CN102708749B - 便携式课堂教学演示模型 - Google Patents

Abstract

本发明便携式《自动控制原理》课堂教学演示模型，设计了三种控制模式：开环控制模式、闭环控制模式和频响测试模式，可以演示系统的自动控制过程、分析系统的时间响应、频率特性、误差等。该模型包括被控运动装置、单片机数据采集与控制装置、操作界面与显示模块三个部分。被控运动装置是基础部分；单片机数据采集与控制装置包括单片机、电源模块、PWM调速模块、USB芯片及接口等。用户可通过上位机界面指定不同的控制模式及控制参数，自动调用相应的处理模块和通讯模块后向单片机发控制信息，控制机械装置的运动。本发明便携集成度高、成本低，计算机界面直观易学易用、操作安全方便，运行稳定，演示现象直观明显。

Description

便携式课堂教学演示模型

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体应用于便携式课堂教学演示模型。 

技术背景

传统上自动控制原理一直就是各很多专业的一门重要的专业基础程。控制理论的诞生就源于解决机电液等工程问题的需要。随着现代社会信息化的不断的推进，自动控制原理作为信息学科的重要分支之一，其重要性愈发显现。现代机械设备的性能不仅体现在设备的机械性能上，更是体现在其自动控制性能上，大部分的现代机械设备都有极高的自动控制要求，因此自动控制原理课程对于机械专业的学生来说具有非常重要的作用。 

因此有必要对采用直观的教学模型改进自动控制原理课程的教学式、充分利用各种教学手段等各方面的开展研究，以提高自动控制原理课程的教学效果，培养出能基础扎实、能力强、综合素质高，富有创新精神的机械类和能源与动力类的高级专门人才。 

相关现有技术的罗列介绍： 

上海广育科教有限公司生产的模电、数电、自动控制原理实验室成套设备。其主要结构： 一、实验台部分: 1、电源（A组:低压交流电压3-24V分七档可调，输出电流1.5A； B组: 二组互相独立的0-30V直流稳压电源，内置式继电器自动换档，多圈电位器连续调压，输出电流2A，具有预设式限流保护功能；C组:低压直流稳压电源；D组:单相市电输出，供用户自备仪器使用。） 2、函数发生器 3、脉冲单元：每拨一次钮子开关输出一组正负脉冲。 4、七段译码器及对应译码显示数码管。 5、自动控制原理部分：由模拟运算单元、信号源、电压表、计算机接口组成。 6、外测交直流二用电流表及电压表。二、学生实验桌：一桌为二座，桌面中央设置通用电路插板，元件盒在其上接插成实验电路完成实验。桌子左右各有一个柜. 柜中存放元器件、贮存板及电脑, 中间上层放置键盘、下层抽屉存放工具、万用表、导线等。三、器材配备（以24座为例，详见发货清单） 12台实验台、12张学生实验操作桌、l台主控演示台、13只MF500万用表、13只数字万用表、39只指针式1.5级直流电流表，25套电烙铁及烙铁架,13套实验所需的电阻、电位器、电感线圈、变压器、二极管、三极管、场效应管、集成、可控硅、逻辑电平开关、逻辑电平指示等元件盒。13套剥线钳、螺丝刀、尖嘴钳等工具。四、用户自备器材: 长余辉示波器，毫伏表，滑线变阻器。

杭州信雅达系统工程有限公司的专利号为200710067243.7的发明专利：一种自动控制原理的试验仪器及方法。其主要包括一PC机， 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。其发明有益的效果是：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。 

孙大卫、丁兴俊等的《一种典型自动控制原理实验教学设备研究》（刊于《实验技术与管理》 第28卷第7期，文章编号1002-4956（2011）07-0079-03）设计了以直流伺服电动机作为执行机构，小车、转盘等作为被控对象的典型实验装置。该套装置包括电动机、测量元件直流测速发电机、光电编码器、运算放大电路、放大器和给予学生直观感受输出量的小车或转盘。该研究用实验法测定直流伺服电动机的数学模型，简单分析了建立一阶和二阶系统模型的方法。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种便携式《自动控制原理》课堂教学演示模型，以直观地演示《自动控制原理》课本中的知识，培养学生的学习兴趣、提高课堂教学效果。 

