专利名称：一种大惯性滞后被控对象信号的模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动控制技术领域，更具体地，涉及一种大惯性滞后被控对象信号的模拟装置。
背景技术：
目前在自动控制领域，对于具有大惯性特性同时又具有滞后特性的被控对象信号(如温度对象或压力对象)很难用常规的控制方法来控制，只能用智能控制算法来控制。在教学实验中，为了提高学生的设计能力和改善实践教学效果，可以由学生通过编程设计智能控制算法，然后对被控对象信号进行控制效果检验。那么，为了评价这种控制系统及其控制算法的性能，就要有相应的被控对象信号装置，而且被控对象信号装置的一些重要参数要求能够连续可调。在科研和教学实验中，可以采用单片机来实现大惯性大滞后对象的智能控制系统，例如温度控制系统。在检验智能控制系统中控制算法的性能时，需要将单片机与被控对象信号进行结合，如果采用真实的被控对象信号装置，由于这些真实的被控对象信号装置价格非常昂贵而且占用很大的实验室空间，给科研和教学实验带来很大的困难。因此，我们希望能够具有一种对具有大惯性和大滞后特性的被控对象信号进行模拟的被控对象信号模拟装置，而且使该模拟装置的一些重要参数是连续可调的，从而不依赖真实的被控对象信号装置也能够开展对智能控制系统及其控制算法实际控制效果的仿真研究和教学实验，节约了科研和教学成本。
发明内容
为达到上述目的，本发明提供了一种大惯性滞后被控对象信号的模拟装置，并且其中一些重要参数是连续可调的，从而能够模拟温度等具有大惯性和大滞后特性的被控对象信号，从而对智能控制系统及其控制算法的实际效果进行检验。本发明的大惯性滞后被控对象信号的模拟装置，包括键盘电路(10)、显示电路(20 )、单片机(30 )、大惯性环节(40 )以及滞后环节(50 )，其特征在于，所述大惯性环节(40 )和滞后环节(50)用于模拟生成具有大惯性和大滞后特性的被控对象信号，所述单元机(30 )用于调节所述大惯性环节(40 )和滞后环节(50 )的参数以调整所述模拟生成的被控对
象信号。作为优选地，所述大惯性环节(40)包括由第一电容器(Cl)和第一可调电阻器(Rl)组成的惯性电路，并且所述第一电容器(Cl)和第一可调电阻器(Rl)组成的惯性电路连接第一运算放大器(U3A)的正相输入端，第二可调电阻器(R3)连接所述第一运算放大器(U3A)的反相输入端和输出端，所述单片机(30)调节第一可调电阻器(Rl)的阻值以调整所述被控对象信号的滞后时间常数，并调节第二可调电阻器(R3)的阻值以调整所述被控对象信号的放大倍数。作为优选地，所述滞后环节(50)包括与所述大惯性环节(40)的输出连接的由第三可调电阻器(R2)和第二电容器(C2)组成的惯性电路以及第二至第四运算放大器(U3B、U3C、U3D)，并且所述单片机(30)调节第三可调电阻器(R2)的阻值以调整所述被控对象信号的惯性时间常数。进一步优选地，第一电容器(Cl)电容值为luF，第二电容器(C2)电容值0. 33uF，且第三可调电阻器(R2)的阻值大于第一可调电阻器(Rl)的阻值。进一步优选地，所述第一至第三可调电阻器(Rl、R3、R2)是由一个数字电位器(Ul)实现的可调电阻器。所述单片机(30)与所述数字电位器(Ul)采用两线通信方式进行通信，通过调节所述数字电位器(Ul)来调节所述第一至第三可调电阻器(Rl、R3、R2)的阻
值。 优选地，所述键盘电路(10)和显示电路(20)作为人机接口，供使用者用来操作单片机(30)来设置所述第一至第三可调电阻器(Rl、R3、R2)的阻值。可见，本发明采用模拟装置模拟生成具有大惯性和大滞后特性的被控对象信号，并且该被控对象信号的惯性时间常数、放大倍数、滞后时间常数等重要参数是连续可调的。利用本发明的模拟装置模拟生成的被控对像信号可以对控制系统及其控制算法的实际效果进行检验，不必再应用真实的被控对象信号装置，具有成本低、体积小、参数灵活可调、方便科研和教学应用的有益效果。
图I是本发明实施例的大惯性滞后被控对象信号的模拟装置的系统原理框 图2是本发明实施例的被控对象信号模拟电路原理 图3是本发明实施例的模拟实验装置电路结构示意图。
