CN101650884A - 自动控制理论的教学实验仪器 - Google Patents

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CN101650884A CN200910075470A CN200910075470A CN101650884A CN 101650884 A CN101650884 A CN 101650884A CN 200910075470 A CN200910075470 A CN 200910075470A CN 200910075470 A CN200910075470 A CN 200910075470A CN 101650884 A CN101650884 A CN 101650884A
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Abstract

自动控制理论的教学实验仪器属教学实验仪器技术领域,该仪器增加了信号源模块、无线通信模块、温度控制认知模块和仿真实验控制软件等,仪器优点有:采用无线方式通过外部计算机实现一机对多仪、或多机对一仪控制完成自动控制理论的种种教学实验,增加了师生互动能力和教学演示作用;采用仿真实验控制软件能独立于仪器硬件完成自动控制理论的种种仿真教学实验,能对比理论与实际实验数据的不同,掌握工程实际与理论的差别;脱离计算机或仿真软件的配合,仪器硬件也能独自完成自动控制理论的种种教学实验,保证了实验的灵活性;仪器软硬件结合完成自动控制理论的种种教学实验,软硬件相互依赖、配合,增加了实验的可靠性、方便性;该自动控制理论的教学实验仪器是换代产品,值得采用和推广。

Description

自动控制理论的教学实验仪器一. 技术领域本发明公开的自动控制理论的教学实验仪器属教学实验仪器技术领域,具 体涉及的是一种无线控制的自动控制理论的多功能教学实验仪器。该教学实验 仪器是完成自动控制理论的主要实验仪器,可广泛应用于各类院校(主要是高 等院校)的自动化专业、测试技术专业的《自动控制理论》或者《传感器技术》 等课程的教学实验。二. 背景技术现有的自动控制理论的实验箱的主要缺点是:1.实验箱侧重于对自动控制 理论基本概念的认识,对实际自动控制系统的参数调整、控制效果没有体现。 2.实验箱只能通过有线方式接收计算机软件产生的模拟信号才能完成实验,而 实验箱本身没有信号源,不能脱离计算机单独完成实验,这对计算机与实验箱 之间的传输接口的稳定性要求很高,连线不方便, 一旦传输接口出现故障,实 验就无法完成。3.现在的实验箱应用于实验教学的主要问题就在于:因为传输 接口的损坏而导致整个实验仪器不能工作,可维护性很差。4.实验箱与计算机之间的传输采用RS232串口传输,数据传输速率低,连接不便,己经不能满足 现在自动控制理论实验中的数据采集、传输的要求。5.实验箱在实验中不利于 师生互动。6.现有实验箱的实验对自动控制理论的认识不够直观。因此,如何 保证实验箱能够顺利完成自动控制理论的教学实验并从实验中验证所学的自 动控制理论知识己经成为一项亟待解决的课题。本发明提供一种新型的自动控 制理论的教学实验仪器,它克服了现有实验箱存在的上述种种缺点,是自动控 制理论教学实验仪器的换代产品,值得在教育系统采用和推广。三. 发明内容本发明的目的是:向社会提供这种自动控制理论的教学实验仪器,它改进了现有实验仪器存在的种种缺点,是一种新型的自动控制理论的教学实验仪器, 是自动控制理论教学实验仪器的换代产品。本发明的自动控制理论的教学实验仪器技术方案如下:一种自动控制理论的教学实验仪器,包括实验仪器箱体及其内的自动控制理论的教学实验设置,设置包括有:硬件部分,如电子部分的电子电路、集成 电路模块、微机、传感器、电子元器件、电子组件与部件等,如机械部分的零 件、组件、部件、器具等等。