制理論的教學實驗儀器和外部計算機的無線通信方框圖；圖5是自動控制理論的教學實驗儀器無線通信下一機對多儀和多機對一儀拓撲示意圖；圖6是自動控制理論的教學實驗儀器的溫度認知模塊結構框圖；圖7是自動控制理論的教學實驗儀器的仿真實驗控制軟件主程序邏輯框圖；圖8是自動控制理論的教學實驗儀器的單片機軟件主程序流程圖。在各圖中采用了統(tǒng)一標號，即同一物件在各圖中用同一標號。在各圖中 l.教學實驗儀器；2.外部計算機；3.示波器；4.電源；5.加速度傳感器；6.電 荷放大電路；7.低通濾波電路；8.輸出；9.機架；IO.懸臂梁；ll.應變片R,; 12.應變片R2; 13.刻度尺；14.無線收發(fā)天線；15.無線收發(fā)通信電路；16.微 機MSP430; 17.教師；18.學生1; 19.學生2; 20.學生 ; 21.溫度設定；22.減法器；23.零值比較;24.控制機構;25.模擬開關;26.壓頻轉換;27丄ED燈; 28.電流轉換；29.電扇；30.溫度傳感器(如LM35D); 31.溫度顯示；32.開始； 33.初始化；34.仿真？ 35.參數設定；36.確定；37.生成指令；38.發(fā)送；39. 發(fā)完 40.設無線芯片為接受態(tài)；41.收到數？42.存儲；43.顯示；44.退出？ 45. 結束；46.仿真界面；47.幵始；48.初始化；49.收到數？50.讀取數據；51.指 令？ 52.執(zhí)行操作；53.幵始 54.設無線芯片為發(fā)送態(tài)；55.D/A變換；56. A/D 變換；57.完成 58.設無線芯片為接受態(tài)；59.存儲；F.作用力；L.懸臂梁長度； X.受力臂長度。五.具體實施方案本發(fā)明的自動控制理論的教學實驗儀器非限定實施例如下實施例一.自動控制理論的教學實驗儀器 該例的自動控制理論的教學實驗儀器包括實驗儀器箱體及其內的自動控制理論的教學實驗設置，設置包括有硬件部分，如電子部分的電子電路、集成電路模塊、微機、傳感器、電子元器件、電子組件與部件等，如機械部分的零件、組件、部件、器具等等。本發(fā)明在原來實驗儀器的基礎上做了四個創(chuàng)新增加了傳感器信號源、無線通信接口(如USB接口)和無線通信模塊、溫度控制認知模塊、仿真實驗控制軟件。該例的自動控制理論的教學實驗儀器的具體結構由圖1 圖8聯(lián)合示出，該例的自動控制理論的教學實驗儀器采用無線方式通過外部計算機實現(xiàn)一機對多儀、或多機對一儀控制進行并完成自動控制理論的種種教學實驗，圖1示出自動控制理論的教學實驗儀器方框結構圖，圖4是自 動控制理論的教學實驗儀器和外部計算機的無線通信方框圖，圖5示出自動控 制理論的教學實驗儀器無線通信下一機對多儀和多機對一儀拓撲示意圖，圖5中左圖中拓撲示意多機對一儀，右圖拓撲示意一機對多儀。這是本發(fā)明的特點
之一，也是計算機通過無線控制的教學實驗儀器模式。如圖1和圖4所示，該實 驗儀器1通過外部計算機2設置仿真實驗控制軟件及接收地址，采用無線通信 能完成一機對多儀和多機對一儀的無線控制實驗功能，該功能可以方便教學演 示作用，增加了師生互動能力。實驗儀器的一機對多儀和多機對一儀器的功能， 如圖5拓撲所示意(教師17和學生18-20可分別代表計算機2或實驗儀器1)。 每一個儀器l上的無線通信模塊物理地址固定，載波頻率固定，計算機2上的 無線接收地址可以固定或可以通過控制軟件改變。實現(xiàn)方法是教師演示實驗 一機對多儀時，學生18—20等使用的儀器1通過計算機2設定與教師17 —致 的物理地址，并且處于接收狀態(tài)，這樣教師17發(fā)送和接收的信息能被多臺實 驗儀器1接收。