專利名稱：自動控制原理實驗模塊的制作方法
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(tǒng)包括以下實驗內容典型環(huán)節(jié)的時域響 應、典型系統(tǒng)的時域響應和穩(wěn)定性分析、線性系統(tǒng)的根軌跡分析、線性系統(tǒng)的頻率響應分 析、線性系統(tǒng)的校正、離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析、典型非線性環(huán)節(jié) 靜態(tài)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(tǒng)的自動控制原理 實驗系統(tǒng)大多是利用面包板搭建實驗所需的電路，電路搭建完成后通過手動調節(jié)示波器上 的參數(shù)值進行波形顯示，在面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面包板中，且需要手動調節(jié)示波器，占用時間較多，并且由 于課堂時間的局限性，很多學生都不能按時完成實驗。

實用新型內容鑒于現(xiàn)有技術中存在的上述問題，本實用新型的主要目的在于解決現(xiàn)有技術的缺 陷，提供一種節(jié)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，其特征在于，所述自動控制原理實驗模塊包括一基 于線性系統(tǒng)狀態(tài)空間分析實驗內容的模擬電路、一階躍信號開關、一為所述模擬電路提供 階躍信號的階躍信號輸出端、一調節(jié)階躍信號幅值的階躍信號調節(jié)旋鈕、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(jù)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制有所述模 擬電路的電路原理圖。根據(jù)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(jù)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(jù)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信號發(fā)生器輸 出端。根據(jù)本實用新型的技術構思，所述自動控制原理實驗模塊中還集成有多個單獨元 器件，各所述單獨元器件兩端連接有接線柱，所述單獨元器件中的一個或多個通過對應的 接線柱連接至在所述模擬電路中。根據(jù)本實用新型的技術構思，所述模擬電路包括一信號輸入端、一信號輸出端、第 一至第三運算放大器、第一至第七電阻、第一、第二電容及一反相器，所述第一電阻連接在 所述信號輸入端與所述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反相輸入端連接一接線柱，所述第二電阻連接在所述第一運算放大器的反相輸入端與輸出端之 間，所述第三電阻連接在第一所述運算放大器的輸出端和第二運算放大器的反相輸入端之 間，所述第一電容連接在所述第二運算放大器的反相輸入端和輸出端之間，所述第四電阻 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，所述第二運算 放大器的輸出端還連接一接線柱，所述第五電阻和第二電容并聯(lián)連接在所述第三運算放大 器的反相輸入端和輸出端之間，所述第一至第三運算放大器的輸出端均接地，所述反相器 的輸入端連接至所述第三運算放大器的輸出端，所述第三運算放大器的輸出端、反相器的 輸入、輸出端、第六電阻的兩端、第七電阻的兩端分別連接一接線柱，所述反相器的輸出端 作為所述模擬電路的信號輸出端。根據(jù)本實用新型的技術構思，所述單獨元器件中的兩個分別作為所述第六、第七 電阻。本實用新型的有益效果為本實用新型預先將線性系統(tǒng)狀態(tài)空間分析實驗內容的 電路集成在自動控制原理實驗模塊中，并代替?zhèn)鹘y(tǒng)的面包板連接實驗平臺，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 完成實驗并理解實驗內容。

圖1為本實用新型自動控制原理實驗模塊連接于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為極點配置前線性系統(tǒng)的電路圖。圖6為極點配置前線性系統(tǒng)的階躍響應曲線。圖7為極點配置后線性系統(tǒng)的電路圖。圖8為極點配置后線性系統(tǒng)的階躍響應曲線。