技术特点在于:所述的该自动控制理论的教学实 验仪器采用无线方式通过外部计算机实现一机对多仪、或多机对一仪控制进行 并完成自动控制理论的种种教学实验。这是计算机通过无线控制的教学实验仪 器模式。本发明的特点之一是:该实验仪器通过外部计算机设置仿真实验控制 软件及接收地址,可完成一机对多仪和多机对一仪的无线控制实验功能,该功 能可以方便教学演示作用,增加了师生互动能力。一种自动控制理论的教学实验仪器,包括实验仪器箱体及其内的自动控制 理论的教学实验设置,设置包括有:硬件部分,如电子部分的电子电路、集成 电路模块、微机、传感器、电子元器件、电子组件与部件等,如机械部分的零 件、组件、部件、器具等等。技术特点在于:所述的该自动控制理论的教学实 验仪器采用仿真实验控制软件能独立于硬件教学实验仪器进行并完成自动控 制理论的种种仿真教学实验。这是采用仿真实验控制软件独立于硬件实现仿真 教学实验的模式。所述的仿真实验控制软件主要有两部分功能的内容和程序: 其一,它相当于实验仪器的上位机完成激励信号产生、无线参数设定、实验数 据的接收、数据显示等。其二,作为自动控制理论的教学实验的仿真软件,该 软件脱离实验仪器独立进行实验完成并得到仿真的实验结果,同时软件通过在 实验数据上叠加随机噪声,模拟实际实验的结果。该软件(或固化软件或软件 包)与其它自动控制理论实验仪器的最大区别是软件能独立的完成自动控制理 论教学实验的仿真功能,增加了实验的灵活性,能让实验人员对比理论实验数 据与实际实验数据的不同,掌握工程实际与理论的差别等等。一种自动控制理论的教学实验仪器,包括实验仪器箱体及其内的自动控制 理论的教学实验设置,设置包括有:硬件部分,如电子部分的电子电路、集成 电路模块、微机、传感器、电子元器件、电子组件与部件等,如机械部分的零 件、组件、部件、器具等等。技术特点在于:所述的该自动控制理论的教学实 验仪器无需仿真实验控制软件,该教学实验仪器能独自进行并完成自动控制理 论的种种教学实验。这是硬件独自完成教学实验的仪器模式。一种自动控制理论的教学实验仪器,包括实验仪器箱体及其内的自动控制 理论的教学实验设置,设置包括有:硬件部分,如电子部分的电子电路、集成 电路模块、微机、传感器、电子元器件、电子组件与部件等,如机械部分的零件、组件、部件、器具等等。技术特点在于:所述的该自动控制理论的教学实 验仪器及其仿真实验控制软件能进行并完成自动控制理论的种种教学实验。这 是软硬件结合的教学实验仪器模式。所述的仿真实验控制软件全同于上述的, 不再重述。根据以上所述的自动控制理论的教学实验仪器,技术特点还有:所述的仿 真实验控制软件由外部计算机生成并利用无线通信方式通过无线通信模块写 入该自动控制理论的教学实验仪器中。所述的仿真实验控制软件通过无线通信 模块写入该自动控制理论的教学实验仪器中是采用无线通信方式通过外部计算机和仪器之间如USB接口、无线收发通信电路(如nRF24L01模块)完成或 实现的。例如该实验仪器设置实验平台作为仿真实验控制软件的接收地址,无 线通信传输数据包的第一个字节作为标志位,用以区分命令和地址等。根据以上所述的自动控制理论的教学实验仪器,技术特点还有:所述的该 自动控制理论的教学实验仪器的无线通信模块通过无线通信方式与外部计算机 交互信息,特别包括控制该教学实验仪器完成种种教学实验。所述的无线通信部 分主要包括该实验仪器与外部计算机的通信USB接口、无线收发通信电路、交互 数据处理的机构(如微机)组成。无线通信距离能到达30-50米,并且无线通信 协议上具有严格的数据校验机制,保证数据的可靠通信。根据以上所述的自动控制理论的教学实验仪器,技术特点还有:所述的该 自动控制理论的教学实验仪器设置的温度控制认知模块采用指示灯与小风扇指示控制状态:指示灯以闪烁频率指示加热强度,风扇以转速大小指示制冷强度。