專利名稱：便攜式課堂教學演示模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動控制領(lǐng)域，具體應用于便攜式課堂教學演示模型。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上自動控制原理一直就是各很多專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)程?？刂评碚摰恼Q生就源于解決機電液等工程問題的需要。隨著現(xiàn)代社會信息化的不斷的推進，自動控制原理作為信息學科的重要分支之一，其重要性愈發(fā)顯現(xiàn)?，F(xiàn)代機械設備的性能不僅體現(xiàn)在設備的機械性能上，更是體現(xiàn)在其自動控制性能上，大部分的現(xiàn)代機械設備都有極高的自動控制要求，因此自動控制原理課程對于機械專業(yè)的學生來說具有非常重要的作用。因此有必要對采用直觀的教學模型改進自動控制原理課程的教學式、充分利用各種教學手段等各方面的開展研究，以提高自動控制原理課程的教學效果，培養(yǎng)出能基礎(chǔ)扎實、能力強、綜合素質(zhì)聞，富有創(chuàng)新精神的機械類和能源與動力類的聞級專門人才。 相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的羅列介紹
上海廣育科教有限公司生產(chǎn)的模電、數(shù)電、自動控制原理實驗室成套設備。其主要結(jié)構(gòu)一、實驗臺部分I、電源(A組低壓交流電壓3-24V分七檔可調(diào)，輸出電流1.5A; B 組二組互相獨立的0-30V直流穩(wěn)壓電源，內(nèi)置式繼電器自動換檔，多圈電位器連續(xù)調(diào)壓， 輸出電流2A，具有預設式限流保護功能；(組低壓直流穩(wěn)壓電源山組單相市電輸出，供用戶自備儀器使用。)2、函數(shù)發(fā)生器3、脈沖單元每撥一次鈕子開關(guān)輸出一組正負脈沖。 4、七段譯碼器及對應譯碼顯示數(shù)碼管。5、自動控制原理部分由模擬運算單元、信號源、電壓表、計算機接口組成。6、外測交直流二用電流表及電壓表。二、學生實驗桌一桌為二座，桌面中央設置通用電路插板，元件盒在其上接插成實驗電路完成實驗。桌子左右各有一個柜.柜中存放元器件、貯存板及電腦，中間上層放置鍵盤、下層抽屜存放工具、萬用表、 導線等。三、器材配備(以24座為例，詳見發(fā)貨清單)12臺實驗臺、12張學生實驗操作桌、I 臺主控演示臺、13只MF500萬用表、13只數(shù)字萬用表、39只指針式I. 5級直流電流表，25套電烙鐵及烙鐵架，13套實驗所需的電阻、電位器、電感線圈、變壓器、二極管、三極管、場效應管、集成、可控硅、邏輯電平開關(guān)、邏輯電平指示等元件盒。13套剝線鉗、螺絲刀、尖嘴鉗等工具。四、用戶自備器材長余輝示波器，毫伏表，滑線變阻器。杭州信雅達系統(tǒng)工程有限公司的專利號為200710067243. 7的發(fā)明專利一種自動控制原理的試驗儀器及方法。其主要包括一 PC機，LabView的功能模塊，用于與主模塊連接后起到了虛擬示波器和虛擬信號發(fā)生器的功能；一組構(gòu)造完全相同的小模塊，用于接入所需的元器件可構(gòu)成各種環(huán)節(jié)；一個主模塊，主要包括開關(guān)電源、AD/DA模塊和串口通信模塊；其中LabView的功能模塊產(chǎn)生源信號發(fā)至主模塊，并通過AD/DA模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)放大后通過由一組構(gòu)造完全相同的小模塊構(gòu)成的實驗箱，輸出的信號通過AD/DA模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再返回PC機。其發(fā)明有益的效果是每個模塊通過插入不同的元器件可配置為各種環(huán)節(jié)，有利于學生創(chuàng)造能力的發(fā)揮。模塊之間自由布局，可做到和原理圖的布局完全相同。
