自动控制原理实验设备

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109036041A(43)申请公布日2018.12.18(21)申请号201810910278.0(22)申请日2018.08.10(71)申请人上海理工大学地址200093上海市杨浦区军工路516号(72)发明人金爱娟　唐新雯　文强　李少龙　(74)专利代理机构上海德昭知识产权代理有限公司31204代理人郁旦蓉(51)Int.Cl.G09B23/18(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图5页(54)发明名称自动控制原理实验设备(57)摘要本发明目的在于提供一种自动控制原理实验设备。该自动控制原理实验设备中的各元件参数不受限制。学生可以在自己方便的时候进行实验，学生动手能力将快速提升，对理论知识的理解也更加深刻，同时也掌握了理论的实际实现。本发明提供的自动控制原理实验设备，用于让学生对模拟电路完成自动控制原理实验，具有这样的特征，包括：实验模块，用于让学生对模拟电路进行实验；以及监控模块，用于让学生对模拟电路进行监控学习；其中，监控模块包括画面存储部、输入显示部、参数存储部、参数指令生成部以及通信部。CN109036041ACN109036041A权　利　要　求　书1/2页1.一种自动控制原理实验设备，用于让学生对模拟电路完成自动控制原理实验，其特征在于，包括：实验模块，用于让所述学生对所述模拟电路进行实验；以及监控模块，用于让所述学生对所述模拟电路进行监控学习；其中，所述监控模块包括画面存储部、输入显示部、参数存储部、参数指令生成部以及通信部，所述画面存储部用于存储参数设定画面、实验设定画面以及实验数据显示画面，所述输入显示部显示所述参数设定画面让所述学生输入信号源的类型、幅值以及频率，进一步显示所述实验设定画面让所述学生输入与所述元器件的检测相关的实验设定参数，所述参数存储部将所述信号源的所述类型、所述幅值、所述频率以及所述实验设定参数进行存储，所述参数指令生成部根据所述信号源的所述类型、所述幅值、所述频率以及所述实验设定参数生成进行测量的所述参数指令，所述通信部将所述参数指令发送给所述实验模块，并接收所述实验模块发送来的所述反馈信号，所述输入显示部在所述实验数据显示画面显示所述反馈信号让所述学生对所述模拟电路的运行进行。2.根据权利要求1所述的自动控制原理实验设备，其特征在于：其中，所述监控模块还包括连接信号生成部以及判断部，所述画面存储部还存储连接确定画面，所述输入显示部显示所述连接确定画面让所述学生确认所述监控模块是否与所述实验模块连接，所述连接信号生成部生成连接验证信号，所述通信部将所述连接验证信号发送给所述实验模块，并接收所述实验模块发送来的连接确认信号，所述判断部根据所述连接确认信号判断所述监控模块是否与所述实验模块连接，当判断为是时，所述参数指令生成部生成所述参数指令。3.根据权利要求1所述的自动控制原理实验设备，其特征在于：其中，所述实验模块包括：电路板；模拟单元，具有多个电子元件，电连接设置在所述电路板上，让所述学生连接所述模拟电路构成完整的实验电路；信号传输端，电连接设置在所述电路板上，用于接收所述监控模块发送来的参数指令，并将所述实验电路根据所述参数指令运行后得到的输入波形数据以及输出波形数据作为反馈信号输出给所述监控模块；控制器，将所述参数指令转换为模拟信号，根据所述模拟信号让所述模拟电路运行，生成所述输入波形数据以及所述输出波形数据；信号校正单元，对所述输入波形数据以及所述输出波形数据进行校正；2CN109036041A权　利　要　求　书2/2页运放单元，设置至少一个运放芯片，让所述学生完成所述模拟电路的连接或者扩展所述模拟电路；以及电源单元，用于向所述电路板提供电力。4.