根据以上所述的自动控制理论的教学实验仪器,技术特点还有:所述的温 度控制认知模块由温度设定、温度测试、温度显示、控制与执行部分组成,该 模块通过温度设定旋钮设定需要的温度值,温度传感器测定当前环境温度,设 定温度与实测温度比较,其偏差作为控制的信号经控制部分对不同的执行器进 行控制,执行器包括加热器及其加热指示器、制冷器及其制冷指示器。所述的 加热器是电热丝,所述的制冷器是小风扇。根据以上所述的自动控制理论的教学实验仪器,技术特点还有:所述的该自 动控制理论的教学实验仪器上设置或安装有加速度传感器、应变传感器作为信 号源,并集成了传感器信号采集、处理电路,使实验仪器可以单独完成自动控制理论的教学实验。其中:冲击力锤为加速度传感器用以测定加速度信号;应变传感器用以测量压力信号;在应变传感器悬臂梁的悬空端安装刻度尺用以测 量应变处的位移。所述的加速度传感器是压阻式传感器,它输出信号为电荷信 号,经过电荷放大电路将电荷放大并转换成电压信号,再经过二阶压控低通滤 波电路输出能够用于实验的电压信号。压电加速度传感器安装在小锤头上,学 生实验时用小锤敲击物体,加速度传感器的输出通过不同的实验机构(如比 例、微分、积分、比例微分、比例积分、比例积分微分等)得到不同控制信号, 让学生直观的认识传感器和控制环节的控制效果。所述的应变传感器的应变片 粘贴在一端固定的悬臂梁上,在悬臂梁悬空端侧面装有刻度表。用力压悬臂梁, 产生的应变信号通过惠斯通电桥变换后,经过不同的实验机构(如比例、微分、 积分、比例微分、比例积分、比例积分微分等)得到不同的控制效果输出。这 里的特点是在悬臂梁悬空端部采用刻度标尺作为测量悬臂梁的弯曲程度,通过 简单的近视计算可以得到应变片粘贴处的应变大小,将理论值与实验值进行对 比,加强学生的感性认识。本发明的自动控制理论的教学实验仪器优点有:1.该实验仪器通过无线通 信模块从外部计算机写入仿真实验控制软件,使得软件和硬件配合完成各种自 动控制理论的教学实验,省去有线连接的不便;2.该自动控制理论的教学实验 仪器的软件、或硬件可以各自单独完成自动控制理论的教学实验,提高实验方 法的灵活性;3.该自动控制理论的教学实验仪器增加设置了传感器信号源,不 仅可以使学生更加形象地认识到自动控制理论的基本知识,而且提高了学生的 动手能力、增强了实验的直观性,弥补了现有实验仪器的不足;4.该自动控制 理论的教学实验仪器采用无线方式通过外部计算机实现一机对多仪和多机对 一仪的功能,教师不仅可以让学生同步获取演示实验数据,还可以获取并显示 任一学生的实验结果。本发明的这种自动控制理论的教学实验仪器是自动控制 理论教学实验仪器的换代产品,值得采用和推广。 四.附图说明本发明的自动控制理论的教学实验仪器说明书附图共有8幅: 图1是自动控制理论的教学实验仪器方框结构图; 图2是自动控制理论的教学实验仪器的加速度传感器原理图;图3是自动控制理论的教学实验仪器应变传感器机械图;图4是自动控制理论的教学实验仪器和外部计算机的无线通信方框图;图5是自动控制理论的教学实验仪器无线通信下一机对多仪和多机对一仪拓扑示意图;图6是自动控制理论的教学实验仪器的温度认知模块结构框图;图7是自动控制理论的教学实验仪器的仿真实验控制软件主程序逻辑框图;图8是自动控制理论的教学实验仪器的单片机软件主程序流程图。在各图中采用了统一标号,即同一物件在各图中用同一标号。在各图中: l.教学实验仪器;2.外部计算机;3.示波器;4.电源;5.加速度传感器;6.电 荷放大电路;7.低通滤波电路;8.输出;9.机架;IO.悬臂梁;ll.应变片R,; 12.应变片R2; 13.刻度尺;14.无线收发天线;15.无线收发通信电路;16.微 机MSP430; 17.教师;18.学生1; 19.学生2; 20.学生„; 21.温度设定;22.减法器;23.零值比较;24.控制机构;25.模拟开关;26.压频转换;27丄ED灯; 28.