一种自动控制原理的实验仪器及方法技术

本发明专利技术涉及一种自动控制原理的实验仪器及方法，主要包括一ＰＣ机，主要包括ＬａｂＶｉｅｗ的功能模块，用于与主模块连接后起到了虚拟示波器和虚拟信号发生器的功能；一组构造完全相同的小模块，用于接入所需的元器件可构成各种环节；一个主模块，主要包括开关电源、ＡＤ／ＤＡ模块和串口通信模块；其中Ｌａｂ　　Ｖｉｅｗ的功能模块产生源信号发至主模块，并通过ＡＤ／ＤＡ模块转换成模拟信号，经放大后通过由一组构造完全相同的小模块构成的实验箱，输出的信号通过ＡＤ／ＤＡ模块转换成数字信号，再返回ＰＣ机。本发明专利技术有益的效果是：每个模块通过插入不同的元器件可配置为各种环节，有利于学生创造能力的发挥。模块之间自由布局，可做到和原理图的布局完全相同，这样减少了接线出错率，也提高了学生的实验兴趣。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及实验教学仪器领域，主要是，可广泛应用于各类学校(主要是高等院校)的控制工程类专业、自动化专业、机械类专业、仪器仪表类专业的《自动控制原理》或《控制工程》或《信号与系统》的课程教学实验。
技术介绍
现有的自动控制原理的实验系统的结构图大多是如图1所示。对于这类实验系统，学生在做实验时要用肉眼从示波器上读取信号的幅值、时间值等数据，误差较大，有些实验只能定性的做，实验数据的分折整理也不方便。总体来说，专门用于自控实验的产品还不是很多，大多数已在市场上销售多年的产品，普遍存在着操作不够方便；不能让学生将注意力集中到实验所体现的自控原理上；实验课所需课时多；没有仿真功能……等等不足。
技术实现思路
本专利技术要解决上述现有的缺点，提供。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案。这种自动控制原理的实验仪器，主要包括一PC机，主要包括LabView的功能模块，用于与主模块连接后起到了虚拟示波器和虚拟信号发生器的功能；一组构造完全相同的小模块，用于接入所需的元器件可构成各种环节；一个主模块，主要包括开关电源、AD/DA模块和串口通信模块；其中，LabView的功能模块产生源信号通过串口通信模块发至主模块，并通过AD/DA模块转换成模拟信号，经放大后通过由一组构造完全相同的小模块构成的实验箱，输出的信号通过AD/DA模块转换成数字信号，再通过串口通信模块返回PC机。所述的实验箱中可以用电路模块搭接各种环节，包括惯性环节，比例环节，积分环节，微分环节，延迟环节以及一阶导前，二阶振荡。本专利技术所述的这种自动控制原理的实验方法，主要步骤如下上位PC机虚拟仪器的信号发生器发出信号，激励信号或输入信号，经串口通信模块传送至主模块，经D/A转换后，将信号送至实验箱，流经实验箱之后，通过A/D转换后，通过串口送至上位PC机的虚拟仪器中。本专利技术有益的效果是本专利技术所述的实验系统，由PC机、一个主模块和若干小模块组成。主模块集成了开关电源、AD/DA、串口通信等功能。每个小模块的构造完全相同，它们通过接入所需的元器件可构成各种环节。PC机与主模块连接后起到了虚拟示波器和虚拟信号发生器的功能。本实验系统尽可能简化学生的操作，把学生的注意力集中到实验体现的理论，而非试验设备的操作上，并提供灵活的操作平台，有利于发挥学生的主动性和创造热情。在软件设计方面，精心挑选实验内容，在更好地掌握实验内容的前提下缩短实验课时。设计友好的操作界面，并整合了自动校正、自动作图、随时保存结果等功能；硬件设计上，每个模块通过插入不同的元器件可配置为各种环节，有利于学生创造能力的发挥。模块之间自由布局，可做到和原理图的布局完全相同，这样减少了接线出错率，也提高了学生的实验兴趣。本实验系统具有相当强的软件仿真功能，所有的实验都具有软件仿真功能，学生可以在硬件实验前，通过软件仿真部分实验掌握实验原理，选定硬件实验参数。例如，系统校正实验的软件仿真部分可用于实际工程上的系统校正，频率特性实验的软件部分可对任意的传递函数立即作出bode图和nyquist图。本实验系统的软件扩展功能非常强，可在短时间内根据用户的需要修改和扩展实验功能，升级的代价较小。此外，本系统还可构建在线实验系统，可以在实验课前，让学生通过互联网学习相关知识，并操作软件仿真部分的实验，这样便能在提高学生学习主动性的同时缩短实验课课时。