具体实施例方式为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施方式
并配合附图详予说明。大惯性和大滞后特性的被控对象信号模拟装置的系统原理框图如图I所示，它是由键盘电路10、显示电路20、单片机30、大惯性环节40以及滞后环节50组成的。其中，单片机30可以通过调节大惯性环节40和滞后环节50的数字电位器来调整大惯性环节和滞后环节的三个重要的参数即惯性时间常数、放大倍数、滞后时间常数，从而调整所模拟产生的被控对象信号的特性。使用者利用键盘电路10和显示电路20作为人机接口来设置这三个参数。为了实现上述发明的目的，本发明实施例的被控对象信号模拟电路原理图如图2所示，该被控对象信号模拟电路由大惯性环节40和滞后环节50组成的。图2中包括4个运算放大器U3A、U3B、U3C以及U3D，可以采用型号LM324的运算放大器芯片中的四路运算放大器芯片来实现所述U3A、U3B、U3C以及U3D。可以，图2中Ui是被控对象信号的输入信号，Uo是被控对象信号的输出信号。大惯性环节40由运算放大器U3A、电容器Cl、电阻器R1、R3和R4组成。如图2所示，由电容器Cl和可调电阻器Rl组成的惯性电路，并且所述电容器Cl和可调电阻器Rl组成的惯性电路连接运算放大器U3A的正相输入端，可调电阻器R3连接所述第一运算放大器U3A的反相输入端和输出端。该大惯性环节40的传递函数为1 + 53
LZ01(S) —,与标准的大惯性环节的传递函数 K 相比得到:
(￡") 1+ 及1 3^SI
放大倍数尤=(I)
R4
滞后时间常数T= i l* Cl(2)
滞后环节50由运算放大器U3B、U3C、U3D，电容器C2，电阻器R2、R5、R6、R7 R8、R9和RlO组成，由可调电阻器R2和电容器C2组成的惯性电路与所述大惯性环节40的输出连
接。滞后环节传递函数为，与一阶近似标准滞后环节的传递函数
—您2I
e相比翻
2
惯性时间常数r=2*i 2*(72 (3)
被控对象信号具有大滞后特性的条件是& 20.5，根据公式(2)和公式(3)，我们可以设
T
计电容Cl=IuF,电容C2=0. 33uF，电阻R2的值要大于电阻Rl的值
公式(I) 公式(3)中的电阻Rl、R2和R3是可调电阻，可以用数字电位器来实现以上可调电阻Rl、R2和R3，从而就可以通过单片机30调节数字电位器的值来对大惯性环节40和滞后环节50的惯性时间常数『放大倍数尤、滞后时间常数T进行调整。这样就通过单片机30调节数字电位器的值就可以模拟实际的被控对象信号的不同特性。图3是本发明实施例的模拟实验装置电路结构示意图，示出了本发明的大惯性滞后被控对象信号的模拟装置的具体实现电路。本发明所述大惯性滞后被控对象信号的模拟装置是由键盘电路10、显示电路20、单片机30、大惯性环节40以及滞后环节50组成。大惯性环节40和滞后环节50与图2相似，区别是图2中的可调电阻R1、R2和R3用图3所示的数字电位器Ul来实现。键盘电路10和显示电路20作为人机接口，供使用者用来操作单片机30通过调节数字电位器Ul来设置被控对象信号的三个参数，即惯性时间常数、放大倍数、滞后时间常数。单片机30选用的型号是MEGA8，单片机30和数字电位器Ul之间采用两线通信方式进行通信，Rll和R12是上拉电阻。数字电位器Ul选用的型号是X9241，它的I脚、2脚和3脚是可调电阻的三个引脚端子，其中I脚是可调电阻的滑动引脚端子，图中I脚和2脚短接，这样I脚和3脚形成可调电阻，将这个可调电阻取代图2中的R2 ；U1的6脚、7脚和8脚是可调电阻的三个引脚端子，其中6脚是可调电阻的滑动引脚端子，图中6脚和7脚短接，6脚和8脚形成可调电阻，将这个可调电阻取代图2中的R3 ；U1的11脚、12脚和13脚是可调电阻的三个引脚端子，其中13脚是可调电阻的滑动引脚端子，图中13脚和12脚短接，11脚和13脚形成可调电阻，将这个可调电阻取代图2中的R1。图3中的其它元件与图2相同。