电流转换;29.电扇;30.温度传感器(如LM35D); 31.温度显示;32.开始; 33.初始化;34.仿真? 35.参数设定;36.确定;37.生成指令;38.发送;39. 发完?40.设无线芯片为接受态;41.收到数?42.存储;43.显示;44.退出? 45. 结束;46.仿真界面;47.幵始;48.初始化;49.收到数?50.读取数据;51.指 令? 52.执行操作;53.幵始?54.设无线芯片为发送态;55.D/A变换;56. A/D 变换;57.完成?58.设无线芯片为接受态;59.存储;F.作用力;L.悬臂梁长度; X.受力臂长度。五.具体实施方案本发明的自动控制理论的教学实验仪器非限定实施例如下:实施例一.自动控制理论的教学实验仪器 该例的自动控制理论的教学实验仪器包括实验仪器箱体及其内的自动控制理论的教学实验设置,设置包括有:硬件部分,如电子部分的电子电路、集成电路模块、微机、传感器、电子元器件、电子组件与部件等,如机械部分的零件、组件、部件、器具等等。本发明在原来实验仪器的基础上做了四个创新:增加了传感器信号源、无线通信接口(如USB接口)和无线通信模块、温度控制认知模块、仿真实验控制软件。该例的自动控制理论的教学实验仪器的具体结构由图1〜图8联合示出,该例的自动控制理论的教学实验仪器采用无线方式通过外部计算机实现一机对多仪、或多机对一仪控制进行并完成自动控制理论的种种教学实验,图1示出自动控制理论的教学实验仪器方框结构图,图4是自 动控制理论的教学实验仪器和外部计算机的无线通信方框图,图5示出自动控 制理论的教学实验仪器无线通信下一机对多仪和多机对一仪拓扑示意图,图5中左图中拓扑示意多机对一仪,右图拓扑示意一机对多仪。这是本发明的特点
之一,也是计算机通过无线控制的教学实验仪器模式。如图1和图4所示,该实 验仪器1通过外部计算机2设置仿真实验控制软件及接收地址,采用无线通信 能完成一机对多仪和多机对一仪的无线控制实验功能,该功能可以方便教学演 示作用,增加了师生互动能力。实验仪器的一机对多仪和多机对一仪器的功能, 如图5拓扑所示意(教师17和学生18-20可分别代表计算机2或实验仪器1)。 每一个仪器l上的无线通信模块物理地址固定,载波频率固定,计算机2上的 无线接收地址可以固定或可以通过控制软件改变。实现方法是:教师演示实验 一机对多仪时,学生18—20等使用的仪器1通过计算机2设定与教师17 —致 的物理地址,并且处于接收状态,这样教师17发送和接收的信息能被多台实 验仪器1接收。这样就可以通过一台计算机2上的操作在多台仪器1显示实验 结果,完成演示实验。同样,在学生18—20实验时,教师17可以将自己的计 算机2无线接收地址修改成某一学生实验仪器1同样的地址,就可以远程获取 学生(18—20任之一)实验数据,实现多对一的功能。该方案可以方便教学演 示使用,增加了师生互动能力。该例的仿真实验控制软件由外部计算机2生成 (如采用VB语言编写)并利用无线通信方式通过无线通信模块写入该自动控制 理论的教学实验仪器1中。图7示出自动控制理论的教学实验仪器的仿真实验 控制软件主程序逻辑框图,该软件功能全又功能强,不仅能够为硬件电路提供 阶跃信号、正弦波等理想信号源,软件界面更加形象,参数调整窗口方便调节, 波形显示窗口可以调整坐标,放大、縮小波形,保存结果,更加便于学生观察 对比实验结果。仿真实验控制软件通过无线通信模块写入该自动控制理论的教 学实验仪器1中是采用无线通信方式通过外部计算机2和仪器1之间的无线通 信接口(如USB接口)、无线收发通信电路15 (如nRF24L01模块)以及无线天 线14完成或实现的。软件和硬件之间采用USB无线并行通信接口,每次实验 不用再挪动计算机连接数据线,方便省事,提高了数据传输速率及可靠性。