自動控制原理實驗模塊的製作方法
2023-05-30 20:52:01
專利名稱：自動控制原理實驗模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種教學實驗產品，尤其涉及一種自動控制原理實驗模塊。
背景技術：
目前，教學所用的自動控制原理實驗系統包括以下實驗內容典型環節的時域響 應、典型系統的時域響應和穩定性分析、線性系統的根軌跡分析、線性系統的頻率響應分 析、線性系統的校正、離散系統的穩定性分析、線性系統的狀態空間分析、典型非線性環節 靜態特性測試、直流電機的速度控制實驗以及熱電偶溫度控制實驗。傳統的自動控制原理 實驗系統大多是利用麵包板搭建實驗所需的電路，電路搭建完成後通過手動調節示波器上 的參數值進行波形顯示，在麵包板上搭建電路需要準備好電路所需的電線、元器件等，再將 準備好的元器件和電線逐一插入麵包板中，且需要手動調節示波器，佔用時間較多，並且由 於課堂時間的局限性，很多學生都不能按時完成實驗。
實用新型內容鑑於現有技術中存在的上述問題，本實用新型的主要目的在於解決現有技術的缺 陷，提供一種節省課堂時間的自動控制原理實驗模塊。一種自動控制原理實驗模塊，其特徵在於，所述自動控制原理實驗模塊包括一基 於線性系統頻率響應分析實驗內容的模擬電路、一為所述模擬電路提供正弦信號的信號發 生器輸出端、一將所述模擬電路的測量信號輸出至一實驗平臺的信號輸出端、一將所述模 擬電路的測量信號轉接至所述信號輸出端的信號輸入端及一連接所述實驗平臺的外圍設 備連接插槽，所述模擬電路集成在所述自動控制原理實驗模塊中。根據本實用新型的技術構思，所述自動控制原理實驗模塊的上表面繪製有所述模 擬電路的電路原理圖。根據本實用新型的技術構思，所述自動控制原理實驗模塊的上表面蝕刻有所述模 擬電路的電路原理圖。根據本實用新型的技術構思，所述自動控制原理實驗模塊的上表面粘貼有所述模 擬電路的電路原理圖。根據本實用新型的技術構思，所述自動控制原理實驗模塊還包括一階躍信號開 關、一階躍信號輸出端及一調節階躍信號幅值的階躍信號調節旋鈕。根據本實用新型的技術構思，所述模擬電路包括一用於分析一階慣性環節頻率響 應特性的第一電路及一用於分析線性系統頻率響應特性的第二電路。根據本實用新型的技術構思，所述第一電路包括一接收所述正弦信號的第一正弦 信號輸入端、一輸出所述模擬電路的測量信號的第一測量信號輸出端、一第一運算放大器、 第一、第二電阻、一第一電容及一第一反相器，所述第一電阻連接在所述第一正弦信號輸入 端與第一運算放大器的反相輸入端之間，所述第一運算放大器的正相輸入端均接地，所述 第二電阻與所述第一電容並聯連接在所述第一運算放大器的輸出端和所述反相器的輸入端之間，所述反相器的輸出端作為所述第一測量信號輸出端。根據本實用新型的技術構思，所述第二電路包括一接收所述正弦信號的第二正弦 信號輸入端、一輸出所述模擬電路的測量信號的第二測量信號輸出端、第二至第四運算放 大器、第三至八電阻、第二、第三電容及一第二反相器，所述第三電阻連接在所述第二正弦 信號輸入端與所述第二運算放大器的反相輸入端之間，所述第四電阻連接在所述第二運算 放大器的反相輸入端和第四運算放大器的輸出端之間，所述第五電阻連接在所述第二運算 放大器的反相輸入端與輸出端之間，所述第六電阻連接在所述第二運算放大器的輸出端和 第三運算放大器的反相輸入端之間，所述第二電容連接在所述第三運算放大器的反相輸入 端與輸出端之間，所述第七電阻連接在所述第三運算放大器的輸出端和第四運算放大器的 反相輸入端之間，所述第八電阻和第三電容並聯連接在所述第四運算放大器的反相輸入端 和輸出端之間，所述第四運算放大器的輸出端連接所述第二反相器的輸入端，所述第二反 相器的輸出端作為所述第二測量信號輸出端。