孫大衛(wèi)、丁興俊等的《一種典型自動控制原理實驗教學設備研究》(刊于《實驗技術(shù)與管理》第28卷第7期，文章編號1002-4956 (2011)07-0079-03)設計了以直流伺服電動機作為執(zhí)行機構(gòu)，小車、轉(zhuǎn)盤等作為被控對象的典型實驗裝置。該套裝置包括電動機、測量元件直流測速發(fā)電機、光電編碼器、運算放大電路、放大器和給予學生直觀感受輸出量的小車或轉(zhuǎn)盤。該研究用實驗法測定直流伺服電動機的數(shù)學模型，簡單分析了建立一階和二階系統(tǒng)模型的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種便攜式《自動控制原理》課堂教學演示模型，以直觀地演示《自動控制原理》課本中的知識，培養(yǎng)學生的學習興趣、提高課堂教學效果。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種便攜式《自動控制原理》課堂教學演示模型，其特征在于，該模型包括被控運動裝置、單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置、操作界面與顯示軟件模塊三個部分，該模型整體封裝在一個便攜式的手提箱中，其中
所述被控運動裝置是整個教學模型的基礎(chǔ)部分，它包括支座及殼體、被控運動裝置、反饋裝置和轉(zhuǎn)動慣量 調(diào)節(jié)裝置。所述支座可穩(wěn)定置于演示臺面，支架上固定有殼體。所述被控運動裝置包括直流電機、第一聯(lián)軸器、第一齒輪、轉(zhuǎn)盤軸、轉(zhuǎn)盤、刻度直尺和標記物，所述直流電機位于所述殼體壁外，直流電機輸出軸通過第一聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)盤軸連接，所述轉(zhuǎn)盤通過軸承安裝于殼體另一壁外，所述第一齒輪固定于轉(zhuǎn)盤軸上，所述轉(zhuǎn)盤也固定于轉(zhuǎn)盤軸上且轉(zhuǎn)盤與殼體壁之間保持一定間隙；所述轉(zhuǎn)盤與殼體壁之間間隙處的轉(zhuǎn)盤軸上固定下垂一繩索，繩索另一端懸掛固定一標記物，該標記物為一重量塊，由此轉(zhuǎn)盤軸的正轉(zhuǎn)使得繩索卷繞到轉(zhuǎn)軸上同時標記物上升，或者其反轉(zhuǎn)使得繩索在轉(zhuǎn)軸上退繞同時標記物下降；所述刻度直尺豎向置于所述轉(zhuǎn)盤與殼體壁之間間隙處，并與下垂的繩索豎直平行，刻度直尺可標記標記物的運動位移。所述反饋裝置包括旋轉(zhuǎn)編碼器、第二聯(lián)軸器、第二齒輪、第二軸，所述旋轉(zhuǎn)編碼器與所述直流電機同側(cè)也位于所述殼體壁外，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出軸通過第二聯(lián)軸器與第二軸連接，所述第二齒輪固定于第二軸上，所述第二齒輪和第一齒輪嚙合。所述轉(zhuǎn)動慣量調(diào)節(jié)裝置包括兩質(zhì)量塊，質(zhì)量塊開設通孔，所述轉(zhuǎn)盤上開設相互呈中心對稱的兩個腰形槽，所述兩質(zhì)量塊通過螺栓螺母分別固定在轉(zhuǎn)盤的腰形槽內(nèi)，調(diào)節(jié)設置質(zhì)量塊在腰形槽內(nèi)不同位置以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。所述單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置主要包括單片機、電源模塊、USB串行通信模塊和 PWM電機調(diào)速驅(qū)動模塊。所述電源模塊分別與單片機、USB串行通信模塊、PWM電機調(diào)速驅(qū)動等模塊連接，從而將外接的直流電源轉(zhuǎn)換為不同的電壓幅值為各模塊提供所需電壓。