本发明是通过以下技术方案实现的，一种便携式《自动控制原理》课堂教学演示模型，其特征在于，该模型包括被控运动装置、单片机数据采集与控制装置、操作界面与显示软件模块三个部分，该模型整体封装在一个便携式的手提箱中，其中： 

所述被控运动装置是整个教学模型的基础部分，它包括支座及壳体、被控运动装置、反馈装置和转动惯量调节装置。所述支座可稳定置于演示台面，支架上固定有壳体。所述被控运动装置包括直流电机、第一联轴器、第一齿轮、转盘轴、转盘、刻度直尺和标记物，所述直流电机位于所述壳体壁外，直流电机输出轴通过第一联轴器与转盘轴连接，所述转盘通过轴承安装于壳体另一壁外，所述第一齿轮固定于转盘轴上，所述转盘也固定于转盘轴上且转盘与壳体壁之间保持一定间隙； 所述转盘与壳体壁之间间隙处的转盘轴上固定下垂一绳索，绳索另一端悬挂固定一标记物，该标记物为一重量块，由此转盘轴的正转使得绳索卷绕到转轴上同时标记物上升，或者其反转使得绳索在转轴上退绕同时标记物下降；所述刻度直尺竖向置于所述转盘与壳体壁之间间隙处，并与下垂的绳索竖直平行，刻度直尺可标记标记物的运动位移。所述反馈装置包括旋转编码器、第二联轴器、第二齿轮、第二轴，所述旋转编码器与所述直流电机同侧也位于所述壳体壁外，旋转编码器输出轴通过第二联轴器与第二轴连接，所述第二齿轮固定于第二轴上，所述第二齿轮和第一齿轮啮合。所述转动惯量调节装置包括两质量块，质量块开设通孔，所述转盘上开设相互呈中心对称的两个腰形槽，所述两质量块通过螺栓螺母分别固定在转盘的腰形槽内，调节设置质量块在腰形槽内不同位置以调节系统的转动惯量。

所述单片机数据采集与控制装置主要包括单片机、电源模块、USB串行通信模块和PWM电机调速驱动模块。所述电源模块分别与单片机、USB串行通信模块、PWM电机调速驱动等模块连接，从而将外接的直流电源转换为不同的电压幅值为各模块提供所需电压。所述单片机上的程序存储器中写入软件模块，反馈旋转编码器和指令旋转编码器分别与单片机连接，单片机与PWM电机调速驱动模块连接，USB串行通信模块与单片机连接。上位机发出的控制指令通过USB串行通信模块传给单片机，单片机通过其软件模块运算出相应的PWM信号，控制PWM电机调速驱动模块，从而通过直流电机控制机械系统的运动；同时反馈用的旋转编码器实时采集直流电机实际转速信息，单片机接收到旋转编码器传来的脉冲信号通过软件模块运算处理得到机械系统的运动状态信息并经USB串行通信模块传给上位机，由上位机软件显示。 

所述操作界面与显示软件模块主要实现人机交互，用户通过它可以实现对本教学模型的控制操作，同时能够将机械控制中的一些重要数据显示在界面上，并能够绘制相应的曲线使控制结果更直观。所述的操作界面与显示软件模块包括用户接口模块（操作显示界面）、处理模块和通讯模块。用户接口模块即为操作与显示界面，主要用于向用户提供友好的图形化界面，负责接收用户输入操作，将其转化为后台程序可以识别的信息，以完成相应的操作，另外，对用户行为进行限定，防止用户的误操作导致系统崩溃。用户可通过上位机界面指定不同的控制模式及控制参数，系统自动调用相应的处理模块和通讯模块后向单片机发送控制信息，控制机械装置的运动；并接收单片机回传数据，显示输入输出数据、系统误差、系统时间响应及频率响应的图形等信息。处理模块根据用户接口模块输入的指令及数据，做出相应的运行处理，并将指令及处理后的数据提供给予通讯模块；同时接受通讯模块从下位单片机传来的反馈数据，进行处理后返回给用户接口模块进行图面展示。通讯模块将处理模块所得指令及数据，通过USB口将数据传入下位的单片机，并将单片机传来的数据传回给处理模块。 