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用于連接一 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采集所述模擬電路的信號，并將采集到的信號傳送給一計算機3進行顯示。所述計 算機3包括一信號采集單元31、一參數(shù)調節(jié)單元32及一信號模擬單元33。本實施方式中， 所述模擬電路是基于線性系統(tǒng)狀態(tài)空間分析實驗內容設計的。請繼續(xù)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(tǒng)的實驗面包板從所述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 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(jié)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(fā)生器輸出端18以及一PCI (Peripheral Component Interconnect，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用于為所述模擬電路提供階躍信號，所述階躍信 號調節(jié)旋鈕14用于調節(jié)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，用于采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用于將所述模擬電路的測量信號轉接至所述信號輸出端17。所述計算機3的信號采集單元31與一設于所述底座20上的所述NIELVIS實驗平 臺2的信號輸出端相連，用于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 號采集單元31為USB接口或IEEE 1394接口。所述參數(shù)調節(jié)單元32通過一信號模擬操作界面設置信號采集參數(shù)，例如，使能通 道、觸發(fā)方式、采樣率等，本實施方式中，可通過計算機鍵盤、鼠標等輸入設備在所述信號模 擬操作界面中設置所述信號采集參數(shù)。所述信號模擬單元33通過內設的軟件對所述信號采集單元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，并 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(xù)參考圖4，所述自動控制原理實驗模塊1還包括一繪制、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，所述自動控制原理 實驗模塊1中還集成有多個可選擇性地連接至所述模擬電路的單獨元器件，如圖4中的阻 值為200ΚΩ、18. 3ΚΩ、33. 9ΚΩ的電阻，各所述單獨元器件的兩端均連接有接線柱12。所述模擬電路是“線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析”的實驗電路，所述模擬電路包括一階 躍信號輸入端r (t)、一測量信號輸出端C(t)、三個運算放大器U1-U3、電阻R1-R7、電容Cl、 C2及一反相器I，所述電阻Rl連接在所述階躍信號輸入端r(t)與所述運算放大器Ul的反 相輸入端之間，所述運算放大器Ul的反相輸入端連接一接線柱12，所述電阻R2連接在所述 運算放大器Ul的反相輸入端與輸出端之間，所述電阻R3連接在所述運算放大器Ul的輸出 端和運算放大器U2的反相輸入端之間，所述電容Cl連接在所述運算放大器U2的反相輸入 端和輸出端之間，所述電阻R4連接在所述運算放大器U2的輸出端和運算放大器U3的反相 輸入端之間，所述運算放大器U2的輸出端之間還連接一接線柱12，所述電阻R5和電容C2 并聯(lián)連接在所述運算放大器U3的反相輸入端和輸出端之間，所述反相器I的輸入端連接至 所述運算放大器U3的輸出端，所述運算放大器U3的輸出端、反相器I的輸入、輸出端、電阻 R6的兩端、電阻R7的兩端分別連接一接線柱12。所述反相器I的輸出端作為所述測量信 號輸出端C (t)，所述運算放大器U1-U3的正相輸入端均接地，所述電阻R6或R7為所述單獨 元器件中的電阻。請繼續(xù)參考圖5及圖6，當要觀察極點配置前線性系統(tǒng)階躍響應曲線時，所述電阻 R6的一端與所述電阻Rl和運算放大器Ul之間的連接節(jié)點通過對應的接線柱12相連，所述 電阻R6的另一端與所述反相器I的輸入端相連，電阻Rl的阻值取200ΚΩ，構成如圖5所示 的電路，將所述階躍信號輸出端15與所述模擬電路的階躍信號輸入端r(t)相連，以為所述 模擬電路提供階躍信號，所述測量信號輸出端C(t)與所述自動控制原理實驗模塊1的信號 輸入端16相連，并通過所述階躍信號調節(jié)端14調節(jié)階躍信號的幅值為5V，在所述信號模擬 操作界面設置好使能通道、觸發(fā)方式、采樣率、運行方式等信號采集參數(shù)后便可運行對所述