所述單片機上的程序存儲器中寫入軟件模塊，反饋旋轉(zhuǎn)編碼器和指令旋轉(zhuǎn)編碼器分別與單片機連接，單片機與PWM電機調(diào)速驅(qū)動模塊連接，USB串行通信模塊與單片機連接。上位機發(fā)出的控制指令通過USB串行通信模塊傳給單片機，單片機通過其軟件模塊運算出相應的PWM 信號，控制PWM電機調(diào)速驅(qū)動模塊，從而通過直流電機控制機械系統(tǒng)的運動；同時反饋用的旋轉(zhuǎn)編碼器實時采集直流電機實際轉(zhuǎn)速信息，單片機接收到旋轉(zhuǎn)編碼器傳來的脈沖信號通過軟件模塊運算處理得到機械系統(tǒng)的運動狀態(tài)信息并經(jīng)USB串行通信模塊傳給上位機，由上位機軟件顯示。所述操作界面與顯示軟件模塊主要實現(xiàn)人機交互，用戶通過它可以實現(xiàn)對本教學模型的控制操作，同時能夠?qū)C械控制中的一些重要數(shù)據(jù)顯示在界面上，并能夠繪制相應的曲線使控制結(jié)果更直觀。所述的操作界面與顯示軟件模塊包括用戶接口模塊(操作顯示界面)、處理模塊和通訊模塊。用戶接口模塊即為操作與顯示界面，主要用于向用戶提供友好的圖形化界面，負責接收用戶輸入操作，將其轉(zhuǎn)化為后臺程序可以識別的信息，以完成相應的操作，另外，對用戶行為進行限定，防止用戶的誤操作導致系統(tǒng)崩潰。用戶可通過上位機界面指定不同的控制模式及控制參數(shù)，系統(tǒng)自動調(diào)用相應的處理模塊和通訊模塊后向單片機發(fā)送控制信息，控制機械裝置的運動；并接收單片機回傳數(shù)據(jù)，顯示輸入輸出數(shù)據(jù)、系統(tǒng)誤差、系統(tǒng)時間響應及頻率響應的圖形等信息。處理模塊根據(jù)用戶接口模塊輸入的指令及數(shù)據(jù)，做出相應的運行處理，并將指令及處理后的數(shù)據(jù)提供給予通訊模塊；同時接受通訊模塊從下位單片機傳來的反饋數(shù)據(jù)，進行處理后返回給用戶接口模塊進行圖面展示。通訊模塊將處理模塊所得指令及數(shù)據(jù)，通過USB 口將數(shù)據(jù)傳入下位的單片機，并將單片機傳來的數(shù)據(jù)傳回給處理模塊。所述質(zhì)量塊成對得備有尺寸完全相同但密度不同的質(zhì)量塊，演示的時候可以進行更換，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。所述模型的被控運動裝置和單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置均封裝在一個長40_、寬 30mm、高IOmm的箱體，整個系統(tǒng)采用教室里的交流電源供電，通過一個USB數(shù)據(jù)線與多媒體教室內(nèi)的計算機(即安裝有操作界面與顯示軟件模塊的上位機)連接，用戶直接操作本模型系統(tǒng)編制的操作界面與顯示軟件模塊并結(jié)合課程講解相關(guān)知識點完成教學演示。相比于現(xiàn)有的以模擬電路為主的試驗設備，本發(fā)明屬于便攜式《自動控制原理》的課堂教學演示用模型，有直觀顯示的觀察對象、便攜集成度高，成本低，計算機界面直觀易學易用，操作安全方便，運行穩(wěn)定，演示現(xiàn)象直觀明顯。 本發(fā)明與已公開的現(xiàn)有技術(shù)具體例相比
I、上海廣育科教有限公司生產(chǎn)的模電、數(shù)電、自動控制原理實驗室成套設備，可以演示典型線性環(huán)節(jié)的模擬、二階系統(tǒng)的階躍響應、二階系統(tǒng)的頻率響應、線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性的研究、控制系統(tǒng)的校正、典型非線性特性、非線性控制系統(tǒng)特性分析等試驗項目，但是其結(jié)構(gòu)復雜、系統(tǒng)龐大、成本高，且沒有獨立的自動控制原理實驗設備，不適用于普通的課堂教學演示。2、杭州信雅達系統(tǒng)工程有限公司的發(fā)明專利以模擬電路實驗箱為主，缺少實際可供觀察的被控對象，仍舊不能使學生對控制系統(tǒng)產(chǎn)生直觀的認識，難以激發(fā)學生的積極主動性，對課堂教學效果的提高程度不明顯。