所述质量块成对得备有尺寸完全相同但密度不同的质量块，演示的时候可以进行更换，以调节系统的转动惯量。 

所述模型的被控运动装置和单片机数据采集与控制装置均封装在一个长40mm、宽30mm、高10mm的箱体，整个系统采用教室里的交流电源供电，通过一个USB数据线与多媒体教室内的计算机（即安装有操作界面与显示软件模块的上位机）连接，用户直接操作本模型系统编制的操作界面与显示软件模块并结合课程讲解相关知识点完成教学演示。 

相比于现有的以模拟电路为主的试验设备，本发明属于便携式《自动控制原理》的课堂教学演示用模型，有直观显示的观察对象、便携集成度高，成本低，计算机界面直观易学易用，操作安全方便，运行稳定，演示现象直观明显。 

本发明与已公开的现有技术具体例相比： 

1、上海广育科教有限公司生产的模电、数电、自动控制原理实验室成套设备，可以演示典型线性环节的模拟、二阶系统的阶跃响应 、二阶系统的频率响应、线性系统的稳定性的研究、控制系统的校正、典型非线性特性、非线性控制系统特性分析等试验项目，但是其结构复杂、系统庞大、成本高，且没有独立的自动控制原理实验设备，不适用于普通的课堂教学演示。

2、杭州信雅达系统工程有限公司的发明专利以模拟电路实验箱为主，缺少实际可供观察的被控对象，仍旧不能使学生对控制系统产生直观的认识，难以激发学生的积极主动性，对课堂教学效果的提高程度不明显。另外，此装置在实际使用时，需要在各个模块中插入不同的元器件来配置相应的环节，应用于随堂教学演示仍旧不够便捷、直观。 

3、孙大卫、丁兴俊等的《一种典型自动控制原理实验教学设备研究》中阐述的实验设备，以小车为观察对象，用直流测速发电机为测量元件，通过电机输出轴带动直流发电机，将所得的电流测出再通过转换得到实际的转速。而本发明中以质量可变的滑块（在系统测试时可以调节滑块质量，以达到最佳状态）为观察对象，另有标尺可以准确显示观察对象的位置变化过程，结合显示软件，可以在有限的演示空间内更直观准确的显示系统的自动控制过程；另外，直接用与转盘同轴的编码器测出实际转速脉冲且为数字量，数据测量和传送更简单。本发明将被控运动装置、单片机数据采集与控制装置、操作界面与显示软件集成为一整套系统，可方便地与多媒体教室内电脑相连，用户只需在操作界面上选择端口、控制模式和输入参数，系统会自动完成相应的控制过程，并实时显示数据和图像，操作过程简单便捷、演示过程直观、细致、全面。另外，整个系统封装在一个便携式的手提箱中，无需专门的试验室和其他辅助试验设备，属便携式《自动控制原理》课堂教学演示模型，对于激发学生的积极主动性，提高课堂教学效果有重要意义。 

附图说明

图1为本发明被控运动装置结构图。 

图2为图1中转盘部分的局部放大图。 

图3为本发明单片机数据采集与控制装置逻辑框图。 

图4系统原理框图。 

图5为操作界面与显示软件组成原理。 

图6为实施例一中例举的操作显示界面。 

图7系统控制框图之闭环自动控制模式。 

图8系统控制框图之开环控制模式。 

图9系统控制框图之频响测试模式。 

标记说明：1支座 ，2壳体 ，3直流电机，4第一联轴器，5第一齿轮 ，6第二齿轮 ，7第二联轴器，8反馈旋转编码器 ，9转盘，10质量块（两个），11螺栓及螺母 ，12腰形槽，13转盘轴 ，14紧顶螺钉，15刻度直尺，16-悬挂绳索，17-标记物。 