這樣就可以通過一臺計算機2上的操作在多臺儀器1顯示實驗 結果，完成演示實驗。同樣，在學生18—20實驗時，教師17可以將自己的計 算機2無線接收地址修改成某一學生實驗儀器1同樣的地址，就可以遠程獲取 學生(18—20任之一)實驗數據，實現(xiàn)多對一的功能。該方案可以方便教學演 示使用，增加了師生互動能力。該例的仿真實驗控制軟件由外部計算機2生成 (如采用VB語言編寫)并利用無線通信方式通過無線通信模塊寫入該自動控制 理論的教學實驗儀器1中。圖7示出自動控制理論的教學實驗儀器的仿真實驗 控制軟件主程序邏輯框圖，該軟件功能全又功能強，不僅能夠為硬件電路提供 階躍信號、正弦波等理想信號源，軟件界面更加形象，參數調整窗口方便調節(jié)， 波形顯示窗口可以調整坐標，放大、縮小波形，保存結果，更加便于學生觀察 對比實驗結果。仿真實驗控制軟件通過無線通信模塊寫入該自動控制理論的教 學實驗儀器1中是采用無線通信方式通過外部計算機2和儀器1之間的無線通 信接口(如USB接口)、無線收發(fā)通信電路15 (如nRF24L01模塊)以及無線天 線14完成或實現(xiàn)的。軟件和硬件之間采用USB無線并行通信接口，每次實驗 不用再挪動計算機連接數據線，方便省事，提高了數據傳輸速率及可靠性。無 線通信模塊的工作原理如圖4所示，圖4示出自動控制理論的教學實驗儀器和 外部計算機的無線通信方框圖，該儀器1的無線通信部分主要包括該實驗儀器 1與外部計算機2的通信USB接口、無線收發(fā)通信電路15 (如nRF24L01模 塊)、交互數據處理的機構(如微機MSP430芯片)16等組成。圖8示出自動控 制理論的教學實驗儀器的單片機(如微機MSP430)軟件主程序流程圖，MSP430 自身還 成了A/D、 D/A轉換電路及功能，軟件產生的數據信號通過USB接口、無線發(fā)送模塊將數據傳送給MSP430，并進入數/模轉換模式，將數字信號轉換 成模擬信號供給硬件電路進行實驗。硬件電路產生的實驗結果為模擬量，傳送 給MSP430芯片16，進入模/數轉換模式，將模擬信號轉換成數字信號后通過實 驗儀器1上的無線通信接口傳遞給計算機2，利用軟件上的波形顯示窗口觀察 波形和實驗結果，學生只需要調整實驗參數就能觀察到不同參數所對應的實驗 結果。該實驗儀器1設置實驗平臺作為仿真實驗控制軟件的接收地址，無線通 信傳輸數據包的第一個字節(jié)作為標志位，用以區(qū)分命令和地址等。無線收發(fā)模 塊要實現(xiàn)數據的雙向傳輸，這里采用的策略是上下位機的無線芯片都初始化為 接收狀態(tài)，僅當要發(fā)送數據時才配置成發(fā)送模式，發(fā)送完畢后立刻配置成接收 模式。該模塊上位機(計算機2)需要給下位機(實驗儀器l)傳遞控制命令、 激勵數據。實驗儀器1需要向計算機2傳遞實驗儀器1的狀態(tài)和實驗數據。為 了區(qū)分數據、命令、狀態(tài)等不同的信息，每一次發(fā)送數據的容量固定為32字 節(jié)，每個數據包的第一個字節(jié)采用編碼區(qū)分信息內容，后面的內容為相應的信 息。無線通信接口 AT90USB162芯片通過USB2.0協(xié)議同微機MSP430或PC機 進行高速通信，保證了高速通信質量。該例的自動控制理論的教學實驗儀器l 的無線通信模塊通過無線通信方式與外部計算機2交互信息,特別包括控制該 教學實驗儀器i完成種種教學實驗。實驗儀器和配套軟件之間采用USB無線 通信接口通信，數據的采樣頻率可達到10kHz,數據傳輸速率可達到50KB,無 線通信距離能達到30-50米，并且無線通信協(xié)議上具有嚴格的數據校驗機制， 保證數據的可靠通信,實驗結果波形顯示精度高，實時性好。