无 线通信模块的工作原理如图4所示,图4示出自动控制理论的教学实验仪器和 外部计算机的无线通信方框图,该仪器1的无线通信部分主要包括该实验仪器 1与外部计算机2的通信USB接口、无线收发通信电路15 (如nRF24L01模 块)、交互数据处理的机构(如微机MSP430芯片)16等组成。图8示出自动控 制理论的教学实验仪器的单片机(如微机MSP430)软件主程序流程图,MSP430 自身还 成了A/D、 D/A转换电路及功能,软件产生的数据信号通过USB接口、无线发送模块将数据传送给MSP430,并进入数/模转换模式,将数字信号转换 成模拟信号供给硬件电路进行实验。硬件电路产生的实验结果为模拟量,传送 给MSP430芯片16,进入模/数转换模式,将模拟信号转换成数字信号后通过实 验仪器1上的无线通信接口传递给计算机2,利用软件上的波形显示窗口观察 波形和实验结果,学生只需要调整实验参数就能观察到不同参数所对应的实验 结果。该实验仪器1设置实验平台作为仿真实验控制软件的接收地址,无线通 信传输数据包的第一个字节作为标志位,用以区分命令和地址等。无线收发模 块要实现数据的双向传输,这里采用的策略是上下位机的无线芯片都初始化为 接收状态,仅当要发送数据时才配置成发送模式,发送完毕后立刻配置成接收 模式。该模块上位机(计算机2)需要给下位机(实验仪器l)传递控制命令、 激励数据。实验仪器1需要向计算机2传递实验仪器1的状态和实验数据。为 了区分数据、命令、状态等不同的信息,每一次发送数据的容量固定为32字 节,每个数据包的第一个字节采用编码区分信息内容,后面的内容为相应的信 息。无线通信接口 AT90USB162芯片通过USB2.0协议同微机MSP430或PC机 进行高速通信,保证了高速通信质量。该例的自动控制理论的教学实验仪器l 的无线通信模块通过无线通信方式与外部计算机2交互信息,特别包括控制该 教学实验仪器i完成种种教学实验。实验仪器和配套软件之间采用USB无线 通信接口通信,数据的采样频率可达到10kHz,数据传输速率可达到50KB,无 线通信距离能达到30-50米,并且无线通信协议上具有严格的数据校验机制, 保证数据的可靠通信,实验结果波形显示精度高,实时性好。该例的自动控制理 论的教学实验仪器设置有温度控制认知模块,该温度控制认知模块由温度设定、 温度测试、温度显示、控制与执行部分组成,图6示出自动控制理论的教学实 验仪器的温度认知模块结构框图,温度控制认知模块是一闭环控制机构,能够 自动的完成恒定温度控制。该模块通过液晶显示模块31显示实验工作情况,温 度设定旋钮21设定需要的温度值,温度传感器30 (如LM35D)测定当前环境温 度,实测温度与设定温度比较,其偏差作为控制的信号经控制部分对不同的执 行器进行控制,执行器包括加热器及其加热指示器、制冷器及其制冷指示器。 加热器是电热丝,制冷器是小风扇,采用指示灯27(LED灯)与小风扇29指示控 制状态:指示灯27以闪烁频率指示加热强度,风扇29以转速大小指示制冷强 度。该模块为形象的表现出执行器的工作,采用红色指示等表示加热状态,并 通过指示灯27的闪烁频率表示加热强度,指示灯闪烁越快,加热功率越大,闪烁越慢,加热功率越小。采用风扇29表示制冷状态,通过风扇的转速表示
制冷的控制强度,风扇的转速越快,制冷功率越大,风扇的转速越慢,制冷功 率越小。在该例的实验仪器上集成了传感器模块、信号处理模块及函数发生器 模块,既可以用传感器采集信号的实际信号进行实验,也可以选择函数发生器 产生的理想信号进行实验,保证了实验的可靠性。在自动控制理论的教学实验
