專利名稱：開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，具體涉及一種用于工科院校專業(yè)控制課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
技術(shù)背景實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)校教學(xué)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，尤其在工科院校的專業(yè)設(shè)計課程的教學(xué)中更為重要，而與之配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的優(yōu)劣對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果有很大的影響。在普通工科高等院校(含高職高專)的自動控制專業(yè)教學(xué)設(shè)備領(lǐng)域中，近年來，全國許多院校采用各教學(xué)儀器設(shè)備公司生產(chǎn)的“自動控制原理實(shí)驗(yàn)裝置”，這些實(shí)驗(yàn)裝置大部分采用運(yùn)放模擬電路的分立元件來構(gòu)造整套硬件裝置，而且只配備能夠輸出記錄曲線的簡單軟件，因此目前的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一般都具有以下局限性1、操作時接線較繁雜，實(shí)驗(yàn)者要花費(fèi)較多的時間和精力在連接電路方面，實(shí)驗(yàn)效率較低，時間不能專注于自動控制理論的實(shí)驗(yàn)研究本身。2、分立元件結(jié)構(gòu)的線路可靠性較差，接線中一個小小的失誤往往會造成實(shí)驗(yàn)的失敗。3、設(shè)備端口單一、不具備通用性，實(shí)驗(yàn)只能局限于裝置本身所提供的內(nèi)容，研究范圍較狹窄，不利于實(shí)驗(yàn)對象的拓展。4、設(shè)備附帶的軟件界面簡單、功能有限，數(shù)據(jù)測量有時間限制，不適合長時間運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)，歷史數(shù)據(jù)曲線不能完整保留。5、設(shè)備數(shù)據(jù)處理能力較差，研究人員不能根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖灾鞔_定和更改相關(guān)實(shí)驗(yàn)選項(xiàng)，不支持自主項(xiàng)目的設(shè)計和開發(fā)
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有自動控制原理實(shí)驗(yàn)裝置的不足，提供一種開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其采用組合的結(jié)構(gòu)和透明的外觀，同時結(jié)合計算機(jī)的應(yīng)用，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、適用范圍廣、效率高的優(yōu)點(diǎn)。為解決上述的技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案一種開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其包括有模擬實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)傳送模塊和計算機(jī)；所述模擬實(shí)驗(yàn)裝置為開放式箱式結(jié)構(gòu)，其最外層為箱體，內(nèi)層為核心電路板，該核心電路板的正面印有電路原理圖，上面排列有若干典型的環(huán)節(jié)電路模塊，其反面設(shè)置有 PCB板、數(shù)字變阻箱和數(shù)字變?nèi)菹?，該若干環(huán)節(jié)電路模塊采用集成電路芯片且均設(shè)有輸入端和輸出端，各環(huán)節(jié)電路模塊能夠通過連接該輸入端和輸出端相互自由組合以構(gòu)造出各種控制系統(tǒng)，該模擬實(shí)驗(yàn)裝置的最前層為展示面板，其采用透明有機(jī)玻璃制成，上面鏤刻有所述各環(huán)節(jié)電路模塊的圖形及其傳遞函數(shù)文字且位置與各環(huán)節(jié)電路模塊相對應(yīng)，所述展示面板上設(shè)置有與所述數(shù)字變阻箱和數(shù)字變?nèi)菹溥B接的“ + ”、“_”按鈕和數(shù)碼顯示器；所述計算機(jī)儲存有綜合分析設(shè)計軟件；所述數(shù)據(jù)傳送模塊分別與所述模擬實(shí)驗(yàn)裝置和計算機(jī)連接，其由數(shù)據(jù)采集卡和輸入輸出數(shù)據(jù)接口板組成，該數(shù)據(jù)采集卡安裝在計算機(jī)的PCI插槽中，其包含A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、通用數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)緩存擴(kuò)展模塊、接口控制邏輯電路及電源電路，該輸入輸出數(shù)據(jù)接口板與數(shù)據(jù)采集卡連接。