单片机30通过调节数字电位器Ul所实现的可调电阻Rl、R2和R3，根据上述公式(I) 公式(3)实现对惯性时间常数T、放大倍数滞后时间常数r进行调整。本发明所提供的大惯性滞后被控对象信号的模拟装置，可以模拟生成具有大惯性和大滞后特性的被控对象信号，并且该被控对象信号的惯性时间常数、放大倍数、滞后时间常数等重要参数是连续可调的，可以用于模拟温度等被控对象信号，利用该模拟装置可以对相应智能控制系统及其控制算法的实际效果进行检验，而且与采用真实的被控对象信号装置的检验方案相比具有成本低、体积小、参数灵活可调、方便科研和教学应用的有益效果。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范 围内。
权利要求
1.一种大惯性滞后被控对象信号的模拟装置，包括键盘电路(10)、显示电路(20)、单 片机(30 )、大惯性环节(40 )以及滞后环节(50 )，其特征在于，所述大惯性环节(40 )和滞后 环节(50)用于模拟生成具有大惯性和大滞后特性的被控对象信号，所述单元机(30)用于 调节所述大惯性环节(40)和滞后环节(50)的参数以调整所述模拟生成的被控对象信号。
2.根据权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，所述大惯性环节(40)包括由第一电 容器(C1)和第一可调电阻器(R1)组成的惯性电路，并且所述第一电容器(C1)和第一可调 电阻器(R1)组成的惯性电路连接第一运算放大器(U3A)的正相输入端，第二可调电阻器 (R3)连接所述第一运算放大器(U3A)的反相输入端和输出端，所述单片机(30)调节第一 可调电阻器(R1)的阻值以调整所述被控对象信号的滞后时间常数，并调节第二可调电阻器 (R3)的阻值以调整所述被控对象信号的放大倍数。
3.根据权利要求2所述的模拟装置，其特征在于所述滞后环节(50)包括与所述大惯 性环节(40)的输出连接的由第三可调电阻器(R2)和第二电容器(C2)组成的惯性电路以及 第二至第四运算放大器(U3B、U3C、U3D)，并且所述单片机(30)调节第三可调电阻器(R2)的 阻值以调整所述被控对象信号的惯性时间常数。
4.根据权利要求3所述的模拟装置，其特征在于，第一电容器(C1)电容值为luF，第二 电容器(C2)电容值0. 33uF，且第三可调电阻器(R2)的阻值大于第一可调电阻器(R1)的阻 值。
5.根据权利要求3所述的模拟装置，其特征在于，所述第一至第三可调电阻器(R1、R3、 R2 )是由一个数字电位器(U1)实现的可调电阻器。
6.根据权利要求5所述的模拟装置，其特征在于，所述单片机(30)与所述数字电位器 (U1)采用两线通信方式进行通信，通过调节所述数字电位器(U1)来调节所述第一至第三可 调电阻器(R1、R3、R2)的阻值。
7.根据权利要求3所述的模拟装置，其特征在于，所述键盘电路(10)和显示电路(20) 作为人机接口，供使用者用来操作单片机(30)来设置所述第一至第三可调电阻器(Rl、R3、 R2)的阻值。
全文摘要
本发明涉及一种大惯性滞后被控对象信号的模拟装置，包括键盘电路(10)、显示电路(20)、单片机(30)、大惯性环节(40)以及滞后环节(50)，所述大惯性环节(40)和滞后环节(50)用于模拟生成具有大惯性和大滞后特性的被控对象信号，所述单元机(30)用于调节所述大惯性环节(40)和滞后环节(50)的参数以调整所述模拟生成的被控对象信号。本发明的模拟装置可以模拟生成具有大惯性和大滞后性的被控对象信号，并且该被控对象信号的参数是连续可调的。本发明的模拟装置可以对控制系统及其控制算法的实际效果进行检验，不必再应用真实的被控对象信号装置，具有成本低、体积小、参数灵活可调、方便科研和教学应用的有益效果。
文档编号G05B13/04GK102662319SQ201210054760
公开日2012年9月12日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者田文杰 申请人:北京联合大学