仪器上设置或安装有加速度传感器5、应变传感器(应变片R,、 R》作为信号 源,并集成了传感器信号采集、处理电路,传感器用以采集外界信号,传感器输 出信号经过信号处理电路为实验电路提供实验信号。图2是自动控制理论的教 学实验仪器的加速度传感器原理图,加速度传感器5是压阻式传感器,它输出信 号为电荷信号,经过电荷放大电路6将电荷放大并转换成电压信号,再经过二 阶压控低通滤波电路7输出能够用于实验的电压信号8。压电加速度传感器5 安装在小锤头上,学生实验时用小锤敲击物体,冲击力锤为加速度传感器5用 以测定加速度信号,加速度传感器5的输出通过不同的实验机构(如比例、微 分、积分、比例微分、比例积分、比例积分微分等)得到不同控制信号,让学 生直观的认识传感器和控制机构的控制效果。图3是自动控制理论的教学实验 仪器应变传感器机械图,应变传感器用以测量压力信号,应变传感器悬臂梁10 一端安装在机架9上,应变传感器的应变片11 (R,)、应变片12 (R2)分别粘 贴在一端固定的悬臂梁.10之上下,在悬臂梁10悬空端侧面装有刻度表13用 以测量应变处的位移。用力F压悬臂梁10,产生的应变信号通过惠斯通电桥 变换后,经过不同的实验机构(如比例、微分、积分、比例微分、比例积分、 比例积分微分等)得到不同的控制效果输出。这里的特点是在悬臂梁IO悬空端 部采用刻度标尺13作为测量悬臂梁10的弯曲程度,通过简单的近视计算可以 得到应变片11、 12粘贴处的应变大小,将理论值与实验值可以对比,加强学 生的感性认识。这些实验结果可以通过无线发送模块传输给计算机2进行显示, 也可以利用示波器3进行数据显示。在实验仪器1上安装了电压、电流显示模 块,通过观察各部分电路的输出电压、电流是否正常可以检测电路各部分是否 工作正常,避免在实验电路中接入已经损坏的电路单元,提高实验的正确率。 该例实验仪器的工作流程如下:通过计算机2或软件选定实验需要的激励信号, 实验控制软件产生激励信号的数字数据,数据通过AT90USB162芯片USB接 口传送给nRF24L01无线芯片,再将数据传送给实验仪器1 。实验仪器1上的 无线芯片nRF24L01接收发送来的数据,单片机MSP430将nRF24L01接收到的数据存储在片内RAM中。实验启动时,将数字信号通过片内的D/A转换成
模拟信号供给硬件电路进行实验。硬件电路产生的实验结果为模拟量,通过 MSP430内部的A/D转换成数字信号,通过接口芯片nRF24L01传给外部计算 机2的无线USB接口芯片,再上传给计算机2,利用软件输出实验结果。 实施例二.自动控制理论的教学实验仪器
该例的自动控制理论的教学实验仪器,包括实验仪器箱体及其内的自动控 制理论的教学实验设置,设置包括有:硬件部分,如电子部分的电子电路、集 成电路模块、微机、传感器、电子元器件、电子组件与部件等,如机械部分的 零件、组件、部件、器具等等。该例的自动控制理论的教学实验仪器的具体结 构由图1〜图8联合示出,该例的自动控制理论的教学实验仪器与实施例一的 自动控制理论的教学实验仪器不同点有:该例的自动控制理论的教学实验仪器 采用仿真实验控制软件能独立于硬件教学实验仪器进行并完成自动控制理论 的种种仿真教学实验。这是采用仿真实验控制软件独立于硬件实现仿真教学实
验的模式。所述的仿真实验控制软件主要有两部分功能的内容和程序:其一,
它相当于实验仪器的上位机完成激励信号产生、无线参数设定、实验数据的接 收、数据显示等。软件界面简单直观,增加了很多形象的控件让学生更加方便
地调节参数进行实验;波形显示窗口可以调整显示坐标,展开折叠波形使学生 更好地观察分析数据。其二,作为自动控制理论的教学实验的仿真软件,该软 件能脱离实验仪器硬件独立进行实验完成并得到仿真的实验结果,同时软件通 过在实验数据上叠加随机噪声,模拟实际实验的结果。该软件(或固化软件或 软件包)与其它自动控制理论实验仪器的最大区别是软件能独立的完成自动控 制理论教学实验的仿真功能,增加了实验的灵活性,能让实验人员对比理论实 验数据与实际实验数据的不同,掌握工程实际与理论的差别等等。该例的仿真 实验控制软件由外部计耸机2生成(如采用VB语言编写)并利用无线通信方式 通过无线通信模块写入该自动控制理论的教学实验仪器1中。图7示出自动控 制理论的教学实验仪器的仿真实验控制软件主程序逻辑框图,软件能够完成模 拟信号的产生以及波形显示功能,不仅能够为硬件电路提供模拟的阶跃信号、 正弦波等理想信号源,辅助硬件电路完成实验,还可以脱离硬件电路单独完成 自动控制理论的全部实验的模拟仿真,学生只需要调整实验参数就能观察到不 同参数所对应的实验结果。软件界面更加形象,参数调整窗口方便调节,其波 形显示窗口可以调整坐标,放大、縮小波形,保存结果,更加便于学生观察对
