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 于各典型环节时域响应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，所述自动控制原理实验模块中还集成有多个单独元 器件，各所述单独元器件两端连接有接线柱，所述单独元器件中的一个或多个通过对应的 接线柱连接至在所述模拟电路中。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、一连接所述阶跃信号输入端的输入信号采集端、一用于连接所述自动控制原理实验模 块的信号输入端的测量信号输出端、一运算放大器、第一至第四电阻、第一、第二电容及一反相器，所述输入信号采集端连接所述实验平台，所述输入信号采集端、阶跃信号输入端、 测量信号输出端分别连接一接线柱，所述第一电阻连接在所述阶跃信号输入端和运算放大 器的反相输入端之间，所述第二电阻的一端连接所述运算放大器的反相输入端，所述第三 电阻的一端连接所述运算放大器的输出端，所述第一至第三电阻以及第一电容的两端各连 接一接线柱，所述第二电容的一端连接一接线柱，所述第四电阻连接在所述第二电容的另 一端和地之间，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测量信 号输出端。根据本实用新型的技术构思，其特征在于所述第二电容具有一固定容值，所述 第三电阻具有一固定阻值，所述第一至第三电阻及第一电容分别为所述单独元器件中的一 个。本实用新型的有益效果为本实用新型预先将模拟电路各典型环节的时域响应实 验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为本发明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、图8、图11、图14、图17及图20分别为观测比例环节、积分环节、比例积分环 节、惯性环节、比例分微分环节以及比例积分微分环节时的电路连接示意图。图6、图7、图9、图10、图12、图13、图15、图16、图18、图19、图21及图22均为图 1中的计算机所显示的所述自动控制原理实验模块的波形响应曲线图。
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模拟电路各典型环节的时域响应的实验内容设计的。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 hterconnect，外围设备连接)插槽19，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 的金手指电接触，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至图7，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，所述自动控 制原理实验模块1中还集成有多个可选择性地连接至所述模拟电路的单独元器件，如图4 中的阻值为10ΚΩ、100ΚΩ、200ΚΩ的电阻以及容值1 μ F、2 μ F的电容，各所述单独元器件 的两端均连接有接线柱12。所述模拟电路用于实现模拟电路各典型环节的时域响应，其包括一输入信号采集 端Ui、一连接所述输入信号采集端Ui的阶跃信号输入端r(t)、一测量信号输出端Uo、一 运算放大器U1、电阻R0-R3、电容Cl、C2及一反相器I，所述输入信号采集端Ui、阶跃信号 输入端r (t)、测量信号输出端Uo分别连接一接线柱12，所述输入信号采集端Ui与所述NI ELVIS实验平台2相连，所述电阻RO连接在所述阶跃信号输入端r(t)和运算放大器Ul的 反相输入端之间，所述电阻Rl的一端连接所述运算放大器Ul的反相输入端，所述电阻R2 的一端连接所述运算放大器Ul的输出端，所述电阻R0、RU R2以及电容Cl的两端各连接 一接线柱12，所述电容C2的一端连接一接线柱12，所述电阻R3连接在所述电容C2的另一 端和地之间，所述运算放大器Ul的正相输入端接地，所述反相器I的输入端连接一接线柱 12，所述反相器I的输出端作为所述测量信号输出端Uo。所述电容C2具有一固定容值，为 1 μ F，所述电阻R3具有一固定阻值，为IOK Ω，可根据实验情况，选择所述单独元器件中阻 值为10ΚΩ、100ΚΩ或200ΚΩ的电阻作为所述电阻R0-R2，也可选择所述单独元器件中容值 为1 μ F、2 μ F的电容作为所述电容Cl，所述单独元器件是通过其对应接线柱12连接在所述 模拟电路中的。当观测比例环节的时域响应时，通过对应的接线柱12将所述电阻Rl的另一端连 接至运算放大器Ul的输出端，所述反相器I的输入端和运算放大器Ul的输出端相连，构成 如图5所示的电路，此时，所述输入信号采集端Ui和测量信号输出端Uo之间的传递函数为 Uo (S) /Ui (S) = K，阶跃响应函数为:Uo(t) = K，其中 K = R1/R0。将所述信号输入端16与所述测量信号输出端Uo相连，所述阶跃信号输出端15与 所述阶跃信号输入端r(t)相连，并通过所述阶跃信号调节端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(即所述输入信号采集端Ui和测量信号 输出端Uo)的仿真，当所述电阻Rl的阻值为1001(0，电阻1 0的阻值为2001(0时，所述计算 机3所显示的波形响应曲线如图6所示，当电阻Rl变为200ΚΩ时，所述计算机3所显示的 波形响应曲线如图7所示。请继续参考图8至图10，当观测积分环节的时域响应时，将所述电容Cl连接在所 述运算放大器Ul的反相输入端和输出端之间，所述反相器I的输入端和运算放大器Ul的 输出端相连，构成如图8所示的电路，此时，所述输入信号采集端Ui和测量信号输出端Uo 之间的传递函数为Uo(S)/Ui (S) = 1/TS，所述模拟电路的阶跃响应函数为:Uo(t) = t/T， 其中 T = R0*C1。