另外，此裝置在實際使用時，需要在各個模塊中插入不同的元器件來配置相應的環(huán)節(jié)，應用于隨堂教學演示仍舊不夠便捷、直觀。3、孫大衛(wèi)、丁興俊等的《一種典型自動控制原理實驗教學設備研究》中闡述的實驗設備，以小車為觀察對象，用直流測速發(fā)電機為測量元件，通過電機輸出軸帶動直流發(fā)電機，將所得的電流測出再通過轉(zhuǎn)換得到實際的轉(zhuǎn)速。而本發(fā)明中以質(zhì)量可變的滑塊(在系統(tǒng)測試時可以調(diào)節(jié)滑塊質(zhì)量，以達到最佳狀態(tài))為觀察對象，另有標尺可以準確顯示觀察對象的位置變化過程，結(jié)合顯示軟件，可以在有限的演示空間內(nèi)更直觀準確的顯示系統(tǒng)的自動控制過程；另外，直接用與轉(zhuǎn)盤同軸的編碼器測出實際轉(zhuǎn)速脈沖且為數(shù)字量，數(shù)據(jù)測量和傳送更簡單。本發(fā)明將被控運動裝置、單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置、操作界面與顯示軟件集成為一整套系統(tǒng)，可方便地與多媒體教室內(nèi)電腦相連，用戶只需在操作界面上選擇端口、控制模式和輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)會自動完成相應的控制過程，并實時顯示數(shù)據(jù)和圖像，操作過程簡單便捷、演示過程直觀、細致、全面。另外，整個系統(tǒng)封裝在一個便攜式的手提箱中，無需專門的試驗室和其他輔助試驗設備，屬便攜式《自動控制原理》課堂教學演示模型，對于激發(fā)學生的積極主動性，提高課堂教學效果有重要意義。


圖I為本發(fā)明被控運動裝置結(jié)構(gòu)圖。圖2為圖I中轉(zhuǎn)盤部分的局部 放大圖。圖3為本發(fā)明單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置邏輯框圖。圖4系統(tǒng)原理框圖。圖5為操作界面與顯示軟件組成原理。圖6為實施例一中例舉的操作顯示界面。圖7系統(tǒng)控制框圖之閉環(huán)自動控制模式。圖8系統(tǒng)控制框圖之開環(huán)控制模式。圖9系統(tǒng)控制框圖之頻響測試模式。標記說明1支座，2殼體，3直流電機,4第一聯(lián)軸器,5第一齒輪，6第二齒輪， 7第二聯(lián)軸器，8反饋旋轉(zhuǎn)編碼器，9轉(zhuǎn)盤，10質(zhì)量塊(兩個)，11螺栓及螺母，12腰形槽，13 轉(zhuǎn)盤軸，14緊頂螺釘，15刻度直尺，16-懸掛繩索，17-標記物。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步介紹。本發(fā)明模型包括被控運動裝置、單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置、操作界面與顯示軟件三個部分。本教學模型設計了三種控制模式開環(huán)控制模式、閉環(huán)控制模式和頻響測試模式?？梢匝菔鞠到y(tǒng)的自動控制過程、分析系統(tǒng)的時間響應、頻率特性、誤差等，可對系統(tǒng)進行校正，使得系統(tǒng)達到穩(wěn)定性、快速性和準確性的要求。基本包含《自動控制原理》課本中所涉及的知識點。本模型整體封裝在一個便攜式的手提箱中。在進行課堂教學演示時，用戶先打開手提箱，將機械部分取出來放置在講臺上，使標尺顯示在易于學生觀察位置。如圖I、圖2所示，包括支座I及殼體2、被控運動裝置、反饋裝置和轉(zhuǎn)動慣量調(diào)節(jié)裝置。所述支座可穩(wěn)定置于演示臺面，支架上固定有殼體。