专利名称：自动控制原理实验模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种教学实验产品，尤其涉及一种自动控制原理实验模块。
背景技术：
目前，教学所用的自动控制原理实验系统包括以下实验内容典型环节的时域响 应、典型系统的时域响应和稳定性分析、线性系统的根轨迹分析、线性系统的频率响应分 析、线性系统的校正、离散系统的稳定性分析、线性系统的状态空间分析、典型非线性环节 静态特性测试、直流电机的速度控制实验以及热电偶温度控制实验。传统的自动控制原理 实验系统大多是利用面包板搭建实验所需的电路，电路搭建完成后通过手动调节示波器上 的参数值进行波形显示，在面包板上搭建电路需要准备好电路所需的电线、元器件等，再将 准备好的元器件和电线逐一插入面包板中，且需要手动调节示波器，占用时间较多，并且由 于课堂时间的局限性，很多学生都不能按时完成实验。
实用新型内容鉴于现有技术中存在的上述问题，本实用新型的主要目的在于解决现有技术的缺 陷，提供一种节省课堂时间的自动控制原理实验模块。一种自动控制原理实验模块，其特征在于，所述自动控制原理实验模块包括一基 于线性系统的校正实验内容的模拟电路、一阶跃信号开关、一为所述模拟电路提供阶跃信 号的阶跃信号输出端、一调节阶跃信号幅值的阶跃信号调节旋钮、一将所述模拟电路的测 量信号输出至一实验平台的信号输出端、一将所述模拟电路的测量信号转接至所述信号输 出端的信号输入端及一连接所述实验平台的外围设备连接插槽，所述模拟电路集成在所述 自动控制原理实验模块中。根据本实用新型的技术构思，所述自动控制原理实验模块的上表面绘制有所述模 拟电路的电路原理图。根据本实用新型的技术构思，所述自动控制原理实验模块的上表面蚀刻有所述模 拟电路的电路原理图。根据本实用新型的技术构思，所述自动控制原理实验模块的上表面粘贴有所述模 拟电路的电路原理图。根据本实用新型的技术构思，所述自动控制原理实验模块还包括一信号发生器输 出端。根据本实用新型的技术构思，所述模拟电路包括一接收阶跃信号的阶跃信号输入 端、一输出所述模拟电路的测量信号的第一第二测量信号输出端、第一至第四运算放大器、 第一至第十电阻、第一至第三电容及一反相器，所述第一电阻连接在所述阶跃信号输入端 与所述第一运算放大器的反相输入端之间，所述第二电阻的第一端连接一接线柱，第二端 连接所述第一运算放大器的反相输入端，所述第三电阻连接在所述第一运算放大器的反相 输入端和输出端之间，所述第一运算放大器的输出端连接一接线柱，所述第四电阻的第一端连接一接线柱，第二端连接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第五、第六电阻串联 连接在所述第二运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述第七电阻和第一电容串联连 接在所述第五、第六电阻的串联节点与地之间，所述第二运算放大器的输出端连接一接线 柱，所述第八电阻的第一端连接一接线柱，第二端连接所述第三运算放大器的反相输入端， 所述第九电阻和第二电容并联连接在所述第三运算放大器的反相输入端和输出端之间，所 述第十电阻连接在所述第三运算放大器的输出端和第四运算放大器的反相输入端之间，所 述第三电容连接在所述第四运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述第四运算放大器 的输出端作为所述第二测量信号输出端，所述反相器的输入端连接一接线柱，所述反相器 的输出端作为所述第一测量信号输出端，所述阶跃信号输入端、第一测量信号输出端、第二 测量信号输出端分别连接一接线柱。本实用新型的有益效果为本实用新型预先将线性系统的校正实验内容的电路集 成在自动控制原理实验模块中，并代替传统的面包板连接实验平台，可即插即用，实验者无 需花费太多的时间在元器件的准备和实验电路的搭建上，因此可充分利用课堂时间完成实 验并理解实验内容。
图1为本实用新型自动控制原理实验模块连接于一实验平台的模块图。图2为图1中的一自动控制原理实验模块安装在所述实验平台的一底座上的结构 图。图3为图2中的自动控制原理实验模块安装在所述底座上的俯视图。图4为图1中的自动控制原理实验模块具有一电路原理图的示意图。图5为分析线性系统校正前的响应时的电路连接示意图。图6为利用图5中的电路所得到的线性系统校正前的响应曲线。图7为分析线性系统校正后的响应时的电路连接示意图。图8为利用图7中的电路所得到的线性系统校正后的响应曲线。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明。请参考图1，本实用新型自动控制原理实验模块1用于连接一 NI ELVIS实验平台 2，所述自动控制原理实验模块1中集成有一预定实验内容的模拟电路，所述OT ELVIS实验 平台2采集所述模拟电路的信号，并将采集到的信号传送给一计算机3进行显示。所述计 算机3包括一信号采集单元31、一参数调节单元32及一信号模拟单元33。本实施方式中， 所述模拟电路是基于线性系统的校正实验内容设计的。