該例的自動控制理 論的教學實驗儀器設置有溫度控制認知模塊,該溫度控制認知模塊由溫度設定、 溫度測試、溫度顯示、控制與執(zhí)行部分組成，圖6示出自動控制理論的教學實 驗儀器的溫度認知模塊結構框圖，溫度控制認知模塊是一閉環(huán)控制機構，能夠 自動的完成恒定溫度控制。該模塊通過液晶顯示模塊31顯示實驗工作情況，溫 度設定旋鈕21設定需要的溫度值，溫度傳感器30 (如LM35D)測定當前環(huán)境溫 度，實測溫度與設定溫度比較，其偏差作為控制的信號經控制部分對不同的執(zhí) 行器進行控制，執(zhí)行器包括加熱器及其加熱指示器、制冷器及其制冷指示器。 加熱器是電熱絲，制冷器是小風扇，采用指示燈27(LED燈)與小風扇29指示控 制狀態(tài)指示燈27以閃爍頻率指示加熱強度，風扇29以轉速大小指示制冷強 度。該模塊為形象的表現(xiàn)出執(zhí)行器的工作，采用紅色指示等表示加熱狀態(tài)，并 通過指示燈27的閃爍頻率表示加熱強度，指示燈閃爍越快，加熱功率越大，閃爍越慢，加熱功率越小。采用風扇29表示制冷狀態(tài)，通過風扇的轉速表示
制冷的控制強度，風扇的轉速越快，制冷功率越大，風扇的轉速越慢，制冷功 率越小。在該例的實驗儀器上集成了傳感器模塊、信號處理模塊及函數發(fā)生器 模塊，既可以用傳感器采集信號的實際信號進行實驗，也可以選擇函數發(fā)生器 產生的理想信號進行實驗，保證了實驗的可靠性。在自動控制理論的教學實驗
儀器上設置或安裝有加速度傳感器5、應變傳感器(應變片R,、 R》作為信號 源,并集成了傳感器信號采集、處理電路，傳感器用以采集外界信號，傳感器輸 出信號經過信號處理電路為實驗電路提供實驗信號。圖2是自動控制理論的教 學實驗儀器的加速度傳感器原理圖，加速度傳感器5是壓阻式傳感器，它輸出信 號為電荷信號，經過電荷放大電路6將電荷放大并轉換成電壓信號，再經過二 階壓控低通濾波電路7輸出能夠用于實驗的電壓信號8。壓電加速度傳感器5 安裝在小錘頭上，學生實驗時用小錘敲擊物體，沖擊力錘為加速度傳感器5用 以測定加速度信號，加速度傳感器5的輸出通過不同的實驗機構(如比例、微 分、積分、比例微分、比例積分、比例積分微分等)得到不同控制信號，讓學 生直觀的認識傳感器和控制機構的控制效果。圖3是自動控制理論的教學實驗 儀器應變傳感器機械圖，應變傳感器用以測量壓力信號，應變傳感器懸臂梁10 一端安裝在機架9上，應變傳感器的應變片11 (R,)、應變片12 (R2)分別粘 貼在一端固定的懸臂梁.10之上下，在懸臂梁10懸空端側面裝有刻度表13用 以測量應變處的位移。用力F壓懸臂梁10，產生的應變信號通過惠斯通電橋 變換后，經過不同的實驗機構(如比例、微分、積分、比例微分、比例積分、 比例積分微分等)得到不同的控制效果輸出。這里的特點是在懸臂梁IO懸空端 部采用刻度標尺13作為測量懸臂梁10的彎曲程度，通過簡單的近視計算可以 得到應變片11、 12粘貼處的應變大小，將理論值與實驗值可以對比，加強學 生的感性認識。這些實驗結果可以通過無線發(fā)送模塊傳輸給計算機2進行顯示， 也可以利用示波器3進行數據顯示。在實驗儀器1上安裝了電壓、電流顯示模 塊，通過觀察各部分電路的輸出電壓、電流是否正?？梢詸z測電路各部分是否 工作正常，避免在實驗電路中接入已經損壞的電路單元，提高實驗的正確率。 該例實驗儀器的工作流程如下:通過計算機2或軟件選定實驗需要的激勵信號， 實驗控制軟件產生激勵信號的數字數據，數據通過AT90USB162芯片USB接 口傳送給nRF24L01無線芯片，再將數據傳送給實驗儀器1 。實驗儀器1上的 無線芯片nRF24L01接收發(fā)送來的數據，單片機MSP430將nRF24L01接收到的數據存儲在片內RAM中。實驗啟動時，將數字信號通過片內的D/A轉換成