所述被控運動裝置包括直流電機3、第一聯(lián)軸器4、第一齒輪5、轉(zhuǎn)盤軸13、轉(zhuǎn)盤9、刻度直尺15和標記物17，所述直流電機位于所述殼體壁外，直流電機輸出軸通過第一聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)盤軸連接，所述轉(zhuǎn)盤通過軸承安裝于殼體另一壁外，所述第一齒輪固定于轉(zhuǎn)盤軸上，所述轉(zhuǎn)盤也固定于轉(zhuǎn)盤軸上且轉(zhuǎn)盤與殼體壁之間保持一定間隙； 所述轉(zhuǎn)盤與殼體壁之間間隙處的轉(zhuǎn)盤軸上固定下垂一繩索16，繩索另一端懸掛固定一標記物，該標記物為一重量塊，由此轉(zhuǎn)盤軸的正轉(zhuǎn)使得繩索卷繞到轉(zhuǎn)軸上同時標記物上升，或者其反轉(zhuǎn)使得繩索在轉(zhuǎn)軸上退繞同時標記物下降；所述刻度直尺豎向置于所述轉(zhuǎn)盤與殼體壁之間間隙處，并與下垂的繩索豎直平行，刻度直尺可標記標記物的運動位移。所述反饋裝置包括旋轉(zhuǎn)編碼器8、第二聯(lián)軸器7、第二齒輪6、第二軸(圖中未示)，所述旋轉(zhuǎn)編碼器與所述直流電機同側(cè)也位于所述殼體壁外，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出軸通過第二聯(lián)軸器與第二軸連接，所述第二齒輪固定于第二軸上，所述第二齒輪和第一齒輪嚙合。所述轉(zhuǎn)動慣量調(diào)節(jié)裝置包括兩質(zhì)量塊，質(zhì)量塊開設通孔，所述轉(zhuǎn)盤上開設相互呈中心對稱的兩個腰形槽12，所述兩質(zhì)量塊通過螺栓及螺母11分別固定在轉(zhuǎn)盤的腰形槽內(nèi)，調(diào)節(jié)設置質(zhì)量塊在腰形槽內(nèi)不同位置以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。進一步優(yōu)化，所述轉(zhuǎn)盤設計呈分級臺階狀，包括圓盤本體和凸臺，兩者為一體結(jié)構(gòu)，在凸臺徑向開孔，通過螺栓擰入孔內(nèi)夾緊轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)盤軸之間的接觸，由此實現(xiàn)對轉(zhuǎn)盤在軸向的固定限位作用，使被控運動裝置運行更加穩(wěn)定。進一步優(yōu)化，所述刻度直尺其結(jié)構(gòu)設計帶有矩形凹槽，采用該矩形凹槽可視為標記物重量塊上升下降運動的導軌，防止標記物運動時水平晃動，使被控運動裝置運行更加穩(wěn)定。刻度直尺直接通過螺釘緊頂在殼體壁上，可實現(xiàn)刻度直尺與殼體之間拆卸式連接，方便快捷，充分利用了封裝箱體的空間。接著，用USB數(shù)據(jù)線將單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置與多媒體教室中的電腦相連， 再連好電源，打開多媒體教室的電腦(預先安裝有操作界面與顯示軟件模塊)，使操作界面顯示在投影幕上，在操作界面上啟動系統(tǒng)。多媒體教室的電腦通過USB在單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置之間進行雙向通信。上位機給下層傳遞控制指令和參數(shù)，下層給上層傳輸被控物體的位置信息，如圖4所示。如圖3所示的單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置邏輯框圖，主要包括單片機PIC16F877、 電源模塊、USB串行通信模塊 和PWM電機調(diào)速驅(qū)動模塊。所述電源模塊分別與單片機 PIC16F877、USB串行通信模塊中的FT245BM芯片、PWM電機調(diào)速驅(qū)動等模塊連接，從而將外接的直流電源轉(zhuǎn)換為不同的電壓幅值為各模塊提供所需電壓。所述單片機上的程序存儲器中寫入軟件模塊，反饋旋轉(zhuǎn)編碼器和指令旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B相引腳與單片機PIC16F877的 RAO RA3連接，單片機PIC16F877的PWM引腳與PWM電機調(diào)速驅(qū)動模塊的PWM引腳連接， FT245BM芯片的DO D7雙向數(shù)據(jù)總線引腳與單片機PIC16F877的RDO RD7連接，其讀寫控制線引腳分別于單片機PIC16F877相應的控制引腳相連接。