一种灵巧型便携自动控制原理教学实验系统

1.本发明涉及一种灵巧型便携自动控制原理教学实验系统，属于教学实验仪器领域。
技术背景
2.控制类课程是我国高校工科类专业的基础课程，而实验作为一种理论与实践相结合的教学方式，能够快速巩固学生对知识的理解。因此，有必要面向《自动控制原理》、《现代控制理论》、《数字控制系统》、《系统辨识》等控制类课程设计一种功能完备的教学实验系统。
3.目前国内高校自动控制相关课程配备的同类实验仪器普遍存在以下不足：1.体积庞大且笨重，需要安装在固定实验室中，不便于教师随堂携带与学生课外自学。2.功能较为单一，缺乏多功能性，只能应用于某一课程的某一项实验，加大了实验支出。3.仪器整体复杂且缺乏灵活性，使用期间容易因为各种元件损坏或老化导致整个仪器发生故障，故障不易排查且维修周期长，影响教学正常进行。4.实验仪器的直观度有限，控制对象固定且无法更换，仪器的内容丰富度亟需拓展。
4.公开号为cn101017623a的专利公开了一种基于labview的自动控制原理实验仪器，其由模拟实验箱、ad/da转换模块和pc机组成，其中ad/da转换模块与pc机间采用串口通信。该仪器能实现典型环节的电路搭建，经信号转换后传输至上位机进行实验处理。该仪器采用串口通讯，信号传输较慢，效率较低。此外，该仪器功能较为单一，仅能进行电路模拟实验，较为抽象，缺少更直观的控制对象。
5.授权公告号为cn102708749b的专利公开了一种便携式课堂教学演示模型。该仪器由被控对象、单片机、操作界面与显示模块组成，能实现直流电机的开环控制、闭环控制与频响测试。但该仪器的控制对象为迷你带齿直流电机，质量过轻、转动惯量较小，控制环境过为理想，学生缺乏对实际控制问题的认识。且控制对象单一，不具拓展性，仪器在课程中使用时间较短。
6.针对上述同类实验仪器存在的缺陷，目前仍缺少一种兼具便携性与功能性的自动控制原理教学实验仪器。


技术实现要素：

7.本发明提出了一种轻巧便携、功能全面、维护方便、拓展性强的自动控制原理教学实验系统。能够不局限于实验室，随时随地进行控制类实验，巩固课堂教学效果，培养学生钻研兴趣。
8.为实现上述优势，本发明提供的技术方案如下：
9.所述的一种灵巧型便携自动控制原理教学实验系统，包括信号处理模块、电机驱动模块、模拟机模块、电机台架、二自由度空间姿态模拟台、pc机和控制面板。
10.所述的信号处理模块由cpu、ad/da接口、ad/da转换器、电机控制接口、电源、以太
网接口组成。其中：以太网接口连接网线至pc上位机；电机控制引脚连接可插拔式接线端子至电机驱动模块；ad/da接口连接可插拔式接线端子至模拟机模块，同时转换为航空插头连接至二自由度空间姿态模拟台。在自动控制实验中，所述信号处理模块接收来自pc上位机发送的虚拟信号，经ad/da转换器转换为模拟信号并传输至模拟机模块，模拟机模块输出的信号再交回信号处理模块的ad/da转换器转换为数字信号，最后通过网线送回pc机。在二自由度姿态模拟实验中，所述信号处理模块接收pc上位机发送的转速指令信号，经ad/da转换器转换为模拟信号，调理后发送至二自由度空间姿态模拟台；同时信号处理模块接收二自由度空间姿态模拟台中传感器测量信号，经ad/da转换器转换为数字信号，通过网线传输回pc上位机。
11.所述的电机驱动模块由cpu、led显示接口、电机控制接口、电机信号接口、电源、以太网接口组成。其中：以太网接口连接网线至上位机；电机控制接口连接可插拔式接线端子至信号处理模块与模拟机模块；电机信号接口连接航空插头至电机台架；led显示接口连接至控制面板的led显示屏。在电机控制实验中，所述电机驱动模块接收pc上位机发送的转速、位置指令，将传输至信号处理模块，经信号处理模块的da转换后返回电机驱动模块，电机驱动模块经信号调理后通过航空插头发送至电机台架。同时，电机驱动模块接收来自电机台架的传感器测量信号，送至信号处理模块的ad转换后返回电机驱动模块，将控制指令与测量参数经led显示接口发送至led显示屏，并将测量参数通过以太网返回至pc上位机。
12.所述的模拟机模块由接线面板、电源、电机控制接口、ad/da接口组成。其中接线面板由各种型号的固定电阻、电位器、电容与运放组成，各元件端脚留出插孔。使用者可以通过自由连接模拟机模块中的电子元件，实现各种典型环节的搭建。