根据权利要求3所述的自动控制原理实验设备，其特征在于：其中，所述控制器具有可编程、生成信号、检测信号和通信的功能。5.根据权利要求3所述的自动控制原理实验设备，其特征在于：其中，所述模拟单元具有至少5个100K电阻、至少5个10K电阻、至少5个20K电阻、至少5个200K电阻、至少5个0.01uF电容、至少5个0.1uF电容、至少5个1uF电容、至少5个10uF电容、至少2个10K变阻器、至少2个50K变阻器、至少2个100K变阻器、至少2个500K变阻器和至少1个开关。6.根据权利要求3所述的自动控制原理实验设备，其特征在于：其中，所述信号校正单元具有至少四块运放芯片和至少两块线性光耦芯片。7.根据权利要求3所述的自动控制原理实验设备，其特征在于：其中，所述电源模块具有15V、5V以及-15V电压转换芯片，为电路板的各个电子元件提供15V、-15V或者5V电力。3CN109036041A说　明　书1/5页自动控制原理实验设备技术领域[0001]本发明具体涉及一种用于自动控制原理实验的自动控制原理实验设备。背景技术[0002]《自动控制原理》实验系统的研发项目是在自动控制原理实验的基础上开发了一种实验仪器和实验方法，可以广泛地应用于高等院校的控制类专业、机械专业、测量控制专业、仪器仪表专业的《自动控制原理》、《信号与系统》、《控制工程》等课程教学实验。[0003]在现有的自动控制实验箱设备上，由于学生概念不清晰，缺乏对仪器的认识，自控实验时，接错线导致短路的问时有发生，仪器损坏率高，而仪器损坏后不能得到及时修理，修理成本也高，学生目前没有一台可进行实验的设备。并且，实验装置只能留在实验室中，给学生在完成实验之余还能做其他扩展实验的机会并不多。发明[0004]本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种自动控制原理实验设备。该自动控制原理实验设备中的各元件参数不受限制。学生可以在自己方便的时候进行实验，学生动手能力将快速提升，对理论知识的理解也更加深刻，同时也掌握了理论的实际实现方法。[0005]本发明提供了一种自动控制原理实验设备，用于让学生对模拟电路完成自动控制原理实验，具有这样的特征，包括：实验模块，用于让学生对模拟电路进行实验；以及监控模块，用于让学生对模拟电路进行监控学习；其中，监控模块包括画面存储部、输入显示部、参数存储部、参数指令生成部以及通信部，画面存储部用于存储参数设定画面、实验设定画面以及实验数据显示画面，输入显示部显示参数设定画面让学生输入信号源的类型、幅值以及频率，进一步显示实验设定画面让学生输入与元器件的检测相关的实验设定参数，参数存储部将信号源的类型、幅值、频率以及实验设定参数进行存储，参数指令生成部根据信号源的类型、幅值、频率以及实验设定参数生成参数指令，通信部将参数指令发送给实验模块，并接收实验模块发送来的反馈信号，输入显示部在实验数据显示画面显示反馈信号让学生对模拟电路的运行进行记录。[0006]在本发明提供的自动控制原理实验设备中，还可以具有这样的特征：其中，监控模块还包括连接信号生成部以及判断部，画面存储部还存储连接确定画面，输入显示部显示连接确定画面让学生确认监控模块是否与实验模块连接，连接信号生成部生成连接验证信号，通信部将连接验证信号发送给实验模块，并接收实验模块发送来的连接确认信号，判断部根据连接确认信号判断监控模块是否与实验模块连接，当判断为是时，参数指令生成部生成参数指令。[0007]在本发明提供的自动控制原理实验设备中，还可以具有这样的特征：其中，实验模块包括：电路板；模拟单元，具有多个电子元件，电连接设置在电路板上，让学生连接模拟电路构成完整的实验电路；信号传输端，电连接设置在电路板上，用于接收监控模块发送来的4CN109036041A说　明　书2/5页参数指令，并将实验电路根据参数指令运行后得到的输入波形数据以及输出波形数据作为反馈信号输出给监控模块；控制器，将参数指令转换为模拟信号，根据模拟信号让模拟电路运行，生成输入波形数据以及输出波形数据；信号校正单元，对输入波形数据以及输出波形数据进行校正；运放单元，设置至少一个运放芯片，让学生完成模拟电路的连接或者扩展模拟电路；以及电源单元，用于向电路板提供电力。