上位機發(fā)出的控制指令通過USB串行通信模塊傳給單片機，單片機通過其軟件模塊運算出相應的PWM信號，控制PWM 電機調(diào)速驅(qū)動模塊，從而通過直流電機控制機械系統(tǒng)的運動；同時反饋用的旋轉(zhuǎn)編碼器實時采集直流電機實際轉(zhuǎn)速信息，單片機接收到旋轉(zhuǎn)編碼器傳來的脈沖信號通過軟件模塊運算處理得到機械系統(tǒng)的運動狀態(tài)信息并經(jīng)USB串行通信模塊傳給上位機，由上位機軟件顯
/Jn ο所述操作界面與顯示軟件模塊主要實現(xiàn)人機交互，用戶通過它可以實現(xiàn)對本教學模型的控制操作，同時能夠?qū)C械控制中的一些重要數(shù)據(jù)顯示在界面上，并能夠繪制相應的曲線使控制結(jié)果更直觀。所述操作界面與顯示軟件模塊包括用戶接口模塊(操作顯示界面)、處理模塊和通訊模塊，如圖5所示
用戶接口模塊即為操作與顯示界面，主要用于向用戶提供友好的圖形化界面，負責接收用戶輸入操作，將其轉(zhuǎn)化為后臺程序可以識別的信息，以完成相應的操作，另外，對用戶行為進行限定，防止用戶的誤操作導致系統(tǒng)崩潰。用戶可通過上位機界面指定不同的控制模式及控制參數(shù)，系統(tǒng)自動調(diào)用相應的處理模塊和通訊模塊后向單片機發(fā)送控制信息，控制機械裝置的運動；并接收單片機回傳數(shù)據(jù)，顯示輸入輸出數(shù)據(jù)、系統(tǒng)誤差、系統(tǒng)時間響應及頻率響應的圖形等信息。
處理模塊根據(jù)用戶接口模塊輸入的指令及數(shù)據(jù)，做出相應的運行處理，并將指令及處理后的數(shù)據(jù)提供給予通訊模塊；同時接受通訊模塊從下位單片機傳來的反饋數(shù)據(jù)，進行處理后返回給用戶接口模塊進行圖面展示。通訊模塊將處理模塊所得指令及數(shù)據(jù)，通過USB 口將數(shù)據(jù)傳入下位的單片機，并將單片機傳來的數(shù)據(jù)傳回給處理模塊。實施例一
如圖6所示，課堂演示時，用戶首先在操作界面上選擇端口和控制方式，其次再選擇控制模式，界面將自動跳轉(zhuǎn)至該模式下。以閉環(huán)控制模式為例說明，如圖5、圖7所示
用戶先在界面上輸入指令位移和初始PID參數(shù)，用戶接口模塊會調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊對其進行處理，處理模塊處理完數(shù)據(jù)后調(diào)用通訊模塊通過USB將數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機經(jīng)軟件模塊運算后輸出PWM調(diào)速信號控制電機轉(zhuǎn)速，電機通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)盤軸連接，驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸轉(zhuǎn)動，固定在此轉(zhuǎn)盤軸上的細線使得標志物在導軌內(nèi)上下運動。反饋編碼器通過第二齒輪與轉(zhuǎn)盤軸上的第一齒輪嚙合，可以實時監(jiān)測直流電機的實際轉(zhuǎn)速并傳給單片機，單片機內(nèi)的程序進行運算處理后得出被控物體的實際位置、速度、 電機轉(zhuǎn)速、電壓等信息，再經(jīng)USB傳輸給上位機，在界面上顯示。 在此過程中，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤上質(zhì)量塊的在轉(zhuǎn)盤上的徑向位置以改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。