请继续参考图2及图3，所述自动控制原理实验模块1可拆卸地安装在所述NI ELVIS实验平台2的一底座20上，具体操作时，可将传统的实验面包板从所述NI ELVIS实 验平台的底座20上取下来，再将所述自动控制原理实验模块1固定在所述底座上20上，所 述自动控制原理实验模块1的较佳实施方式包括多个接线柱12、一阶跃信号开关13、一阶 跃信号调节旋钮14、一阶跃信号输出端15、一信号输入端16、一信号输出端17、一信号发生 器输出端18以及一PCI (Peripheral Component Interconnect，外围设备连接)插槽19图，当所述自动控制原理实验模块1固定在所述底座20上时，其PCI插槽19便与所述底座20 上的金手指接触，所述阶跃信号输出端15用于为所述模拟电路提供阶跃信号，所述阶跃信 号调节旋钮14用于调节所述阶跃信号的幅值，所述信号输出端17连接所述OT ELVIS实验 平台2，用于采集所述自动控制原理实验模块1的输出信号，即所述模拟电路的测量信号， 所述信号输入端16用于将所述模拟电路的测量信号转接至所述信号输出端17。所述计算机3的信号采集单元31与一设于所述底座20上的所述NIELVIS实验平 台2的信号输出端相连，用于接收所述自动控制原理实验模块1的输入、输出信号，所述信 号采集单元31为USB接口或IEEE 1394接口。所述参数调节单元32通过一信号模拟操作界面设置信号采集参数，例如，使能通 道、触发方式、采样率等，本实施方式中，可通过计算机键盘、鼠标等输入设备在所述信号模 拟操作界面中设置所述信号采集参数。所述信号模拟单元33通过内设的软件对所述信号采集单元31所接收的自动控制 原理实验模块1的输入、输出信号进行模拟仿真，以产生所述模拟电路的波形响应曲线，并 将产生的波形响应曲线显示在所述计算机3的屏幕上，供实验者观察、记录。请继续参考图4，所述自动控制原理实验模块1还包括一绘制、粘帖或蚀刻在其上 表面的一电路原理图11、所述电路原理图11为所述模拟电路的原理图，所述模拟电路是 “线性系统的校正”的实验电路。所述模拟电路包括一接收阶跃信号的阶跃信号输入端r(t)、输出所述模拟电路 测量信号的第一测量信号输出端C(tl)和第二测量信号输出端C(t2)，四个运算放大器 U1-U4、电阻R1-R10、电容C1-C3及一反相器I，所述信号输入端r (t)、第一测量信号输出端 C(tl)和第二测量信号输出端C(t2)分别连接一接线柱12，所述电阻Rl连接在所述阶跃信 号输入端r(t)与所述运算放大器Ul的反相输入端之间，所述电阻R2的第一端连接一接线 柱12，第二端连接所述运算放大器Ul的反相输入端，所述电阻R3连接在所述运算放大器 Ul的反相输入端和输出端之间，所述运算放大器Ul的输出端连接一接线柱12，所述电阻R4 的第一端连接一接线柱12，第二端连接所述运算放大器U2的反相输入端，所述电阻R5、R6 串联连接在所述运算放大器U2的反相输入端和输出端之间，所述电阻R7和电容Cl串联连 接在所述电阻R5、R6的串联节点与地之间，所述运算放大器U2的输出端连接一接线柱12， 所述电阻R8的第一端连接一接线柱12，第二端连接所述运算放大器U3的反相输入端，所 述电阻R9和电容C2并联连接在所述运算放大器U3的反相输入端和输出端之间，所述电阻 RlO连接在所述运算放大器U3的输出端和运算放大器U4的反相输入端之间，所述电容C3 连接在所述运算放大器U4的反相输入端和输出端之间，所述运算放大器U4的输出端作为 所述第二测量信号输出端C(t2)，所述反相器I的输入端和输出端各连接一接线柱，所述反 相器I的输出端作为所述第一测量信号输出端C(tl)。请继续参考图5及图6，所述模拟电路用于比较校正前和校正后的线性系统的 响应，当分析校正前线性系统的响应时，所述运算放大器Ul的输出端与所述电阻R8的 第一端通过对应的接线柱12相连，所述运算放大器U4的输出端同时与所述反相器I 的输入端和电阻R2的一端通过对应的接线柱12相连。此时，系统的闭环传递函数为
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G(S)^，糖·介贿躺AKt)云力翻原、王里碰纖1白勺麵信号输出端15相连，将所述第一测量信号输出端C (tl)与所述自动控制原理实验模块1的 信号输入端16相连，并通过所述阶跃信号调节旋钮14调节阶跃信号的幅值为IV，在所述信 号模拟操作界面设置好使能通道、触发方式、采样率、运行方式等信号采集参数后便可运行 对所述自动控制原理实验模块1的输入、输出信号的仿真，并通过所述计算机3显示未校正 前的线性系统的响应曲线，此时，所述计算机3所显示的响应曲线如图6所示，通过该曲线 观察未校正前线性系统的各项指标，如超调量Mp、调节时间Ts，静态误差系数Kv等。请继续参考图7及图8，为了使校正后线性系统的超调量Mp不大于25%、调节时 间Ts不大于1秒、静态误差系数Kv不小于20 (1/s)，将所述模拟电路的各元件之间的连 接关系改为所述运算放大器Ul的输出端与所述电阻R4的第一端相连，所述运算放大器 U2的输出端与所述电阻R8的第一端相连，所述电阻R2的第一端与反相器I的输出端相 连，所述反相器I的输入端与运算放大器U4的输出端相连，此时，系统的闭环传递函数为 …、 20