根據本實用新型的技術構思，所述第一、第二正弦信號輸入端和第一、第二測量 信號輸出端分別連接一接線柱。根據本實用新型的技術構思，所述模擬電路還包括一將所述模擬電路所接收的正 弦信號採集至所述實驗平臺的通道輸出端以及將所述模擬電路所接收的正弦信號轉接至 所述通道輸出端的通道輸入端。本實用新型的有益效果為本實用新型預先將線性系統根軌跡分析實驗內容的電 路集成在自動控制原理實驗模塊中，並代替傳統的麵包板連接實驗平臺，可即插即用，實驗 者無需花費太多的時間在元器件的準備和實驗電路的搭建上，因此可充分利用課堂時間完 成實驗並理解實驗內容。
圖1為本實用新型自動控制原理實驗模塊連接於一實驗平臺的模塊圖。圖2為圖1中的一自動控制原理實驗模塊安裝在所述實驗平臺的一底座上的結構 圖。圖3為圖2中的自動控制原理實驗模塊安裝在所述底座上的俯視圖。圖4為圖1中的自動控制原理實驗模塊具有一電路原理圖的示意圖。圖5為分析一階慣性環節頻率響應特性時的電路連接示意圖。圖6為為分析線性系統頻率響應特性時的電路連接示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步說明。請參考圖1，本實用新型自動控制原理實驗模塊1用於連接一 NI ELVIS實驗平臺 2，所述自動控制原理實驗模塊1中集成有一預定實驗內容的模擬電路，所述OT ELVIS實驗 平臺2採集所述模擬電路的信號，並將採集到的信號傳送給一計算機3進行顯示。所述計 算機3包括一信號採集單元31、一參數調節單元32及一信號模擬單元33。本實施方式中， 所述模擬電路是基於線性系統頻率響應分析實驗內容設計的。請繼續參考圖2及圖3，所述自動控制原理實驗模塊1可拆卸地安裝在所述OT ELVIS實驗平臺2的一底座20上，具體操作時，可將傳統的實驗麵包板從所述NI ELVIS實 驗平臺的底座20上取下來，再將所述自動控制原理實驗模塊1固定在所述底座上20上，所4述自動控制原理實驗模塊1的較佳實施方式包括多個接線柱12、一階躍信號開關13、一階 躍信號調節旋鈕14、一階躍信號輸出端15、一信號輸入端16、一信號輸出端17、一信號發 生器輸出端18以及一 PCI (Peripheral Component hterconnect，外圍設備連接)插槽19 圖，當所述自動控制原理實驗模塊1固定在所述底座20上時，其PCI插槽19便與所述底 座20上的金手指接觸，所述階躍信號輸出端15用於為所述模擬電路提供階躍信號，所述階 躍信號調節旋鈕14用於調節所述階躍信號的幅值，所述信號輸出端17連接所述OT ELVIS 實驗平臺2，用於採集所述自動控制原理實驗模塊1的輸出信號，即所述模擬電路的測量信 號，所述信號輸入端16用於將所述模擬電路的測量信號轉接至所述信號輸出端17，所述信 號發生器輸出端18用於為所述模擬電路提供正弦信號。所述計算機3的信號採集單元31與一設於所述底座20上的所述NIELVIS實驗平 臺2的信號輸出端相連，用於接收所述自動控制原理實驗模塊1的輸入、輸出信號，所述信 號採集單元31為USB接口或IEEE 1394接口。所述參數調節單元32通過一信號模擬操作界面設置信號採集參數，例如，使能通 道、觸發方式、採樣率等，本實施方式中，可通過計算機鍵盤、滑鼠等輸入設備在所述信號模 擬操作界面中設置所述信號採集參數。