 具体实施方式 

下面结合附图对本发明技术方案作进一步介绍。

本发明模型包括被控运动装置、单片机数据采集与控制装置、操作界面与显示软件三个部分。本教学模型设计了三种控制模式：开环控制模式、闭环控制模式和频响测试模式。可以演示系统的自动控制过程、分析系统的时间响应、频率特性、误差等，可对系统进行校正，使得系统达到稳定性、快速性和准确性的要求。基本包含《自动控制原理》课本中所涉及的知识点。 

本模型整体封装在一个便携式的手提箱中。在进行课堂教学演示时，用户先打开手提箱，将机械部分取出来放置在讲台上，使标尺显示在易于学生观察位置。如图1、图2所示，包括支座1及壳体2、被控运动装置、反馈装置和转动惯量调节装置。所述支座可稳定置于演示台面，支架上固定有壳体。所述被控运动装置包括直流电机3、第一联轴器4、第一齿轮5、转盘轴13、转盘9、刻度直尺15和标记物17，所述直流电机位于所述壳体壁外，直流电机输出轴通过第一联轴器与转盘轴连接，所述转盘通过轴承安装于壳体另一壁外，所述第一齿轮固定于转盘轴上，所述转盘也固定于转盘轴上且转盘与壳体壁之间保持一定间隙； 所述转盘与壳体壁之间间隙处的转盘轴上固定下垂一绳索16，绳索另一端悬挂固定一标记物，该标记物为一重量块，由此转盘轴的正转使得绳索卷绕到转轴上同时标记物上升，或者其反转使得绳索在转轴上退绕同时标记物下降；所述刻度直尺竖向置于所述转盘与壳体壁之间间隙处，并与下垂的绳索竖直平行，刻度直尺可标记标记物的运动位移。所述反馈装置包括旋转编码器8、第二联轴器7、第二齿轮6、第二轴（图中未示），所述旋转编码器与所述直流电机同侧也位于所述壳体壁外，旋转编码器输出轴通过第二联轴器与第二轴连接，所述第二齿轮固定于第二轴上，所述第二齿轮和第一齿轮啮合。所述转动惯量调节装置包括两质量块，质量块开设通孔，所述转盘上开设相互呈中心对称的两个腰形槽12，所述两质量块通过螺栓及螺母11分别固定在转盘的腰形槽内，调节设置质量块在腰形槽内不同位置以调节系统的转动惯量。 

进一步优化，所述转盘设计呈分级台阶状，包括圆盘本体和凸台，两者为一体结构，在凸台径向开孔，通过螺栓拧入孔内夹紧转盘与转盘轴之间的接触，由此实现对转盘在轴向的固定限位作用，使被控运动装置运行更加稳定。 

进一步优化，所述刻度直尺其结构设计带有矩形凹槽，采用该矩形凹槽可视为标记物重量块上升下降运动的导轨，防止标记物运动时水平晃动，使被控运动装置运行更加稳定。刻度直尺直接通过螺钉紧顶在壳体壁上，可实现刻度直尺与壳体之间拆卸式连接，方便快捷，充分利用了封装箱体的空间。 

接着，用USB数据线将单片机数据采集与控制装置与多媒体教室中的电脑相连，再连好电源，打开多媒体教室的电脑（预先安装有操作界面与显示软件模块），使操作界面显示在投影幕上，在操作界面上启动系统。多媒体教室的电脑通过USB在单片机数据采集与控制装置之间进行双向通信。上位机给下层传递控制指令和参数，下层给上层传输被控物体的位置信息，如图4所示。 

如图3所示的单片机数据采集与控制装置逻辑框图，主要包括单片机PIC16F877、电源模块、USB串行通信模块和PWM电机调速驱动模块。所述电源模块分别与单片机PIC16F877、USB串行通信模块中的FT245BM芯片、PWM电机调速驱动等模块连接，从而将外接的直流电源转换为不同的电压幅值为各模块提供所需电压。所述单片机上的程序存储器中写入软件模块，反馈旋转编码器和指令旋转编码器的A、B相引脚与单片机PIC16F877的RA0～RA3连接，单片机PIC16F877的PWM引脚与PWM电机调速驱动模块的PWM引脚连接，FT245BM芯片的D0～D7双向数据总线引脚与单片机PIC16F877的RD0～RD7连接，其读写控制线引脚分别于单片机PIC16F877相应的控制引脚相连接。上位机发出的控制指令通过USB串行通信模块传给单片机，单片机通过其软件模块运算出相应的PWM信号，控制PWM电机调速驱动模块，从而通过直流电机控制机械系统的运动；同时反馈用的旋转编码器实时采集直流电机实际转速信息，单片机接收到旋转编码器传来的脉冲信号通过软件模块运算处理得到机械系统的运动状态信息并经USB串行通信模块传给上位机，由上位机软件显示。 