本實(shí)用新型所述的開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其所述若干環(huán)節(jié)電路模塊包括有比例環(huán)節(jié)電路模塊、積分環(huán)節(jié)電路模塊、比例積分環(huán)節(jié)電路模塊、慣性環(huán)節(jié)電路模塊、微分環(huán)節(jié)電路模塊、比例微分環(huán)節(jié)電路模塊、比例積分微分環(huán)節(jié)電路模塊、二階振蕩環(huán)節(jié)電路模塊和比較環(huán)節(jié)電路模塊；該環(huán)節(jié)電路模塊的集成電路芯片為LM324 ；所述數(shù)據(jù)采集卡采用PCI8320，所述A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0809，所述D/A轉(zhuǎn)換器為DAC0832 ；所述綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包括有溫控爐恒溫控制模塊，該溫控爐恒溫控制模塊由兩部分組成，第一部分包括被控對象電熱爐的電爐絲、溫度傳感器熱敏電阻及信號放大電路，第二部分包括可控硅及其移相觸發(fā)脈沖電路；所述綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包括有電機(jī)調(diào)速控制模塊，該電機(jī)調(diào)速控制模塊由兩部分組成，第一部分包括被控直流電機(jī)、轉(zhuǎn)速檢測裝置及直流電源，第二部分包括傳感器信號整形、控制電壓功率放大電路。本實(shí)用新型所述開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有益效果是1、實(shí)驗(yàn)對象適用范圍廣——本實(shí)用新型的核心電路板設(shè)置有多個典型的環(huán)節(jié)電路模塊，能夠根據(jù)使用者的需要自由組合成各種控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對象，此外通用的輸入端和輸出端、數(shù)值可調(diào)的數(shù)字變阻箱和數(shù)字變?nèi)菹涠紴閷?shí)現(xiàn)這種自由組合創(chuàng)造了結(jié)構(gòu)上的有利條件，因此所述開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)適用范圍廣和支持自主設(shè)計開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。2、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)——本實(shí)用新型采用計算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、分析以及實(shí)時控制，結(jié)合使用LabVIEW和MATLAB兩種軟件，既充分發(fā)揮LabVIEW較強(qiáng)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集、測試、分析、處理及保存的功能，又借助MATLAB超強(qiáng)的系統(tǒng)分析及仿真設(shè)計功能，使得研究者能更好地實(shí)現(xiàn)仿真算法與實(shí)際控制的統(tǒng)一，提升實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的效率，同時充分發(fā)揮了計算機(jī)界面直觀、歷史測量數(shù)據(jù)保留完整和適合長時間運(yùn)行的特點(diǎn)，因而所述開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、效率高的優(yōu)點(diǎn)。3、系統(tǒng)工作可靠——本實(shí)用新型采用了模塊組合式結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，因此極大限度避免了人為接線的失誤，大大提高了所述開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性?？傊?，本實(shí)用新型所述開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單通用、可靠性高、實(shí)驗(yàn)適用范圍廣、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)和工作效率高的優(yōu)點(diǎn)。所述開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不但為高等院校有關(guān)專業(yè)的學(xué)生完成《自動控制原理系列實(shí)驗(yàn)》、《計算機(jī)控制技術(shù)系列實(shí)驗(yàn)》、((LabVIEff實(shí)驗(yàn)》、《控制系統(tǒng)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)》、《自動控制系系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)》、 《系統(tǒng)建模與系統(tǒng)辨識實(shí)驗(yàn)》、《自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計》、《畢業(yè)設(shè)計》等課程，研究控制系統(tǒng)的辨識以及各種高級算法提供了一個良好的實(shí)驗(yàn)平臺和環(huán)境，而且能夠?yàn)橛嘘P(guān)技術(shù)人員自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計和開發(fā)自動控制系統(tǒng)提供很有實(shí)用價值的工具。