模擬信號供給硬件電路進行實驗。硬件電路產生的實驗結果為模擬量，通過 MSP430內部的A/D轉換成數字信號，通過接口芯片nRF24L01傳給外部計算 機2的無線USB接口芯片，再上傳給計算機2，利用軟件輸出實驗結果。 實施例二.自動控制理論的教學實驗儀器
該例的自動控制理論的教學實驗儀器，包括實驗儀器箱體及其內的自動控 制理論的教學實驗設置，設置包括有硬件部分，如電子部分的電子電路、集 成電路模塊、微機、傳感器、電子元器件、電子組件與部件等，如機械部分的 零件、組件、部件、器具等等。該例的自動控制理論的教學實驗儀器的具體結 構由圖1 圖8聯(lián)合示出，該例的自動控制理論的教學實驗儀器與實施例一的 自動控制理論的教學實驗儀器不同點有該例的自動控制理論的教學實驗儀器 采用仿真實驗控制軟件能獨立于硬件教學實驗儀器進行并完成自動控制理論 的種種仿真教學實驗。這是采用仿真實驗控制軟件獨立于硬件實現(xiàn)仿真教學實
驗的模式。所述的仿真實驗控制軟件主要有兩部分功能的內容和程序其一，
它相當于實驗儀器的上位機完成激勵信號產生、無線參數設定、實驗數據的接 收、數據顯示等。軟件界面簡單直觀，增加了很多形象的控件讓學生更加方便
地調節(jié)參數進行實驗；波形顯示窗口可以調整顯示坐標，展開折疊波形使學生 更好地觀察分析數據。其二，作為自動控制理論的教學實驗的仿真軟件，該軟 件能脫離實驗儀器硬件獨立進行實驗完成并得到仿真的實驗結果，同時軟件通 過在實驗數據上疊加隨機噪聲，模擬實際實驗的結果。該軟件(或固化軟件或 軟件包)與其它自動控制理論實驗儀器的最大區(qū)別是軟件能獨立的完成自動控 制理論教學實驗的仿真功能，增加了實驗的靈活性，能讓實驗人員對比理論實 驗數據與實際實驗數據的不同，掌握工程實際與理論的差別等等。該例的仿真 實驗控制軟件由外部計聳機2生成(如采用VB語言編寫)并利用無線通信方式 通過無線通信模塊寫入該自動控制理論的教學實驗儀器1中。圖7示出自動控 制理論的教學實驗儀器的仿真實驗控制軟件主程序邏輯框圖，軟件能夠完成模 擬信號的產生以及波形顯示功能，不僅能夠為硬件電路提供模擬的階躍信號、 正弦波等理想信號源，輔助硬件電路完成實驗，還可以脫離硬件電路單獨完成 自動控制理論的全部實驗的模擬仿真，學生只需要調整實驗參數就能觀察到不 同參數所對應的實驗結果。軟件界面更加形象，參數調整窗口方便調節(jié)，其波 形顯示窗口可以調整坐標，放大、縮小波形，保存結果，更加便于學生觀察對
12比實驗結果。該軟件通過USB無線發(fā)送模塊將數據傳輸給實驗儀器上的無線接 收模塊，MSP430單片機將接收到的數字信號轉換成模擬信號提供給硬件電路進 行實驗，實驗結果送給MSP430單片機轉換，將模擬信號轉變成數字信號并通 過無線發(fā)送模塊將數據傳輸給計算機，利用軟件上的波形顯示窗口觀察波形。 該例的自動控制理論的教學實驗儀器其余未述的,全同于實施例一中所述的， 不再重述。
實施例三.自動控制理論的教學實驗儀器 該例的自動控制理論的教學實驗儀器，包括實驗儀器箱體及其內的自動控
制理論的教學實驗設置,設置包括有硬件部分，如電子部分的電子電路、集 成電路模塊、微機、傳感器、電子元器件、電子組件與部件等，如機械部分的 零件、組件、部件、器具等等。該例的自動控制理論的教學實驗儀器的具體結 構由圖1 圖8聯(lián)合示出，在原來實驗儀器的基礎上做了如下創(chuàng)新增加了傳 感器信號源、無線通信接口(如USB接口)和無線通信模塊、溫度控制認知模塊 等。硬件電路模塊化，精簡不必要的電路單元，增加了微型溫度控制實驗，使 實驗規(guī)劃更加合理，更好地配合《自動控制理論》課程的教學。改變了傳統(tǒng)實 驗儀器對自動控制基本環(huán)節(jié)的偏重，新的實驗儀器更加注重對實際自動控制系 統(tǒng)的參數調整、實驗控制效果的體現(xiàn)這兩個方面。該儀器1的無線通信部分主