[0008]在本发明提供的自动控制原理实验设备中，还可以具有这样的特征：其中，控制器具有可编程、生成信号、检测信号和通信的功能。[0009]在本发明提供的自动控制原理实验设备中，还可以具有这样的特征：其中，模拟单元具有至少5个100K电阻、至少5个10K电阻、至少5个20K电阻、至少5个200K电阻、至少5个0.01uF电容、至少5个0.1uF电容、至少5个1uF电容、至少5个10uF电容、至少2个10K变阻器、至少2个50K变阻器、至少2个100K变阻器、至少2个500K变阻器和至少1个开关。[0010]在本发明提供的自动控制原理实验设备中，还可以具有这样的特征：其中，信号校正单元具有至少四块运放芯片和至少两块线性光耦芯片。[0011]在本发明提供的自动控制原理实验设备中，还可以具有这样的特征：其中，电源模块具有+15V、5V以及-15V电压转换芯片，为电路板的各个电子元件提供15V、-15V或者5V电力。[0012]发明的作用与效果[0013]根据本发明所涉及的自动控制原理实验设备，因为自动控制原理实验设备具有实验模块以及监控模块，实验模块用于让学生对模拟电路进行实验；监控模块用于让学生对模拟电路进行监控学习；其中，监控模块包括画面存储部、输入显示部、参数存储部、参数指令生成部以及通信部，所以，本发明的自动控制原理实验设备中的各元件参数不受限制。学生可以在自己方便的时候进行实验，学生动手能力将快速提升，对理论知识的理解也更加深刻，同时也掌握了理论的实际实现方法。附图说明[0014]图1是本发明的实施例中自动控制原理实验设备的结构框图；[0015]图2是本发明的实施例中电路板的线路设置图；[0016]图3是本发明的实施例中监控模块的结构框图；[0017]图4是本发明的实施例中监控模块的流程图；以及[0018]图5是本发明的实施例中自动控制原理实验设备的流程图。具体实施方式[0019]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明自动控制原理实验设备作具体阐述。[0020]图1是本发明的实施例中自动控制原理实验设备的结构框图。[0021]如图1所示，本实施例的自动控制原理实验设备100包括实验模块10、监控模块20以及连接二者的通信网络30。[0022]实验模块10包括电路板11、模拟单元12、信号传输端13、控制器14、信号校正单元15、运放单元16以及电源单元17。5CN109036041A说　明　书3/5页[0023]电路板11排布有电路线。[0024]图2是本发明的实施例中电路板的线路设置图。[0025]如图2所示，电路板11被分为多个区域。区域111为模拟单元设置区域，区域112和113为信号传输设置区域(区域112为信号输入处，区域113为信号输出处)，区域114为信号校正单元安装区域，区域115为运放单元安装区域，区域116和11为控制器安装区域，区域118为电源模块设置区域。[0026]模拟单元12具有多个电子元件，电连接设置在电路板上，让学生连接模拟电路构成完整的实验电路。模拟单元12具有10个100K电阻、5个10K电阻、5个20K电阻、5个200K电阻、5个0.01uF电容、5个0.1uF电容、5个1uF电容、5个10uF电容、2个10K变阻器、2个50K变阻器、2个100K变阻器、2个500K变阻器和一个开关。模拟单元12可以连接由比例环节、积分环节、惯性环节和微分环节中的至少一个环节构成的模拟电路。[0027]信号传输端13电连接设置在电路板上，用于接收监控模块发送来的参数指令，并将实验电路根据参数指令运行后得到的输入波形数据以及输出波形数据作为反馈信号输出给监控模块。