13.所述的电机台架由金属带齿轮盘、光栅编码器、伺服电机、测速电机和磁感探头组成，可用于进行转速、位置的控制实验。所述电机台架与电机驱动模块经航空插头连接，进行伺服电机供电、指令接收与测量信号发送。
14.所述的二自由度空间姿态模拟台由两个直流电机模拟的旋翼、支撑架、信号接口、驱动电路板和加速度传感器组成，可用于进行俯仰角与滚转角的控制实验。所述二自由度空间姿态模拟台与信号接口模块经8芯gx16航空插头连接，进行直流电机供电、指令接收与测量信号发送。
15.所述的控制面板由箱体、电源开关、led显示屏、电位旋钮、拨动开关组成。其中电源开关连接至模拟机模块、电机驱动模块与信号处理模块，控制实验系统总电源的通断。led显示屏连接至电机驱动板的led显示接口，能够在面板上直观显示电机当前状态参数。拨动开关用于切换电机台架的手动控制与上位机控制模式。电位旋钮用于实现手动模式下的开环转速指令给定。
16.相比于市面上现有的自动控制教学实验系统，本发明具备的优势是：
17.(1)本发明将多个模块集成至手提箱中，轻便易携带，不局限于实验室，学生能够随时随地开展控制实验。
18.(2)本发明能进行时域特性分析、频域特性分析、线性系统校正、电机控制、二自由度空间姿态控制等实验，功能全面，能满足大多数控制类实验要求。
19.(3)本发明基于模块化理念，各模块间紧密联系而又相互独立，易于故障维修与更换，极大增强了试验系统的可维护性。
20.(4)本发明提出的自动控制教学实验系统采用通用信号接口，除电机台架与二自由度空间姿态模拟台外，用户可自由更换或增加控制对象，增强了实验的丰富度，帮助学生多方位掌握课程知识。
附图说明
21.图1为本发明的总体结构框图。
22.图2为本发明的连接示图。
23.图3为本发明中典型环节的模拟和特性测试实验操作界面
24.图4为本发明中频率特性测试实验操作界面
25.图5为本发明中线性系统校正实验操作界面
26.图6为本发明中电机控制实验操作界面
27.图7为本发明中二自由度空间姿态控制实验操作界面
28.图1、2中标记：(1)信号处理模块：11-电源、12-ad/da接口、13-ad/da转换器、14-电机控制接口、15-以太网接口、16-cpu；(2)电机驱动模块：21-电源、22-电机信号接口、23-电机控制接口、24-led显示接口、25-以太网接口、36-cpu；(3)模拟机模块：31-接线面板、32-电源、33-电机控制接口、34-ad/da接口；(4)pc机：41-以太网接口；(5)电机台架：51-19芯y28m航空插头；(6)二自由度空间姿态模拟台：61-8芯gx16航空插头；(7)控制面板：71-led显示屏、72-拨动开关、73-电源开关、74-电位旋钮、75-箱体。
具体实施方案
29.以下针对本发明提出的灵巧型便携自动控制原理教学实验系统的非限定实施例结合附图进行详细叙述。
30.实施例1
31.一种灵巧型便携自动控制原理教学实验系统。
32.如图1所示为本发明的总体结构框图，包括信号处理模块(1)、电机驱动模块(2)、模拟机模块(3)、pc机(4)、电机台架(5)、二自由度空间姿态模拟台(6)、控制面板(7)。
33.所述的信号处理模块由电源、ad/da接口、ad/da转换器、电机控制接口、以太网接口和cpu组成，所述的电机驱动模块由电源、点击信号接口、电机控制接口、led显示接口、以太网接口和cpu组成，所述的模拟机模块由接线面板、电源、电机控制接口与ad/da接口组成，所述的pc机由配备以太网接口的计算机与配套实验程序组成，所述的电机台架由航空插头、金属带齿轮盘、光栅编码器、伺服电机、测速电机和磁感探头组成，所述的二自由度空间姿态模拟台由两个直流电机模拟的旋翼、支撑架、信号接口、驱动电路板和加速度传感器组成，所述的控制面板由led显示屏、拨动开关、电源开关、电位旋钮和箱体组成。
34.图2为本发明涉及实验系统的接线示意图，其中：信号处理模块14-电机控制接口连接至电机驱动模块23-电机控制接口与模拟机模块33-电机控制接口，控制面板的72-拨动开关与74-电位旋钮串联至14-23线路中；控制面板中电源开关分别连接至信号处理模块11-电源接口、电机驱动模块21-电源接口和模拟机模块32-电源接口；pc机41-以太网接口通过网线连接分别至电机驱动模块25-以太网接口与信号处理模块15-以太网接口；电机驱动模块24-led显示接口连接至控制面板71-led显示屏；电机台架航空插头连接至电机驱动