12比实验结果。该软件通过USB无线发送模块将数据传输给实验仪器上的无线接 收模块,MSP430单片机将接收到的数字信号转换成模拟信号提供给硬件电路进 行实验,实验结果送给MSP430单片机转换,将模拟信号转变成数字信号并通 过无线发送模块将数据传输给计算机,利用软件上的波形显示窗口观察波形。 该例的自动控制理论的教学实验仪器其余未述的,全同于实施例一中所述的, 不再重述。
实施例三.自动控制理论的教学实验仪器 该例的自动控制理论的教学实验仪器,包括实验仪器箱体及其内的自动控
制理论的教学实验设置,设置包括有:硬件部分,如电子部分的电子电路、集 成电路模块、微机、传感器、电子元器件、电子组件与部件等,如机械部分的 零件、组件、部件、器具等等。该例的自动控制理论的教学实验仪器的具体结 构由图1〜图8联合示出,在原来实验仪器的基础上做了如下创新:增加了传 感器信号源、无线通信接口(如USB接口)和无线通信模块、温度控制认知模块 等。硬件电路模块化,精简不必要的电路单元,增加了微型温度控制实验,使 实验规划更加合理,更好地配合《自动控制理论》课程的教学。改变了传统实 验仪器对自动控制基本环节的偏重,新的实验仪器更加注重对实际自动控制系 统的参数调整、实验控制效果的体现这两个方面。该仪器1的无线通信部分主
要包括该实验仪器1与外部计算机2的无线通信USB接口 、无线通信天线14、 无线收发通信电路15 (如nRF24L01模块)、交互数据处理的机构(如微机 MSP430芯片)16等组成。MSP430自身还集成了 A/D、 D/A转换电路及功能、 RAM内存储器等。仪器还设置有温度控制认知模块,图6示出该自动控制理 论的教学实验仪器的温度认知模块结构框图。该温度控制认知模块由温度设 定、温度测试、温度显示、控制与执行部分组成,包括温度传感器30、液晶显 示屏31、加热器是电热丝、加热指示器LED灯27、制冷兼指示器小风扇29 等。仪器还集成有传感器模块、信号处理模块及函数发生器模块,其中冲击力 锤为加速度传感器、由悬臂梁与应变片构成的应变传感器、测量应变处位移的 刻度表等,图2示出自动控制理论的教学实验仪器的加速度传感器原理图,图 3示出自动控制理论的教学实验仪器应变传感器机械图。仪器还有种种控制机 构,如比例、微分、积分、比例微分、比例积分、比例积分微分等。仪器还安 装有电压、电流显示模块等。该例的自动控制理论的教学实验仪器与实施例一、 实施例二的自动控制理论的教学实验仪器不同点有:该例的自动控制理论的教学实验仪器无需仿真实验控制软件,该教学实验仪器能独自进行并完成自动控 制理论的种种教学实验。这是硬件独自完成教学实验的仪器模式。在实验仪器 上集成了传感器模块、信号处理模块及函数发生器模块、微机(及其软件)等, 既可以用传感器采集的实际信号,经过信号处理电路为实验电路提供实验信号 进行实验,也可以选择函数发生器产生的理想信号进行实验,使得实验仪器在 脱离计算机或仿真控制软件配合的情况下也能使实验正常进行,保证了实验的 可靠性。该例的自动控制理论的教学实验仪器其余未述的,全同于实施例一、 实施例二中所述的,不再重述。
实施例四.自动控制理论的教学实验仪器