G(S) =+ ^，所述阶跃信号输入端r (t)依然与所述自动控制原理实验模块1的阶跃
信号输出端15相连，将所述第二测量信号输出端C (t2)与所述自动控制原理实验模块1的 信号输入端16相连，并通过所述阶跃信号调节旋钮14调节阶跃信号的幅值为IV，在所述信 号模拟操作界面设置好使能通道、触发方式、采样率、运行方式等信号采集参数后便可运行 对所述自动控制原理实验模块1的输入、输出信号的仿真，并通过所述计算机3显示校正后 的线性系统的响应曲线，此时，所述计算机3所显示的响应曲线如图8所示，通过该曲线观 察未校正前线性系统的超调量Mp、调节时间Ts，静态误差系数Kv等。本实用新型预先将教学材料中的实验电路集成在自动控制原理实验模块中，并代 替传统的面包板连接NI ELVIS试验平台，可即插即用，实验者无需花费太多的时间在元器 件的准备和实验电路的搭建上，可在计算机上快速、准确地设置信号采集参数，并且直接通 过所述计算机显示波形，实验者可充分利用课堂时间完成实验并理解实验内容。
权利要求一种自动控制原理实验模块，其特征在于，所述自动控制原理实验模块包括一基于线性系统的校正实验内容的模拟电路、一阶跃信号开关、一为所述模拟电路提供阶跃信号的阶跃信号输出端、一调节阶跃信号幅值的阶跃信号调节旋钮、一将所述模拟电路的测量信号输出至一实验平台的信号输出端、一将所述模拟电路的测量信号转接至所述信号输出端的信号输入端及一连接所述实验平台的外围设备连接插槽，所述模拟电路集成在所述自动控制原理实验模块中。
2.如权利要求1所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述自动控制原理实验 模块的上表面绘制有所述模拟电路的电路原理图。
3.如权利要求1所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述自动控制原理实验 模块的上表面蚀刻有所述模拟电路的电路原理图。
4.如权利要求1所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述自动控制原理实验 模块的上表面粘贴有所述模拟电路的电路原理图。
5.如权利要求1所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述自动控制原理实验 模块还包括一信号发生器输出端。
6.如权利要求1所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述模拟电路包括一接 收阶跃信号的阶跃信号输入端、一输出所述模拟电路的测量信号的第一第二测量信号输出 端、第一至第四运算放大器、第一至第十电阻、第一至第三电容及一反相器，所述第一电阻 连接在所述阶跃信号输入端与所述第一运算放大器的反相输入端之间，所述第二电阻的第 一端连接一接线柱，第二端连接所述第一运算放大器的反相输入端，所述第三电阻连接在 所述第一运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述第一运算放大器的输出端连接一接 线柱，所述第四电阻的第一端连接一接线柱，第二端连接所述第二运算放大器的反相输入 端，所述第五、第六电阻串联连接在所述第二运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述 第七电阻和第一电容串联连接在所述第五、第六电阻的串联节点与地之间，所述第二运算 放大器的输出端连接一接线柱，所述第八电阻的第一端连接一接线柱，第二端连接所述第 三运算放大器的反相输入端，所述第九电阻和第二电容并联连接在所述第三运算放大器的 反相输入端和输出端之间，所述第十电阻连接在所述第三运算放大器的输出端和第四运算 放大器的反相输入端之间，所述第三电容连接在所述第四运算放大器的反相输入端和输出 端之间，所述第四运算放大器的输出端作为所述第二测量信号输出端，所述反相器的输入 端连接一接线柱，所述反相器的输出端作为所述第一测量信号输出端，所述阶跃信号输入 端、第一测量信号输出端、第二测量信号输出端分别连接一接线柱。
专利摘要一种自动控制原理实验模块，包括一基于线性系统的校正实验内容的模拟电路、一阶跃信号开关、一为所述模拟电路提供阶跃信号的阶跃信号输出端、一调节阶跃信号幅值的阶跃信号调节旋钮、一将所述模拟电路的测量信号输出至一实验平台的信号输出端、一将所述模拟电路的测量信号转接至所述信号输出端的信号输入端及一连接所述实验平台的外围设备连接插槽，所述模拟电路集成在所述自动控制原理实验模块中。所述自动控制原理实验模块无需实验者花费太多的时间在元器件的准备和实验电路的搭建上，节省了教学实验时间。
文档编号G05B17/02GK201725183SQ201020293449
公开日2011年1月26日 申请日期2010年8月16日 优先权日2010年8月16日
发明者吴学冲, 王雪峰, 秦莉娜, 高智俊 申请人:北京中科泛华测控技术有限公司