所述信號模擬單元33通過內設的軟體對所述信號採集單元31所接收的自動控制 原理實驗模塊1的輸入、輸出信號進行模擬仿真，以產生所述模擬電路的波形響應曲線，並 將產生的波形響應曲線顯示在所述計算機3的屏幕上，供實驗者觀察、記錄。請繼續參考圖4，所述自動控制原理實驗模塊1還包括一繪製、粘帖或蝕刻在其上 表面的一電路原理圖11、所述電路原理圖11為所述模擬電路的原理圖，所述模擬電路是 「線性系統頻率響應分析」的實驗電路。所述模擬電路包括一第一電路及一第二電路，所述第一電路用於分析一階慣性環 節的頻率響應特性，所述第一電路包括一第一正弦信號輸入端r (tl)、一第一測量信號輸出 端C(tl)、一運算放大器U1、兩電阻Rl、R2、一電容Cl及一反相器II，所述第一正弦信號輸 入端r(tl)和第一測量信號輸出端C(tl)分別連接一接線柱12，所述電阻Rl連接在所述第 一正弦信號輸入端r(tl)與所述運算放大器Ul的反相輸入端之間，所述電阻R2和電容Cl 連接在所述運算放大器Ul的反相輸入端和輸出端之間，所述反相器Il的輸入端與運算放 大器Ul的輸出端相連，所述反相器Il的輸出端作為所述第一測量信號輸出端C(tl)，所述 運算放大器Ul的正相輸入端接地。所述第二電路用於分析線性系統的頻率響應特性，所述第二電路包括一第二正弦 信號輸入端r (t2)、一第二測量信號輸出端C (t2)、三個運算放大器U2-U4、電阻R3-R8、電容 C2、C3及一反相器12，所述第二正弦信號輸入端r(t2)和第二測量信號輸出端C(t2)分別 連接一接線柱，所述電阻R3連接在所述第二正弦信號輸入端r(t2)與所述運算放大器U2 的反相輸入端之間，所述電阻R4連接在所述運算放大器U2的反相輸入端和運算放大器U4 的輸出端之間，所述電阻R5連接在所述運算放大器U2的反相輸入端與輸出端之間，所述電 阻R6連接在所述運算放大器U2的輸出端和所述運算放大器U3的反相輸入端之間，所述電 容C2連接在所述運算放大器U3的反相輸入端與輸出端之間，所述電阻R7連接在所述運算 放大器U3的輸出端和運算放大器U4的反相輸入端之間，所述電阻R8和電容C3並聯連接 在所述運算放大器U4的反相輸入端和輸出端之間，所述反相器12的輸入端與運算放大器U4的輸出端相連，所述反相器Il的輸出端作為所述第二測量信號輸出端C(t2)，所述運算 放大器U2-U4的正相輸入端均接地。所述模擬電路還包括一通道輸入端CH0_IN和一通道輸出端CH0_0UT，所述通道輸 入端CH0_IN和通道輸出端CH0_0UT分別連接一接線柱12。所述通道輸入端CH0_IN用於在 實驗時採集所述第一正弦信號輸入端r(tl)或第二正弦信號輸入端r(t2)的信號，所述通 道輸出端CH0_0UT與所述NI ELVIS實驗平臺2相連，用以將通道輸入端CH0_IN獲取的信 號傳送至所述計算機3。請繼續參考圖5，由圖5中的電路連接示意圖可得到一階系統的開環傳遞函數為
權利要求1.一種自動控制原理實驗模塊，其特徵在於，所述自動控制原理實驗模塊包括一基於 線性系統頻率響應分析實驗內容的模擬電路、一為所述模擬電路提供正弦信號的信號發生 器輸出端、一將所述模擬電路的測量信號輸出至一實驗平臺的信號輸出端、一將所述模擬 電路的測量信號轉接至所述信號輸出端的信號輸入端及一連接所述實驗平臺的外圍設備 連接插槽，所述模擬電路集成在所述自動控制原理實驗模塊中。
2.如權利要求1所述的自動控制原理實驗模塊，其特徵在於所述自動控制原理實驗 模塊的上表面繪製有所述模擬電路的電路原理圖。
