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 于线性系统状态空间分析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信号输入端、一信号输出端、第 一至第三运算放大器、第一至第七电阻、第一、第二电容及一反相器，所述第一电阻连接在 所述信号输入端与所述第一运算放大器的反相输入端之间，所述第一运算放大器的反相输入端连接一接线柱，所述第二电阻连接在所述第一运算放大器的反相输入端与输出端之 间，所述第三电阻连接在第一所述运算放大器的输出端和第二运算放大器的反相输入端之 间，所述第一电容连接在所述第二运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述第四电阻 连接在所述第二运算放大器的输出端和第三运算放大器的反相输入端之间，所述第二运算 放大器的输出端还连接一接线柱，所述第五电阻和第二电容并联连接在所述第三运算放大 器的反相输入端和输出端之间，所述第一至第三运算放大器的输出端均接地，所述反相器 的输入端连接至所述第三运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的输出端、反相器的 输入、输出端、第六电阻的两端、第七电阻的两端分别连接一接线柱，所述反相器的输出端 作为所述模拟电路的信号输出端。根据本实用新型的技术构思，所述单独元器件中的两个分别作为所述第六、第七 电阻。本实用新型的有益效果为本实用新型预先将线性系统状态空间分析实验内容的 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为本实用新型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为极点配置前线性系统的电路图。图6为极点配置前线性系统的阶跃响应曲线。图7为极点配置后线性系统的电路图。图8为极点配置后线性系统的阶跃响应曲线。
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线性系统状态空间分析实验内容设计的。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OT 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 Interconnect，外围设备连接)插槽19图， 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，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200ΚΩ、18. 3ΚΩ、33. 9ΚΩ的电阻，各所述单独元器件的两端均连接有接线柱12。所述模拟电路是“线性系统的状态空间分析”的实验电路，所述模拟电路包括一阶 跃信号输入端r (t)、一测量信号输出端C(t)、三个运算放大器U1-U3、电阻R1-R7、电容Cl、 C2及一反相器I，所述电阻Rl连接在所述阶跃信号输入端r(t)与所述运算放大器Ul的反 相输入端之间，所述运算放大器Ul的反相输入端连接一接线柱12，所述电阻R2连接在所述 运算放大器Ul的反相输入端与输出端之间，所述电阻R3连接在所述运算放大器Ul的输出 端和运算放大器U2的反相输入端之间，所述电容Cl连接在所述运算放大器U2的反相输入 端和输出端之间，所述电阻R4连接在所述运算放大器U2的输出端和运算放大器U3的反相 输入端之间，所述运算放大器U2的输出端之间还连接一接线柱12，所述电阻R5和电容C2 并联连接在所述运算放大器U3的反相输入端和输出端之间，所述反相器I的输入端连接至 所述运算放大器U3的输出端，所述运算放大器U3的输出端、反相器I的输入、输出端、电阻 R6的两端、电阻R7的两端分别连接一接线柱12。所述反相器I的输出端作为所述测量信 号输出端C (t)，所述运算放大器U1-U3的正相输入端均接地，所述电阻R6或R7为所述单独 元器件中的电阻。请继续参考图5及图6，当要观察极点配置前线性系统阶跃响应曲线时，所述电阻 R6的一端与所述电阻Rl和运算放大器Ul之间的连接节点通过对应的接线柱12相连，所述 电阻R6的另一端与所述反相器I的输入端相连，电阻Rl的阻值取200ΚΩ，构成如图5所示 的电路，将所述阶跃信号输出端15与所述模拟电路的阶跃信号输入端r(t)相连，以为所述 模拟电路提供阶跃信号，所述测量信号输出端C(t)与所述自动控制原理实验模块1的信号 输入端16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5V，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、运行方式等信号采集参数后便可运行对所述
5自动控制原理实验模块1的输入、输出信号(即所述阶跃信号输入端r(t)的阶跃信号和测 量信号输出端C(t)的测量信号)的仿真，通过所述计算机3显示的阶跃响应曲线，此时，所 述计算机3所显示的阶跃响应曲线如图6所示，根据该曲线测量得到系统的超调量Mp、峰值 时间Tp等性能指标，根据图6可得系统的峰值时间Tp为3至4秒。请继续参考图7及图8，当需要使系统的超调量Mp不大于5%、峰值时间Tp不大于 0. 5秒时，要为线性系统配置极点，当要观察极点配置后线性系统阶跃响应曲线时，再将所 述电阻R6连接在所述运算放大器Ul的反相输入端和反相器I的输入端之间，将所述电阻 R7连接在所述运算放大器Ul的反相输入端和运算放大器U2的输出端之间，通过计算得到 电阻R6、R7的精确阻值，则选择所述单独元器件中阻值与计算结果相符的电阻分别作为所 述电阻R6、R7，构成如图7所示的电路，本实施方式中，所述电阻R6为所述单独元器件中阻 值为18.3ΚΩ的电阻，所述电阻R7为所述单独元器件中阻值为33. 9ΚΩ的电阻，将所述阶 跃信号输出端15与所述模拟电路的阶跃信号输入端r(t)相连，所述测量信号输出端C(t) 与所述自动控制原理实验模块1的信号输入端16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5V，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、运 行方式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、输出信号的仿 真，通过所述计算机3显示的阶跃响应曲线，此时，所述计算机3所显示的阶跃响应曲线如 图8所示，根据该曲线测量得到系统的超调量Mp为5%，峰值时间Tp为0. 4秒，远小于未配 置极点时系统的峰值时间。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试验平台，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线性系统状态空间分析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 模块的上表面绘制有所述模拟电路的电路原理图。
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 模块的上表面蚀刻有所述模拟电路的电路原理图。
4.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 模块的上表面粘贴有所述模拟电路的电路原理图。
5.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。
6.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。
7.如权利要求6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信 号输入端、一信号输出端、第一至第三运算放大器、第一至第七电阻、第一、第二电容及一反 相器，所述第一电阻连接在所述信号输入端与所述第一运算放大器的反相输入端之间，所 述第一运算放大器的反相输入端连接一接线柱，所述第二电阻连接在所述第一运算放大器 的反相输入端与输出端之间，所述第三电阻连接在第一所述运算放大器的输出端和第二运 算放大器的反相输入端之间，所述第一电容连接在所述第二运算放大器的反相输入端和输 出端之间，所述第四电阻连接在所述第二运算放大器的输出端和第三运算放大器的反相输 入端之间，所述第二运算放大器的输出端还连接一接线柱，所述第五电阻和第二电容并联 连接在所述第三运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述第一至第三运算放大器的输 出端均接地，所述反相器的输入端连接至所述第三运算放大器的输出端，所述第三运算放 大器的输出端、反相器的输入、输出端、第六电阻的两端、第七电阻的两端分别连接一接线 柱，所述反相器的输出端作为所述模拟电路的信号输出端。
8.如权利要求7所述的自动控制原理实验模块，其特征在于所述单独元器件中的两 个分别作为所述第六、第七电阻。
专利摘要一种自动控制原理实验模块，包括一基于线性系统状态空间分析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G09B23/18GK201765732SQ20102029346
公开日2011年3月16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