该例的自动控制理论的教学实验仪器,包括实验仪器箱体及其内的自动控 制理论的教学实验设置,设置包括有:硬件部分,如电子部分的电子电路、集 成电路模块、微机、传感器、电子元器件、电子组件与部件等,如机械部分的 零件、组件、部件、器具等等。该例的自动控制理论的教学实验仪器的具体结 构由图1〜图8联合示出,在原来实验仪器的基础上做了四个创新:即增加了传 感器信号源、无线通信接口(如USB接口)和无线通信模块、温度控制认知模块、 仿真实验控制软件,该例的自动控制理论的教学实验仪器,包括硬件部分、软 件部分,前三个实施例都作了叙述,不再重述。该例的自动控制理论的教学实 验仪器与实施例一〜实施例三的自动控制理论的教学实验仪器不同点有:该例 的自动控制理论的教学实验仪器及其仿真实验控制软件能进行并完成自动控 制理论的种种教学实验。这是软硬件结合的教学实验仪器模式。软件和硬件既 可以相互依赖、又可以相互配合,共同完成自动控制理论实验;又可以各自独 立完成仿真、实验,增加了实验的可靠性、方便性、灵活性,改变了过去单纯 依靠软件产生模拟信号进行实验的缺陷,降低了实验仪器对通信接口的依赖程 度,即使在通信接口损坏的情况下仍然能够完成实验,最大限度地保证学生能 够顺利完成实验。该例的自动控制理论的教学实验仪器其余未述的,全同于实 施例一〜实施例三中所述的,不再重述。

Claims (9)

1.一种自动控制理论的教学实验仪器,包括实验仪器箱体及其内的自动控制理论的教学实验设置,特征在于:所述的该自动控制理论的教学实验仪器采用无线方式通过外部计算机实现一机对多仪、或多机对一仪控制进行并完成自动控制理论的种种教学实验。
2. —种自动控制理论的教学实验仪器,包括实验仪器箱体及其内的自动控制理论的教学实验设置,特征在于:所述的该自动控制理论的教学实验仪器采用仿真实验控制软件能独立于硬件教学实验仪器进行并完成自动控制理论的种种 仿真教学实验。
3. —种自动控制理论的教学实验仪器,包括实验仪器箱体及其内的自动控制 理论的教学实验设置,特征在于:所述的该自动控制理论的教学实验仪器及其仿 真实验控制软件能进行并完成自动控制理论的种种教学实验。
4. 一种自动控制理论的教学实验仪器,包括实验仪器箱体及其内的自动控制 理论的教学实验设置,特征在于:所述的该自动控制理论的教学实验仪器无需仿 真实验控制软件,该教学实验仪器能独自进行并完成自动控制理论的种种教学 实验。
5. 根据权利要求1、或2、或3、或4所述的自动控制理论的教学实验仪器, 特征在于:所述的仿真实验控制软件由外部计算机生成并利用无线通信方式通 过无线通信模块写入该自动控制理论的教学实验仪器中。
6. 根据权利要求5所述的自动控制理论的教学实验仪器,特征在于:所述的 该自动控制理论的教学实验仪器的无线通信模块通过无线通信方式与外部计算 机交互信息,特别包括控制该教学实验仪器完成种种教学实验。
7. 根据权利要求1、或2、或3、或4所述的自动控制理论的教学实验仪器, 特征在于:所述的该自动控制理论的教学实验仪器设置的温度控制认知模块采用指示灯与小风扇指示控制状态:指示灯以闪烁频率指示加热强度,风扇以转速大小指示制冷强度。
8. 根据权利要求7所述的自动控制理论的教学实验仪器,特征在于:所述的温度控制认知模块由温度设定、温度测试、温度显示、控制与执行部分组成,该 模块通过测温传感器测定环境温度获得与设定温度的偏差,偏差经控制部分对 不同的执行器进行控制,执行器包括加热器及其加热指示器、制冷器及其制冷:f日不益。
9.根据权利要求1、或2、或3、或4所述的自动控制理论的教学实验仪器, 特征在于:所述的该自动控制理论的教学实验仪器上设置或安装有加速度传感 器、应变传感器作为信号源,其中:冲击力锤为加速度传感器用以测定加速度信 号;应变传感器用以测量压力信号;在应变传感器悬臂梁的悬空端安装刻度尺 用以测量应变处的位移。
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