若調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量還不能使系統(tǒng)達到穩(wěn)、準、快的要求，則可以在界面上通過調(diào)整 PID參數(shù)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)，最終使系統(tǒng)達到穩(wěn)、準、快的性能要求。用戶可以在界面上選擇控制指令，用軟件畫出系統(tǒng)輸入和輸出的圖形。其他控制模式(如圖8、圖9)的操作與閉環(huán)控制模式類似，只是控制參數(shù)不同。學生可以一面觀察轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動、標記的實際位置移動，結(jié)合界面顯示的數(shù)據(jù)、軟件繪制的圖像以及老師的講解更加深對自動控制原理的認識和理解。實施例二
在演示中過程中，指令位置可以通過如實施例一操作界面輸入，也可通過本實施例指令編碼器輸入，如圖3所示。使用指令編碼器輸入可以使學生比較清楚的看到輸入和輸出的關(guān)系，特別是可以讓同學親自操作，加深印象。
權(quán)利要求
1.一種便攜式《自動控制原理》課堂教學演示模型，其特征在于，該模型包括被控運動裝置、單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置、操作界面與顯示軟件模塊三個部分，該模型整體封裝在一個便攜式的手提箱中，其中 所述被控運動裝置是整個教學模型的基礎(chǔ)部分，它包括支座及殼體、被控運動裝置、反饋裝置和轉(zhuǎn)動慣量調(diào)節(jié)裝置； 所述支座可穩(wěn)定置于演示臺面，支架上固定有殼體； 所述被控運動裝置包括直流電機、第一聯(lián)軸器、第一齒輪、轉(zhuǎn)盤軸、轉(zhuǎn)盤、刻度直尺和標記物，所述直流電機位于所述殼體壁外，直流電機輸出軸通過第一聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)盤軸連接，所述轉(zhuǎn)盤通過軸承安裝于殼體另一壁外，所述第一齒輪固定于轉(zhuǎn)盤軸上，所述轉(zhuǎn)盤也固定于轉(zhuǎn)盤軸上且轉(zhuǎn)盤與殼體壁之間保持一定間隙；所述轉(zhuǎn)盤與殼體壁之間間隙處的轉(zhuǎn)盤軸上固定下垂一繩索，繩索另一端懸掛固定一標記物，該標記物為一重量塊，所述刻度直尺豎向置于所述轉(zhuǎn)盤與殼體壁之間間隙處，并與下垂的繩索豎直平行； 所述反饋裝置包括旋轉(zhuǎn)編碼器、第二聯(lián)軸器、第二齒輪、第二軸，所述旋轉(zhuǎn)編碼器與所述直流電機同側(cè)也位于所述殼體壁外，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出軸通過第二聯(lián)軸器與第二軸連接，所述第二齒輪固定于第二軸上，所述第二齒輪和第一齒輪嚙合； 所述轉(zhuǎn)動慣量調(diào)節(jié)裝置包括兩質(zhì)量塊，質(zhì)量塊開設通孔，所述轉(zhuǎn)盤上開設相互呈中心對稱的兩個腰形槽，所述兩質(zhì)量塊通過螺栓螺母分別固定在轉(zhuǎn)盤的腰形槽內(nèi)，調(diào)節(jié)設置質(zhì)量塊在腰形槽內(nèi)不同位置以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量； 所述單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置包括單片機、電源模塊、USB串行通信模塊和PWM電機調(diào)速驅(qū)動模塊， 所述電源模塊分別與單片機、USB串行通信模塊、PWM電機調(diào)速驅(qū)動模塊連接，從而將外接的直流電源轉(zhuǎn)換為不同的電壓幅值為各模塊提供所需電壓， 所述單片機上的程序存儲器中寫入軟件模塊，反饋旋轉(zhuǎn)編碼器和指令旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B相引腳與單片機的RAO