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是核心電路板示意圖。[0020]圖3是展示面板示意圖。圖4是計算機(jī)綜合分析設(shè)計軟件框圖。圖5是數(shù)據(jù)傳送模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是溫控爐恒溫控制模塊的電路原理圖。圖7是電機(jī)調(diào)速控制模塊的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型作詳細(xì)說明。請參閱圖1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，圖示開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括模擬實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)傳送模塊、溫控爐恒溫控制模塊、電機(jī)調(diào)速控制模塊和計算機(jī)。所述模擬實(shí)驗(yàn)裝置為開放式箱式結(jié)構(gòu)，其共有三層最外層為箱體，其箱壁上設(shè)置有電源開關(guān)、電源轉(zhuǎn)換接口、數(shù)據(jù)傳送接口等；該模擬實(shí)驗(yàn)裝置的內(nèi)層為核心電路板，上面排列有若干典型的環(huán)節(jié)電路模塊，參見圖2，該若干環(huán)節(jié)電路模塊包括有比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)、比例積分微分環(huán)節(jié)、二階振蕩環(huán)節(jié)和比較環(huán)節(jié)，該若干環(huán)節(jié)電路模塊采用集成電路芯片，其PCB板和焊接的元件設(shè)置于所述核心電路板的反面，該元件包含數(shù)字變阻箱和數(shù)字變?nèi)菹?，所述核心電路板的正面印有電路原理圖，各環(huán)節(jié)電路模塊均設(shè)有輸入端和輸出端，從而能夠通過連接該輸入端和輸出端相互自由組合，以構(gòu)造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的模擬建模及信號獲取，為自動控制系統(tǒng)的性能分析和校正控制器的開發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)；所述模擬實(shí)驗(yàn)裝置的最前面一層為展示面板，見圖3，其采用透明有機(jī)玻璃制成，上面鏤刻有所述核心電路板上各典型的環(huán)節(jié)電路模塊的圖形及其傳遞函數(shù)文字，該圖形和文字的位置與各環(huán)節(jié)電路模塊相對應(yīng)，實(shí)驗(yàn)者透過透明的展示面板能夠看見所述核心電路板上的電路圖，從而了解不同的模擬環(huán)節(jié)的電路設(shè)計，所述展示面板上設(shè)置有與各環(huán)節(jié)電路模塊的數(shù)字變阻箱和數(shù)字變?nèi)菹溥B接的“ + ”、“_”按鈕和數(shù)碼顯示器，按動該數(shù)碼顯示器旁邊的“ + ”、 “_”按鈕便可調(diào)節(jié)電阻、電容的值，從而改變各環(huán)節(jié)電路模塊的特征參數(shù)，而且可以直觀地從數(shù)碼顯示器上讀出當(dāng)時的電阻值、電容值。所述各環(huán)節(jié)模塊電路的工作電源為+5V，由獨(dú)立的穩(wěn)壓電源提供，并已經(jīng)連接好公共地端。各環(huán)節(jié)模塊電路的結(jié)構(gòu)分別表述如下1、比例環(huán)節(jié)電路模塊其傳遞函數(shù)為=^^ = KK = ^-Ri = IOkQ
IN(s)R1請參閱圖2，所述比例環(huán)節(jié)電路模塊由芯片LM3M和電阻元件構(gòu)成，該LM3M是集成運(yùn)放芯片，包含四個運(yùn)算放大器，構(gòu)造成兩組完全相同的比例環(huán)節(jié)，該兩組比例環(huán)節(jié)之間完全獨(dú)立，每組的輸入端IN(S)和輸出端OUT(S)可以分別單獨(dú)使用，其中R2是可變電阻， 取值范圍為1ΚΩ 999ΚΩ，改變其值能夠改變比例環(huán)節(jié)的特征參數(shù)比例系數(shù)K，因此比例環(huán)節(jié)的比例系數(shù)K的取值范圍為0. 1 99. 9。R2采用數(shù)字變阻箱結(jié)構(gòu)，按動所述展示面板上數(shù)碼顯示器旁邊的“ + ”、“-”按鈕便可調(diào)節(jié)電阻R2的值。當(dāng)進(jìn)行單獨(dú)測試比例環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)時，可以將所述比例環(huán)節(jié)電路模塊的輸入端IN(S)連接所述數(shù)據(jù)傳送模塊的D/A端口以接受模擬輸入信號，其輸出端OUT (s)連接數(shù)據(jù)傳遞模塊的A/D端口以輸出信號傳遞給計算機(jī)并顯示輸出波形。2、積分環(huán)節(jié)電路模塊其傳遞函數(shù)為