[0028]控制器14根据参数指令生成实验数字信号，发送到控制器中的信号校正模块生成模拟信号，根据模拟信号让模拟电路运行，生成输入波形数据以及输出波形数据。在本实例中，控制器为Arduino控制器，Arduino控制器用于和监控模块20(PC机的LabVIEW上位机)模块串口通信传送和接收数据、用于各种信号源的存储和发生和检测自控原理实验系统的输入输出。Arduino控制器具有A/D模块。为了实现维修简单、替换方便，Arduino控制器可以替换为其他控制器。控制器具备信号生成、与监控软件通信、信号检测等功能。[0029]信号校正单元15对输入波形数据以及输出波形数据进行校正，实现自动控制原理系统的输入输出信号的电压幅值的增大、减小校正和信号使能。[0030]信号校正单元15具有四块HA17358运放芯片和两块线性光耦芯片PC817。由控制器14发出的信号通过10位转换器TL5615芯片转换成模拟信号，并且通过两块HA17358运放芯片和线性光耦芯片PC817对控制器输出信号和输入信号进行幅值的放大缩小校正。两块运放芯片和电阻构成反相和减法电路以及光耦芯片组成的使能电路位于自动控制原理实验设备输入前，另外两块运放芯片和电阻构成反相和加法电路以及光耦芯片组成的使能电路位于自动控制原理实验设备输出后。[0031]因为Arduino控制器的模拟输入口只能检测5V以内的电压，输出也只能是5V以内电压。实验系统输入输出信号经过信号校正单元15之后，系统的信号输入出范围可以扩大，不再受Arduino控制器的模拟输入输出口5V电压限制。[0032]运放单元16设置至少一个运放芯片，让学生完成模拟电路的连接或者扩展模拟电路。在本实施例中，运放单元具有4块HA17358运放芯片共8个运放以及与8个运放相对应的4个按钮8个开关。一个开关连接在一个运放的输入端和输出端，功能是给连接在这个运放输入输出端的电容放电。[0033]电源单元17用于向电路板提供电力。电源模块17具有L7815稳压芯片、L7805稳压芯片以及LT1054芯片，为电路板的各个电子元件提供15V、-15V或者5V电力。[0034]图3是本发明的实施例中监控模块的结构框图。[0035]如图3所示，监控模块20为具有LabVIEW上位机的PC机，监控模块20包括画面存储6CN109036041A说　明　书4/5页部21、输入显示部22、参数存储部23、参数指令生成部24、通信部25、连接信号生成部26、判断部27以及控制上述各部的控制部28。[0036]画面存储部21用于存储参数设定画面、实验设定画面、实验数据显示画面以及连接确定画面。[0037]输入显示部22显示参数设定画面让学生输入信号源的类型、幅值以及频率，进一步显示实验设定画面让学生输入与元器件的检测相关的实验设定参数；输入显示部22显示连接确定画面让学生确认监控模块是否与实验模块连接；输入显示部22在实验数据显示画面显示反馈信号让学生对模拟电路的运行进行记录。[0038]参数存储部23将信号源的类型、幅值、频率以及实验设定参数进行存储。[0039]参数指令生成部24根据信号源的类型、幅值、频率以及实验设定参数生成参数指令。[0040]通信部25将参数指令发送给实验模块，并接收实验模块发送来的反馈信号；通信部25将连接验证信号发送给实验模块，并接收实验模块发送来的连接确认信号。[0041]连接信号生成部26生成连接验证信号。[0042]判断部27根据连接确认信号判断监控模块是否与实验模块连接。当判断为是时，即代表监控模块和实验模块的控制器连接成功，控制器里面的信号生成部根据监控模块中发送过来的参数生成实验信号，并输出到实验模块的信号校正单元，再输出到实验电路，即电路板、模拟单元和运放单元等。[0043]控制部28存储有控制画面存储部21、输入显示部22、参数存储部23、参数指令生成部24、通信部25、连接信号生成部26以及判断部27运行的计算机程序。