RA3連接，單片機的PWM引腳與PWM電機調(diào)速驅(qū)動模塊的PWM引腳連接，USB串行通信模塊與單片機連接， 上位機發(fā)出的控制指令通過USB串行通信模塊傳給單片機，單片機通過其軟件模塊運算出相應的PWM信號，控制PWM電機調(diào)速驅(qū)動模塊，從而通過直流電機控制機械系統(tǒng)的運動；同時反饋用的旋轉(zhuǎn)編碼器實時采集直流電機實際轉(zhuǎn)速信息，單片機接收到旋轉(zhuǎn)編碼器傳來的脈沖信號通過軟件模塊運算處理得到機械系統(tǒng)的運動狀態(tài)信息并經(jīng)USB串行通信模塊傳給上位機，由上位機軟件顯示； 所述的操作界面與顯示軟件模塊包括用戶接口模塊、處理模塊和通訊模塊， 所述用戶接口模塊即為操作與顯示界面，主要用于向用戶提供友好的圖形化界面，負責接收用戶輸入操作，將其轉(zhuǎn)化為后臺程序可以識別的信息，以完成相應的操作；用戶可通過上位機界面指定不同的控制模式及控制參數(shù)，系統(tǒng)自動調(diào)用相應的處理模塊和通訊模塊后向單片機發(fā)送控制信息，控制機械裝置的運動；并接收單片機回傳數(shù)據(jù)，顯示輸入輸出數(shù)據(jù)、系統(tǒng)誤差、系統(tǒng)時間響應及頻率響應的圖形信息； 所述處理模塊根據(jù)用戶接口模塊輸入的指令及數(shù)據(jù)，做出相應的運行處理，并將指令及處理后的數(shù)據(jù)提供給予通訊模塊；同時接受通訊模塊從下位單片機傳來的反饋數(shù)據(jù)，進行處理后返回給用戶接口模塊進行圖面展示；所述通訊模塊將處理模塊所得指令及數(shù)據(jù)，通過USB 口將數(shù)據(jù)傳入下位的單片機，并將單片機傳來的數(shù)據(jù)傳回給處理模塊。
2.如權(quán)利要求I所述的便攜式《自動控制原理》課堂教學演示模型，其特征在于，所述轉(zhuǎn)盤設計呈分級臺階狀，包括圓盤本體和凸臺，兩者為一體結(jié)構(gòu)，在凸臺徑向開孔，通過螺栓擰入孔內(nèi)加緊轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)盤軸之間的接觸，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)盤在軸向的固定限位。
3.如權(quán)利要求I所述的便攜式《自動控制原理》課堂教學演示模型，其特征在于，所述刻度直尺其結(jié)構(gòu)設計帶有矩形凹槽，采用該矩形凹槽可視為標記物重量塊上升下降運動的導軌，防止標記物運動時水平晃動。
4.如權(quán)利要求I所述的便攜式《自動控制原理》課堂教學演示模型，其特征在于，所述質(zhì)量塊備有成對的尺寸完全相同但密度不同的質(zhì)量塊。
全文摘要
本發(fā)明便攜式《自動控制原理》課堂教學演示模型，設計了三種控制模式開環(huán)控制模式、閉環(huán)控制模式和頻響測試模式，可以演示系統(tǒng)的自動控制過程、分析系統(tǒng)的時間響應、頻率特性、誤差等。該模型包括被控運動裝置、單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置、操作界面與顯示模塊三個部分。被控運動裝置是基礎(chǔ)部分；單片機數(shù)據(jù)采集與控制裝置包括單片機、電源模塊、PWM調(diào)速模塊、USB芯片及接口等。用戶可通過上位機界面指定不同的控制模式及控制參數(shù)，自動調(diào)用相應的處理模塊和通訊模塊后向單片機發(fā)控制信息，控制機械裝置的運動。本發(fā)明便攜集成度高、成本低，計算機界面直觀易學易用、操作安全方便，運行穩(wěn)定，演示現(xiàn)象直觀明顯。
文檔編號G09B25/02GK102708749SQ201210133840
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者周奇才, 熊肖磊, 王立, 郭牧南, 陶元 申請人:同濟大學