模块22-点击信号接口；二自由度空间姿态模拟台61-航空插头与模拟机模块34-ad/da接口分别连接至信号处理模块12-ad/da接口。
35.使用者首先打开实验仪器手提箱，连接电源至手提箱背面设置的电源插孔，打开控制面板电源开关，启动pc上位机并将网线连接至手提箱背面信号处理模块以太网接口，完成实验仪器的准备工作。使用者取带针脚导线若干，在模拟机模块的接线面板中，进行典型环节搭建实验。随后，打开《典型环节的模拟和特性测试》实验软件，点击“连接”按钮，使上位机与信号处理模块间建立通讯。选择“激励信号”为阶跃、设置虚拟信号的“幅值”为2v、“偏置”为0v、“频率”为1hz、“主波占空比”为50％、“采样周期”为5ms、“采样长度”为10s。最后，点击“启动采样”按钮，开始进行采样。pc上位机通过以太网发送虚拟信号至信号处理模块，信号处理模块中的ad/da转换器将数字信号转换为模拟信号并传输至模拟机模块，随后模拟机信号经ad/da接口发送至信号处理模块的ad/da转换器，最后信号处理模块通过以太网发送回pc上位机。pc上位机根据虚拟信号与接收的信号绘制图像，使用者可进行实验分析，或进行“打印”、“查看”、“保存”等操作。《控制系统的频率特性测试》与《线性系统的校正》实验基本实施方案与上述相似，此处不再赘述。
36.实施例2
37.一种灵巧型便携自动控制原理教学实验系统。
38.主要区别在于，本例中，pc上位机的网线连接至手提箱背面电机驱动模块以太网接口，电机台架的航空插头的公头连接至手提箱背面航空插头母头，该母头与电机驱动模块相连接。使用者拨动控制面板上的拨动开关，将控制模式切换至“手动控制”，随后调节旋钮，控制电机台架中电机的正转、反转及其转速，电机运行参数显示在控制面板的led显示屏上。接下来，将拨动开关切换至“自动控制”模式，打开《电机控制》实验软件，点击“连接”按钮，使上位机与电机驱动模块间建立通讯。点击“起动”按钮开始实验，使用者根据实验要求，设置软件中控制模式为“闭环”与“转速”，设置“指令转速”为500；设置软件中控制模式为“闭环”与“角度”，设置“指令角度”为-180；设置“kp”为0.5、“ki”为0.1、“kd”为0、“kt”为0。pc上位机将使用者给出的控制指令通过以太网传输至电机驱动模块，电机驱动模块将信号发送至信号处理模块，经信号处理模块中ad/da转换器转换为模拟信号后，通过航空插头线束驱动电机台架进行运动。同时，电机台架中传感器的测量值通过航空插头线束反馈至电机驱动模块，信号经处理后通过以太网返回pc上位机。上位机根据控制指令与接收的转速与角度信号，将曲线绘制在软件界面，使用者在实验过程中，结合曲线，通过调节“转速”、“角度”、“kp”、“ki”、“kd”、“kt”等参数，进行电机控制实验。
39.实施例3
40.一种灵巧型便携自动控制原理教学实验系统。
41.主要区别在于，本例中，pc上位机的网线连接至手提箱背面信号处理模块以太网接口，电机台架的航空插头的公头连接至手提箱背面航空插头母头，该母头与信号处理模块相连接。使用者打开《二自由度空间姿态控制》实验软件，点击“连接”按钮，使上位机与信号处理模块间建立通讯。点击“起动”按钮开始实验，设置控制模式为“开环”，给定“电机1电压”为2v，给定“电机2电压”为1v；设置控制模式为“闭环”，调节“滚转pid”中的“kp”、“ki”、“kd”与“kt”，给定“指令滚转角”为-30
°
；设置控制模式为“闭环”，调节“俯仰pid”中的“kp”、“ki”、“kd”与“kt”，给定“指令俯仰角”为40
°
。pc上位机将控制指令通过以太网发送至信号
处理模块，信号处理模块中的ad/da转换器将数字信号转换为模拟信号，信号经调理后通过航空插头线束驱动二自由度空间姿态模拟台的台直流电机，从而控制模拟台的滚转与俯仰姿态。二自由度空间姿态模拟台中传感器的测量信号通过航空插头线束反馈至信号驱动模块，经ad/da转换器转换为数字信号后，经以太网返回至pc上位机。上位机根据控制指令与接收的反馈信号绘制曲线，使用者结合曲线，通过调节pid参数、滚转角和俯仰角，进行二自由度空间姿态模拟控制实验。
42.上述为本发明的部分实施例，仅代表较优实施方案。本领域普通技术人员基于此发明实施例公开的技术方案在没有作出创造性劳动前提下获得的其他实施例，均属于本发明的保护范围。