附图说明图1是传统自控原理实验系统结构图；图2是本专利技术的系统方框结构图；图3是本专利技术的硬件连接图；图4是本专利技术的实施例1惯性环节连线示意图；图5是本专利技术的电路原理示意图；图6是本专利技术的下位机程序流程图；图7是本专利技术的比例环节的模拟电路示意图； 图8是本专利技术的惯性环节的模拟电路示意图；图9是本专利技术的积分环节的模拟电路示意图；图10是本专利技术的微分环节的模拟电路示意图；图11是本专利技术的比例+微分环节的模拟电路示意图；图12是本专利技术的比例+积分环节的模拟电路示意图；图13是本专利技术的模拟器件原理图；图14是本专利技术的双机通信的流程图；图15是本专利技术的频域分析原理示意。具体实施例方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步详细的说明。如图2所示，这种自动控制原理的实验仪器，主要包括一PC机，主要包括LabView的功能模块，用于与主模块连接后起到了虚拟示波器和虚拟信号发生器的功能；一组构造完全相同的小模块，用于接入所需的元器件可构成各种环节；一个主模块，主要包括开关电源、AD/DA模块和串口通信模块；其中，LabView的功能模块产生源信号通过串口通信模块发至主模块，并通过AD/DA模块转换成模拟信号，经放大后通过由一组构造完全相同的小模块构成的实验箱，输出的信号通过AD/DA模块转换成数字信号，再通过串口通信模块返回PC机。系统的工作原理该系统中利用了LabView软件的虚拟仪器概念，利用LabView的功能模块，产生源信号，即相当于信号发生器的作用，然后通过串口将信号发生器产生的信号发送至下位机，即由Cygnal F320组成的单片机系统接收此信号，由于PC机发送过来的信号是数据信号，因此通过Cygnal F320自带的12位D/A转换，转换成模拟信号，经放大后通过实验箱(实验箱中可以用电路模块搭接各种环节，包括惯性环节，比例环节，积分环节，微分环节，延迟环节以及一阶导前，二阶振荡等，而从自控原理的理论可知，任何复杂的系统都可由这些基本的模块组成，也就是任何复杂的控制系统皆可由这些电路模块搭接后进行模拟)，信号通过系统后，输出的信号(即响应信号)经Cygnal F320自带的A/D转换，再通过串口返回至PC机，在上位机，我们利用LabView开发了示波器，示波器将接收的信号与源信号(即激励信号进行比较，可以非常方便地进行时域分析或频率分析，PC机具有很强的数据处理与分析的功能，可以大大提高实验的效率与效果；实验时不用打开PC机主机箱，使用非常方便；同时，在上位机我们利用LabView自带的控件及TCP/IP协议还开发了远程通信模块，远程的用户只要通过系统的认证，但可以通过Internet网进行远程自控原理的实验。另外，在进行系统校正时，我们可以在电路模块中加入相应的校正电路环节，即硬校正，也可以在上位机软件中加入相应的模块，与硬件电路一起，实施对系统的“软”校正；如果除掉上位机，实验箱部分也可用于传统的自控原理实验，即接入真实的信号发生器，通过实验箱(即被模拟的系统)输出后，再接入真实的示波器，可将响应信号(输出)进行显示，从而进行相应的时域或频域分析；如果去掉下位机，上位机软件部分也可进行通过软件模拟，来实验各种自控原理的实验。系统的特点本系统充分发挥了PC机的优势，由PC机完成实验数据的采集、存储和计算处理，在实验时就可以将实验结果与理论分折值进行对比，提高了实验效率。由于是在Windows环境下用编制软件，人机界面非常友好，操作简便，同时还包括了传统实验方法无法完成的根轨迹绘制、波特图绘制等实验项目，并可和教学课件等软件配合使用，大大增强了实验效果。本实验装置还具有实验方案配置灵活，便于扩展进行其他实验等优点。上下位机皆可独成系统，或实现软仿真或硬模拟，在PC机在不做实验时还可作为别的用途，因而实际上节约了设备投资。自动控制原理或控制工程实验所使用的设备由PC机、自动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动控制原理的实验仪器，其特征是：主要包括一ＰＣ机，主要包括ＬａｂＶｉｅｗ的功能模块，用于与主模块连接后起到了虚拟示波器和虚拟信号发生器的功能；一组构造完全相同的小模块，用于接入所需的元器件可构成各种环节；一个主模块，主要包括开关电源、ＡＤ／ＤＡ模块和串口通信模块；其中，ＬａｂＶｉｅｗ的功能模块产生源信号通过串口通信模块发至主模块，并通过ＡＤ／ＤＡ模块转换成模拟信号，经放大后通过由一组构造完全相同的小模块构成的实验箱，输出的信号通过ＡＤ／ＤＡ模块转换成数字信号，再通过串口通信模块返回ＰＣ机。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：易建军，季白杨，关懿峰，宁明志，
申请(专利权)人：杭州信雅达系统工程股份有限公司，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]