所述操作界面与显示软件模块主要实现人机交互，用户通过它可以实现对本教学模型的控制操作，同时能够将机械控制中的一些重要数据显示在界面上，并能够绘制相应的曲线使控制结果更直观。 

所述操作界面与显示软件模块包括用户接口模块（操作显示界面）、处理模块和通讯模块，如图5所示： 

用户接口模块即为操作与显示界面，主要用于向用户提供友好的图形化界面，负责接收用户输入操作，将其转化为后台程序可以识别的信息，以完成相应的操作，另外，对用户行为进行限定，防止用户的误操作导致系统崩溃。用户可通过上位机界面指定不同的控制模式及控制参数，系统自动调用相应的处理模块和通讯模块后向单片机发送控制信息，控制机械装置的运动；并接收单片机回传数据，显示输入输出数据、系统误差、系统时间响应及频率响应的图形等信息。

处理模块根据用户接口模块输入的指令及数据，做出相应的运行处理，并将指令及处理后的数据提供给予通讯模块；同时接受通讯模块从下位单片机传来的反馈数据，进行处理后返回给用户接口模块进行图面展示。 

通讯模块将处理模块所得指令及数据，通过USB口将数据传入下位的单片机，并将单片机传来的数据传回给处理模块。 

实施例一 

如图6所示，课堂演示时，用户首先在操作界面上选择端口和控制方式，其次再选择控制模式，界面将自动跳转至该模式下。以闭环控制模式为例说明，如图5、图7所示：

用户先在界面上输入指令位移和初始PID参数，用户接口模块会调用数据处理模块对其进行处理，处理模块处理完数据后调用通讯模块通过USB将数据传输给单片机，单片机经软件模块运算后输出PWM调速信号控制电机转速，电机通过联轴器与转盘轴连接，驱动转盘轴转动，固定在此转盘轴上的细线使得标志物在导轨内上下运动。

反馈编码器通过第二齿轮与转盘轴上的第一齿轮啮合，可以实时监测直流电机的实际转速并传给单片机，单片机内的程序进行运算处理后得出被控物体的实际位置、速度、电机转速、电压等信息，再经USB传输给上位机，在界面上显示。 

在此过程中，可调节转盘上质量块的在转盘上的径向位置以改变系统的转动惯量。若调节系统的转动惯量还不能使系统达到稳、准、快的要求，则可以在界面上通过调整PID参数来调节系统，最终使系统达到稳、准、快的性能要求。 

用户可以在界面上选择控制指令，用软件画出系统输入和输出的图形。其他控制模式（如图8、图9）的操作与闭环控制模式类似，只是控制参数不同。学生可以一面观察转盘转动、标记的实际位置移动，结合界面显示的数据、软件绘制的图像以及老师的讲解更加深对自动控制原理的认识和理解。 

实施例二 

在演示中过程中，指令位置可以通过如实施例一操作界面输入，也可通过本实施例指令编码器输入，如图3所示。使用指令编码器输入可以使学生比较清楚的看到输入和输出的关系，特别是可以让同学亲自操作，加深印象。

Claims (4)

1.一种便携式《自动控制原理》课堂教学演示模型，其特征在于，该模型包括被控运动装置、单片机数据采集与控制装置、操作界面与显示软件模块三个部分，该模型整体封装在一个便携式的手提箱中，其中：