權(quán)利要求1.一種開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括有模擬實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)傳送模塊和計算機(jī)；所述模擬實(shí)驗(yàn)裝置為開放式箱式結(jié)構(gòu)，其最外層為箱體，內(nèi)層為核心電路板，該核心電路板的正面印有電路原理圖，上面排列有若干典型的環(huán)節(jié)電路模塊，其反面設(shè)置有PCB板、數(shù)字變阻箱和數(shù)字變?nèi)菹?，該若干環(huán)節(jié)電路模塊采用集成電路芯片且均設(shè)有輸入端和輸出端，各環(huán)節(jié)電路模塊能夠通過連接該輸入端和輸出端相互自由組合以構(gòu)造出各種控制系統(tǒng)，該模擬實(shí)驗(yàn)裝置的最前層為展示面板，其采用透明有機(jī)玻璃制成，上面鏤刻有所述各環(huán)節(jié)電路模塊的圖形及其傳遞函數(shù)文字且位置與各環(huán)節(jié)電路模塊相對應(yīng)，所述展示面板上設(shè)置有與所述數(shù)字變阻箱和數(shù)字變?nèi)菹溥B接的“ + ”、“_” 按鈕和數(shù)碼顯示器；所述計算機(jī)儲存有綜合分析設(shè)計軟件；所述數(shù)據(jù)傳送模塊分別與所述模擬實(shí)驗(yàn)裝置和計算機(jī)連接，其由數(shù)據(jù)采集卡和輸入輸出數(shù)據(jù)接口板組成，該數(shù)據(jù)采集卡安裝在計算機(jī)的PCI插槽中，其包含A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、通用數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)緩存擴(kuò)展模塊、接口控制邏輯電路及電源電路，該輸入輸出數(shù)據(jù)接口板與數(shù)據(jù)采集卡連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述若干環(huán)節(jié)電路模塊包括有比例環(huán)節(jié)電路模塊、積分環(huán)節(jié)電路模塊、比例積分環(huán)節(jié)電路模塊、慣性環(huán)節(jié)電路模塊、微分環(huán)節(jié)電路模塊、比例微分環(huán)節(jié)電路模塊、比例積分微分環(huán)節(jié)電路模塊、 二階振蕩環(huán)節(jié)電路模塊和比較環(huán)節(jié)電路模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述環(huán)節(jié)電路模塊的集成電路芯片為LM324。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集卡采用PCI8320，所述A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0809，所述D/A轉(zhuǎn)換器為DAC0832。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包括有溫控爐恒溫控制模塊，該溫控爐恒溫控制模塊由兩部分組成， 第一部分包括被控對象電熱爐的電爐絲、溫度傳感器熱敏電阻及信號放大電路，第二部分包括可控硅及其移相觸發(fā)脈沖電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包括有電機(jī)調(diào)速控制模塊，該電機(jī)調(diào)速控制模塊由兩部分組成，第一部分包括被控直流電機(jī)、轉(zhuǎn)速檢測裝置及直流電源，第二部分包括傳感器信號整形、控制電壓功率放大電路。
專利摘要一種開放式自動控制綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括有模擬實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)傳送模塊和計算機(jī)；所述模擬實(shí)驗(yàn)裝置為開放式箱式結(jié)構(gòu)，其最外層為箱體，內(nèi)層為核心電路板，該核心電路板上排列有若干典型的環(huán)節(jié)電路模塊，該環(huán)節(jié)電路模塊采用集成電路芯片且均設(shè)有輸入端和輸出端，其能夠相互自由組合以構(gòu)造出各種控制系統(tǒng)，該模擬實(shí)驗(yàn)裝置的最前層為透明的展示面板；所述計算機(jī)儲存有綜合分析設(shè)計軟件；所述數(shù)據(jù)傳送模塊分別與所述模擬實(shí)驗(yàn)裝置和計算機(jī)連接，其由數(shù)據(jù)采集卡和輸入輸出數(shù)據(jù)接口板組成。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單通用、可靠性高、實(shí)驗(yàn)適用范圍廣、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)和效率高的優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)閷W(xué)生完成實(shí)驗(yàn)課程、自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計和開發(fā)自動控制系統(tǒng)提供實(shí)用的工具。
文檔編號G09B19/00GK201984672SQ201120060678
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者熊曉君 申請人:上海理工大學(xué)