[0044]图4是本发明的实施例中监控模块的流程图。[0045]如图4所示，本实施例的监控模块的流程图如下：[0046]步骤S0，按照实验电路在自动控制实验板上连接好电路之后，用USB连线将自动控制原理实验板和电脑连线；并启动计算机，在桌面双击图标[自动控制实验系统]运行软件，然后进入步骤S1。[0047]步骤S1，输入显示部22显示连接确定画面让学生确认监控模块20是否与实验模块10连接，然后进入步骤S2。[0048]步骤S2，一旦学生确认，连接信号生成部26就生成连接验证信号，然后进入步骤S3。[0049]步骤S3，通信部25将连接验证信号发送给实验模块10，并接收实验模块10发送来的连接确认信号，然后进入步骤S4。[0050]步骤S4，判断部27根据连接确认信号判断监控模块20是否与实验模块10连接，当判断为是时，进入步骤S5；当判断为否时，进入步骤S1。[0051]步骤S5，输入显示部22显示参数设定画面让学生输入信号源的类型、幅值以及频率，然后进入步骤S6。[0052]步骤S6，输入显示部22显示实验设定画面让学生输入与元器件的检测相关的实验设定参数，然后进入步骤S7。[0053]步骤S7，参数存储部23将信号源的类型、幅值、频率以及实验设定参数进行存储，然后进入步骤S8。7CN109036041A说　明　书5/5页[0054]步骤S8，参数指令生成部24根据信号源的类型、幅值、频率以及实验设定参数生成参数指令，然后进入步骤S9。[0055]步骤S9，通信部25将参数指令发送给实验模块10，并接收实验模块10发送来的反馈信号，然后进入步骤S10。[0056]步骤S10，输入显示部22在实验数据显示画面显示反馈信号让学生对模拟电路的运行进行记录，然后进入结束状态。[0057]在实验之前，学生可以从LABVIEW官网中下载LABVIEW空间VISA安装文件，并将Arduino程序下载安装到Arduino控制器上。然后只要安装上位机显示界面程序和Arduino控制器与LABVIEW串口通信控件VISA即可。[0058]图5是本发明的实施例中自动控制原理实验设备的流程图。[0059]图5所示为自动控制原理实验设备的详细流程图。当学生确认监控模块20与实验模块10连接后，Arduino控制器和监控终端20(LabVIEW上位机)分别运行并相互进行数据传输。[0060]实施例的作用与效果[0061]根据实施例所涉及的自动控制原理实验设备，因为自动控制原理实验设备具有实验模块以及监控模块，实验模块用于让学生对模拟电路进行实验；监控模块用于让学生对模拟电路进行监控学习；其中，监控模块包括画面存储部、输入显示部、参数存储部、参数指令生成部以及通信部，所以，本实施例的自动控制原理实验设备中的各元件参数不受限制。学生可以在自己方便的时候进行实验，学生动手能力将快速提升，对理论知识的理解也更加深刻，同时也掌握了理论的实际实现方法。[0062]不仅如此，本实施例所涉及的自动控制原理实验设备中的实验模块体积小(不大于15cm×10cm)，携带方便，能够随时随地供学生进行实验，不仅仅局限于实验室。而且监控模块实质上是一个具有上位机编程软件LABVIEW编写的上位机监控软件的计算机构成。而上位机监控软件本身就为一个安装包，可以在任意一台PC机进行安装，即使这台PC本身没有安装LABVIEW软件，也能迅速安装进而运行监控界面。[0063]上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。8CN109036041A说　明　书　附　图1/5页图19CN109036041A说　明　书　附　图2/5页图210CN109036041A说　明　书　附　图3/5页图311CN109036041A说　明　书　附　图4/5页图412CN109036041A说　明　书　附　图5/5页图513