要包括該實驗儀器1與外部計算機2的無線通信USB接口 、無線通信天線14、 無線收發(fā)通信電路15 (如nRF24L01模塊)、交互數據處理的機構(如微機 MSP430芯片)16等組成。MSP430自身還集成了 A/D、 D/A轉換電路及功能、 RAM內存儲器等。儀器還設置有溫度控制認知模塊，圖6示出該自動控制理 論的教學實驗儀器的溫度認知模塊結構框圖。該溫度控制認知模塊由溫度設 定、溫度測試、溫度顯示、控制與執(zhí)行部分組成，包括溫度傳感器30、液晶顯 示屏31、加熱器是電熱絲、加熱指示器LED燈27、制冷兼指示器小風扇29 等。儀器還集成有傳感器模塊、信號處理模塊及函數發(fā)生器模塊，其中沖擊力 錘為加速度傳感器、由懸臂梁與應變片構成的應變傳感器、測量應變處位移的 刻度表等，圖2示出自動控制理論的教學實驗儀器的加速度傳感器原理圖，圖 3示出自動控制理論的教學實驗儀器應變傳感器機械圖。儀器還有種種控制機 構，如比例、微分、積分、比例微分、比例積分、比例積分微分等。儀器還安 裝有電壓、電流顯示模塊等。該例的自動控制理論的教學實驗儀器與實施例一、 實施例二的自動控制理論的教學實驗儀器不同點有該例的自動控制理論的教學實驗儀器無需仿真實驗控制軟件，該教學實驗儀器能獨自進行并完成自動控 制理論的種種教學實驗。這是硬件獨自完成教學實驗的儀器模式。在實驗儀器 上集成了傳感器模塊、信號處理模塊及函數發(fā)生器模塊、微機(及其軟件)等， 既可以用傳感器采集的實際信號，經過信號處理電路為實驗電路提供實驗信號 進行實驗，也可以選擇函數發(fā)生器產生的理想信號進行實驗，使得實驗儀器在 脫離計算機或仿真控制軟件配合的情況下也能使實驗正常進行，保證了實驗的 可靠性。該例的自動控制理論的教學實驗儀器其余未述的，全同于實施例一、 實施例二中所述的，不再重述。
實施例四.自動控制理論的教學實驗儀器
該例的自動控制理論的教學實驗儀器，包括實驗儀器箱體及其內的自動控 制理論的教學實驗設置，設置包括有硬件部分，如電子部分的電子電路、集 成電路模塊、微機、傳感器、電子元器件、電子組件與部件等，如機械部分的 零件、組件、部件、器具等等。該例的自動控制理論的教學實驗儀器的具體結 構由圖1 圖8聯(lián)合示出，在原來實驗儀器的基礎上做了四個創(chuàng)新即增加了傳 感器信號源、無線通信接口(如USB接口)和無線通信模塊、溫度控制認知模塊、 仿真實驗控制軟件，該例的自動控制理論的教學實驗儀器，包括硬件部分、軟 件部分，前三個實施例都作了敘述，不再重述。該例的自動控制理論的教學實 驗儀器與實施例一 實施例三的自動控制理論的教學實驗儀器不同點有該例 的自動控制理論的教學實驗儀器及其仿真實驗控制軟件能進行并完成自動控 制理論的種種教學實驗。這是軟硬件結合的教學實驗儀器模式。軟件和硬件既 可以相互依賴、又可以相互配合，共同完成自動控制理論實驗；又可以各自獨 立完成仿真、實驗，增加了實驗的可靠性、方便性、靈活性，改變了過去單純 依靠軟件產生模擬信號進行實驗的缺陷，降低了實驗儀器對通信接口的依賴程 度，即使在通信接口損壞的情況下仍然能夠完成實驗，最大限度地保證學生能 夠順利完成實驗。該例的自動控制理論的教學實驗儀器其余未述的,全同于實 施例一 實施例三中所述的，不再重述。
權利要求