当所述电容Cl的容值为1 μ F，电阻RO的阻值为200ΚΚ Ω时，所述计算机3所显示 的波形响应曲线如图9所示，当所述电容Cl的容值变为2 μ F时，所述计算机3所显示的波 形响应曲线如图10所示。请继续参考图11至图13，当观测比例积分环节的时域响应时，所述电阻Rl和电 容Cl串联连接在所述运算放大器Ul的反相输入端和输出端之间，所述反相器I的输入端 和运算放大器Ul的输出端相连，构成如图11所示的电路，此时，所述输入信号采集端Ui和 测量信号输出端Uo之间的传递函数为Uo⑶/Ui (S) =K+1/TS，所述模拟电路的阶跃响应函 数为Uo(t) = K+t/T，其中 K = R1/R0, T = R0*C1。当所述电阻Rl、RO的阻值均为200ΚΩ时，所述电容Cl的容值为1 μ F时，所述计 算机3所显示的波形响应曲线如图12所示，当所述电阻Rl的阻值变为200Κ Ω，所述电容C 的容值变为2 μ F时，所述计算机3所显示的波形响应曲线如图13所示。请继续参考图14至图16，当观测惯性环节的时域响应时，所述电阻Rl和电容Cl 并联连接在所述运算放大器Ul的反相输入端和输出端之间，所述反相器I的输入端和运算 放大器Ul的输出端相连，构成如图14所示的电路，此时，所述输入信号采集端Ui和测量信 号输出端Uo之间的传递函数为Uo(S)/Ui (S) =K/(TS+1)，所述模拟电路的阶跃响应函数 为:Uo(t) = K*(l-e-t/T)，其中 K = R1/R0, T = R0*C1。当所述电阻Rl的阻值为200K Ω，所述电容Cl的容值为1 μ F时，所述计算机3所 显示的波形响应曲线如图15所示，当所述电容Cl的容值变为2 μ F时，所述计算机3所显 示的波形响应曲线如图16所示。请继续参考图17至图19，当观测比例微分环节的时域响应时，所述运算放大器 Ul的反相输入端和输出端之间串联连接所述电阻Rl和电阻R2，所述电容C2—端的接线 柱连接至电阻Rl和电阻R2之间的连接节点，所述反相器I的输入端和运算放大器Ul的 输出端相连，构成如图17所示的电路，此时，所述输入信号采集端Ui和测量信号输出端Uo 之间的传递函数为Uo(S)/Ui (S) =K*(TS+1)，所述模拟电路的阶跃响应函数为Uo(t)= Κ*Τ*δ (t)+K，其中，K= (Rl+R2)/R0，T = R1*R2*C2/(R1+R2)，δ (t)为单位脉冲函数。当取所述电阻R0、R2的阻值分别为IOOK Ω，电阻Rl的阻值分别为IOOK Ω，所述计 算机3所显示的波形响应曲线如图18所示，当将所述电阻Rl的阻值变为200ΚΩ时，所述 计算机3所显示的波形响应曲线如图19所示。请继续参考图20至图22，当观测比例积分微分环节的时域响应时，所述运算放大器Ul的反相输入端和输出端之间依次串联连接电阻R1、电容Cl和电阻R2，所述电容C2 — 端的接线柱连接至电容Cl和电阻R2之间的连接节点，所述反相器I的输入端和运算放大 器Ul的输出端相连，构成如图20所示的电路，此时，所述输入信号采集端Ui和测量信号输 出端Uo之间的传递函数为Uo (S)/Ui (S) = Kp+l/O^Q+I^S，所述模拟电路的阶跃响应函 数为:Uo(t) = Td* δ (tHKp+t/Ti，其中，Kp = R1/R0, Ti = R0*C1，Td = R1*R2*C2/R0，δ (t) 为单位脉冲函数。当取所述电阻R0、R1的阻值为IOOK Ω，所述电阻R2的阻值为10Κ，所述电容Cl的 容值为1 μ F时，所述计算机3所显示的波形响应曲线如图21所示，当将所述电阻Rl的阻 值变为200ΚΩ时，所述计算机3所显示的波形响应曲线如图22所示。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，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1.一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 各典型环节时域响应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 模块还包括一信号发生器输出端。
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 模块中还集成有多个单独元器件，各所述单独元器件两端连接有接线柱，所述单独元器件 中的一个或多个通过对应的接线柱连接至在所述模拟电路中。
4.如权利要求3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、一连接所述阶跃信号输入端的输入信号采集端、一用于连 接所述自动控制原理实验模块的信号输入端的测量信号输出端、一运算放大器、第一至第 四电阻、第一、第二电容及一反相器，所述输入信号采集端连接所述实验平台，所述输入信 号采集端、阶跃信号输入端、测量信号输出端分别连接一接线柱，所述第一电阻连接在所述 阶跃信号输入端和运算放大器的反相输入端之间，所述第二电阻的一端连接所述运算放大 器的反相输入端，所述第三电阻的一端连接所述运算放大器的输出端，所述第一至第三电 阻以及第一电容的两端各连接一接线柱，所述第二电容的一端连接一接线柱，所述第四电 阻连接在所述第二电容的另一端和地之间，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测量信号输出端。
5.如权利要求4所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述第二电容具有一固 定容值，所述第三电阻具有一固定阻值，所述第一至第三电阻及第一电容分别为所述单独 元器件中的一个。
专利摘要一种自动控制原理实验模块，包括一基于各典型环节时域响应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G09B23/18GK201853399SQ20102029334
公开日2011年6月1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