3.如權利要求1所述的自動控制原理實驗模塊，其特徵在於所述自動控制原理實驗 模塊的上表面蝕刻有所述模擬電路的電路原理圖。
4.如權利要求1所述的自動控制原理實驗模塊，其特徵在於所述自動控制原理實驗 模塊的上表面粘貼有所述模擬電路的電路原理圖。
5.如權利要求1所述的自動控制原理實驗模塊，其特徵在於所述自動控制原理實驗 模塊還包括一階躍信號開關、一階躍信號輸出端及一調節階躍信號幅值的階躍信號調節旋 鈕。
6.如權利要求1所述的自動控制原理實驗模塊，其特徵在於所述模擬電路包括一用 於分析一階慣性環節頻率響應特性的第一電路及一用於分析線性系統頻率響應特性的第二電路。
7.如權利要求6所述的自動控制原理實驗模塊，其特徵在於所述第一電路包括一接 收所述正弦信號的第一正弦信號輸入端、一輸出所述模擬電路的測量信號的第一測量信號 輸出端、一第一運算放大器、第一、第二電阻、一第一電容及一第一反相器，所述第一電阻連 接在所述第一正弦信號輸入端與第一運算放大器的反相輸入端之間，所述第一運算放大器 的正相輸入端均接地，所述第二電阻與所述第一電容並聯連接在所述第一運算放大器的輸 出端和所述反相器的輸入端之間，所述反相器的輸出端作為所述第一測量信號輸出端。
8.如權利要求7所述的自動控制原理實驗模塊，其特徵在於所述第二電路包括一接 收所述正弦信號的第二正弦信號輸入端、一輸出所述模擬電路的測量信號的第二測量信 號輸出端、第二至第四運算放大器、第三至八電阻、第二、第三電容及一第二反相器，所述第 三電阻連接在所述第二正弦信號輸入端與所述第二運算放大器的反相輸入端之間，所述第 四電阻連接在所述第二運算放大器的反相輸入端和第四運算放大器的輸出端之間，所述第 五電阻連接在所述第二運算放大器的反相輸入端與輸出端之間，所述第六電阻連接在所述 第二運算放大器的輸出端和第三運算放大器的反相輸入端之間，所述第二電容連接在所述 第三運算放大器的反相輸入端與輸出端之間，所述第七電阻連接在所述第三運算放大器的 輸出端和第四運算放大器的反相輸入端之間，所述第八電阻和第三電容並聯連接在所述第 四運算放大器的反相輸入端和輸出端之間，所述第四運算放大器的輸出端連接所述第二反 相器的輸入端，所述第二反相器的輸出端作為所述第二測量信號輸出端。
9.如權利要求8所述的自動控制原理實驗模塊，其特徵在於所述第一、第二正弦信號 輸入端和第一、第二測量信號輸出端分別連接一接線柱。
10.如權利要求1所述的自動控制原理實驗模塊，其特徵在於所述模擬電路還包括一 將所述模擬電路所接收的正弦信號採集至所述實驗平臺的通道輸出端以及將所述模擬電 路所接收的正弦信號轉接至所述通道輸出端的通道輸入端。
專利摘要一種自動控制原理實驗模塊，包括一基於線性系統頻率響應分析實驗內容的模擬電路、一為所述模擬電路提供正弦信號的信號發生器輸出端、一將所述模擬電路的測量信號輸出至一實驗平臺的信號輸出端、一將所述模擬電路的測量信號轉接至所述信號輸出端的信號輸入端及一連接所述實驗平臺的外圍設備連接插槽，所述模擬電路集成在所述自動控制原理實驗模塊中。所述自動控制原理實驗模塊無需實驗者花費太多的時間在元器件的準備和實驗電路的搭建上，節省了教學實驗時間。
文檔編號G09B23/18GK201829101SQ201020293438
公開日2011年5月11日 申請日期2010年8月16日 優先權日2010年8月16日
發明者吳學衝, 王雪峰, 秦莉娜, 高智俊 申請人:北京中科泛華測控技術有限公司