1.一種自動控制理論的教學實驗儀器，包括實驗儀器箱體及其內的自動控制理論的教學實驗設置，特征在于所述的該自動控制理論的教學實驗儀器采用無線方式通過外部計算機實現(xiàn)一機對多儀、或多機對一儀控制進行并完成自動控制理論的種種教學實驗。
2. —種自動控制理論的教學實驗儀器，包括實驗儀器箱體及其內的自動控制理論的教學實驗設置，特征在于:所述的該自動控制理論的教學實驗儀器采用仿真實驗控制軟件能獨立于硬件教學實驗儀器進行并完成自動控制理論的種種 仿真教學實驗。
3. —種自動控制理論的教學實驗儀器，包括實驗儀器箱體及其內的自動控制 理論的教學實驗設置，特征在于:所述的該自動控制理論的教學實驗儀器及其仿 真實驗控制軟件能進行并完成自動控制理論的種種教學實驗。
4. 一種自動控制理論的教學實驗儀器，包括實驗儀器箱體及其內的自動控制 理論的教學實驗設置，特征在于:所述的該自動控制理論的教學實驗儀器無需仿 真實驗控制軟件，該教學實驗儀器能獨自進行并完成自動控制理論的種種教學 實驗。
5. 根據權利要求1、或2、或3、或4所述的自動控制理論的教學實驗儀器， 特征在于所述的仿真實驗控制軟件由外部計算機生成并利用無線通信方式通 過無線通信模塊寫入該自動控制理論的教學實驗儀器中。
6. 根據權利要求5所述的自動控制理論的教學實驗儀器，特征在于所述的 該自動控制理論的教學實驗儀器的無線通信模塊通過無線通信方式與外部計算 機交互信息,特別包括控制該教學實驗儀器完成種種教學實驗。
7. 根據權利要求1、或2、或3、或4所述的自動控制理論的教學實驗儀器， 特征在于所述的該自動控制理論的教學實驗儀器設置的溫度控制認知模塊采用指示燈與小風扇指示控制狀態(tài)指示燈以閃爍頻率指示加熱強度，風扇以轉速大小指示制冷強度。
8. 根據權利要求7所述的自動控制理論的教學實驗儀器，特征在于所述的溫度控制認知模塊由溫度設定、溫度測試、溫度顯示、控制與執(zhí)行部分組成，該 模塊通過測溫傳感器測定環(huán)境溫度獲得與設定溫度的偏差，偏差經控制部分對 不同的執(zhí)行器進行控制，執(zhí)行器包括加熱器及其加熱指示器、制冷器及其制冷:f日不益。
9.根據權利要求1、或2、或3、或4所述的自動控制理論的教學實驗儀器， 特征在于所述的該自動控制理論的教學實驗儀器上設置或安裝有加速度傳感 器、應變傳感器作為信號源，其中沖擊力錘為加速度傳感器用以測定加速度信 號；應變傳感器用以測量壓力信號；在應變傳感器懸臂梁的懸空端安裝刻度尺 用以測量應變處的位移。
全文摘要
自動控制理論的教學實驗儀器屬教學實驗儀器技術領域，該儀器增加了信號源模塊、無線通信模塊、溫度控制認知模塊和仿真實驗控制軟件等，儀器優(yōu)點有采用無線方式通過外部計算機實現(xiàn)一機對多儀、或多機對一儀控制完成自動控制理論的種種教學實驗，增加了師生互動能力和教學演示作用；采用仿真實驗控制軟件能獨立于儀器硬件完成自動控制理論的種種仿真教學實驗，能對比理論與實際實驗數據的不同，掌握工程實際與理論的差別；脫離計算機或仿真軟件的配合，儀器硬件也能獨自完成自動控制理論的種種教學實驗，保證了實驗的靈活性；儀器軟硬件結合完成自動控制理論的種種教學實驗，軟硬件相互依賴、配合，增加了實驗的可靠性、方便性；該自動控制理論的教學實驗儀器是換代產品，值得采用和推廣。
文檔編號G09B19/00GK101650884SQ200910075470
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月17日 優(yōu)先權日2009年9月17日
發(fā)明者丁永紅, 尤文斌, 瑜 張, 張紅艷, 李新娥, 杜紅棉, 楊青青, 沈大偉, 燕 王, 王華喬, 靜 祖, 范錦彪, 裴東興, 鴻 靳, 馬鐵華 申請人:中北大學