所述被控运动装置是整个教学模型的基础部分，它包括支座及壳体、被控运动装置、反馈装置和转动惯量调节装置；

所述支座可稳定置于演示台面，支架上固定有壳体；

所述被控运动装置包括直流电机、第一联轴器、第一齿轮、转盘轴、转盘、刻度直尺和标记物，所述直流电机位于所述壳体壁外，直流电机输出轴通过第一联轴器与转盘轴连接，所述转盘通过轴承安装于壳体另一壁外，所述第一齿轮固定于转盘轴上，所述转盘也固定于转盘轴上且转盘与壳体壁之间保持一定间隙；所述转盘与壳体壁之间间隙处的转盘轴上固定下垂一绳索，绳索另一端悬挂固定一标记物，该标记物为一重量块，所述刻度直尺竖向置于所述转盘与壳体壁之间间隙处，并与下垂的绳索竖直平行；

所述反馈装置包括旋转编码器、第二联轴器、第二齿轮、第二轴，所述旋转编码器与所述直流电机同侧也位于所述壳体壁外，旋转编码器输出轴通过第二联轴器与第二轴连接，所述第二齿轮固定于第二轴上，所述第二齿轮和第一齿轮啮合；

所述转动惯量调节装置包括两质量块，质量块开设通孔，所述转盘上开设相互呈中心对称的两个腰形槽，所述两质量块通过螺栓螺母分别固定在转盘的腰形槽内，调节设置质量块在腰形槽内不同位置以调节系统的转动惯量；

所述单片机数据采集与控制装置包括单片机、电源模块、USB串行通信模块和PWM电机调速驱动模块，

所述电源模块分别与单片机、USB串行通信模块、PWM电机调速驱动模块连接，从而将外接的直流电源转换为不同的电压幅值为各模块提供所需电压，

所述单片机具体为单片机PIC16F877,

所述单片机上的程序存储器中写入软件模块，反馈旋转编码器和指令旋转编码器的A、B相引脚与单片机的RA0～RA3连接，单片机的PWM引脚与PWM电机调速驱动模块的PWM引脚连接，USB串行通信模块与单片机连接，

上位机发出的控制指令通过USB串行通信模块传给单片机，单片机通过其软件模块运算出相应的PWM信号，控制PWM电机调速驱动模块，从而通过直流电机控制机械系统的运动；同时反馈用的旋转编码器实时采集直流电机实际转速信息，单片机接收到旋转编码器传来的脉冲信号通过软件模块运算处理得到机械系统的运动状态信息并经USB串行通信模块传给上位机，由上位机软件显示；

所述的操作界面与显示软件模块包括用户接口模块、处理模块和通讯模块，

所述用户接口模块即为操作与显示界面，主要用于向用户提供友好的图形化界面，负责接收用户输入操作，将其转化为后台程序可以识别的信息，以完成相应的操作；用户可通过上位机界面指定不同的控制模式及控制参数，系统自动调用相应的处理模块和通讯模块后向单片机发送控制信息，控制机械装置的运动；并接收单片机回传数据，显示输入输出数据、系统误差、系统时间响应及频率响应的图形信息；

所述处理模块根据用户接口模块输入的指令及数据，做出相应的运行处理，并将指令及处理后的数据提供给予通讯模块；同时接受通讯模块从下位单片机传来的反馈数据，进行处理后返回给用户接口模块进行图面展示；

所述通讯模块将处理模块所得指令及数据，通过USB口将数据传入下位的单片机，并将单片机传来的数据传回给处理模块。

2.如权利要求1所述的便携式《自动控制原理》课堂教学演示模型，其特征在于，所述转盘设计呈分级台阶状，包括圆盘本体和凸台，两者为一体结构，在凸台径向开孔，通过螺栓拧入孔内加紧转盘与转盘轴之间的接触，实现对转盘在轴向的固定限位。

3.如权利要求1所述的便携式《自动控制原理》课堂教学演示模型，其特征在于，所述刻度直尺其结构设计带有矩形凹槽，采用该矩形凹槽可视为标记物重量块上升下降运动的导轨，防止标记物运动时水平晃动。

4.如权利要求1所述的便携式《自动控制原理》课堂教学演示模型，其特征在于，所述质量块备有成对的尺寸完全相同但密度不同的质量块。

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