5自動控制原理實驗模塊1的輸入、輸出信號(即所述階躍信號輸入端r(t)的階躍信號和測 量信號輸出端C(t)的測量信號)的仿真，通過所述計算機3顯示的階躍響應曲線，此時，所 述計算機3所顯示的階躍響應曲線如圖6所示，根據(jù)該曲線測量得到系統(tǒng)的超調量Mp、峰值 時間Tp等性能指標，根據(jù)圖6可得系統(tǒng)的峰值時間Tp為3至4秒。請繼續(xù)參考圖7及圖8，當需要使系統(tǒng)的超調量Mp不大于5%、峰值時間Tp不大于 0. 5秒時，要為線性系統(tǒng)配置極點，當要觀察極點配置后線性系統(tǒng)階躍響應曲線時，再將所 述電阻R6連接在所述運算放大器Ul的反相輸入端和反相器I的輸入端之間，將所述電阻 R7連接在所述運算放大器Ul的反相輸入端和運算放大器U2的輸出端之間，通過計算得到 電阻R6、R7的精確阻值，則選擇所述單獨元器件中阻值與計算結果相符的電阻分別作為所 述電阻R6、R7，構成如圖7所示的電路，本實施方式中，所述電阻R6為所述單獨元器件中阻 值為18.3ΚΩ的電阻，所述電阻R7為所述單獨元器件中阻值為33. 9ΚΩ的電阻，將所述階 躍信號輸出端15與所述模擬電路的階躍信號輸入端r(t)相連，所述測量信號輸出端C(t) 與所述自動控制原理實驗模塊1的信號輸入端16相連，并通過所述階躍信號調節(jié)端14調 節(jié)階躍信號的幅值為5V，在所述信號模擬操作界面設置好使能通道、觸發(fā)方式、采樣率、運 行方式等信號采集參數(shù)后便可運行對所述自動控制原理實驗模塊1的輸入、輸出信號的仿 真，通過所述計算機3顯示的階躍響應曲線，此時，所述計算機3所顯示的階躍響應曲線如 圖8所示，根據(jù)該曲線測量得到系統(tǒng)的超調量Mp為5%，峰值時間Tp為0. 4秒，遠小于未配 置極點時系統(tǒng)的峰值時間。本實用新型預先將教學材料中的實驗電路集成在自動控制原理實驗模塊中，并代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的面包板連接NI ELVIS試驗平臺，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，可在計算機上快速、準確地設置信號采集參數(shù)，并且直接通 過所述計算機顯示波形，實驗者可充分利用課堂時間完成實驗并理解實驗內容。
權利要求一種自動控制原理實驗模塊，其特征在于，所述自動控制原理實驗模塊包括一基于線性系統(tǒng)狀態(tài)空間分析實驗內容的模擬電路、一階躍信號開關、一為所述模擬電路提供階躍信號的階躍信號輸出端、一調節(jié)階躍信號幅值的階躍信號調節(jié)旋鈕、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，其特征在于所述自動控制原理實驗 模塊的上表面繪制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，其特征在于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，其特征在于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，其特征在于所述自動控制原理實驗 模塊還包括一信號發(fā)生器輸出端。
6.如權利要求1所述的自動控制原理實驗模塊，其特征在于所述自動控制原理實驗 模塊中還集成有多個單獨元器件，各所述單獨元器件兩端連接有接線柱，所述單獨元器件 中的一個或多個通過對應的接線柱連接至在所述模擬電路中。
7.如權利要求6所述的自動控制原理實驗模塊，其特征在于所述模擬電路包括一信 號輸入端、一信號輸出端、第一至第三運算放大器、第一至第七電阻、第一、第二電容及一反 相器，所述第一電阻連接在所述信號輸入端與所述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反相輸入端連接一接線柱，所述第二電阻連接在所述第一運算放大器 的反相輸入端與輸出端之間，所述第三電阻連接在第一所述運算放大器的輸出端和第二運 算放大器的反相輸入端之間，所述第一電容連接在所述第二運算放大器的反相輸入端和輸 出端之間，所述第四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，所述第二運算放大器的輸出端還連接一接線柱，所述第五電阻和第二電容并聯(lián) 連接在所述第三運算放大器的反相輸入端和輸出端之間，所述第一至第三運算放大器的輸 出端均接地，所述反相器的輸入端連接至所述第三運算放大器的輸出端，所述第三運算放 大器的輸出端、反相器的輸入、輸出端、第六電阻的兩端、第七電阻的兩端分別連接一接線 柱，所述反相器的輸出端作為所述模擬電路的信號輸出端。
8.如權利要求7所述的自動控制原理實驗模塊，其特征在于所述單獨元器件中的兩 個分別作為所述第六、第七電阻。
專利摘要一種自動控制原理實驗模塊，包括一基于線性系統(tǒng)狀態(tài)空間分析實驗內容的模擬電路、一階躍信號開關、一為所述模擬電路提供階躍信號的階躍信號輸出端、一調節(jié)階躍信號幅值的階躍信號調節(jié)旋鈕、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(jié)省了教學實驗時間。
文檔編號G09B23/18GK201765732SQ20102029346
公開日2011年3月16日 申請日期2010年8月16日 優(yōu)先權日2010年8月16日
發(fā)明者吳學沖, 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