CN103295460A - 一种用于自动控制原理教学的温度控制演示系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自动控制原理教学的温度控制演示系统，包括箱体、温度传感器、USB数据采集卡、计算机、可变压电源和发热片，所述的温度传感器和发热片设置在箱体内，所述的USB数据采集卡分别连接温度传感器、计算机和可变压电源，所述的可变压电源与发热片连接：USB数据采集卡接收温度传感器采集的箱体实时温度，并发送给计算机，计算机根据箱体实时温度和设定温度向USB数据采集卡发送输入信号，USB数据采集卡对输入信号进行D/A转换后发送给可变压电源，改变发热片两端的电压，实现箱体温度的闭环控制。与现有技术相比，本发明具有原理简单、易于安装调试、功能多样等优点。

Description

一种用于自动控制原理教学的温度控制演示系统

技术领域

本发明涉及一种教学演示系统，尤其是涉及一种用于自动控制原理教学的温度控制演示系统。

背景技术

在自动控制的教育过程中学生在学习自动控制原理的前期碰到概念多，概念抽象等一系列问题，从而使其很难对自动控制的一些概念、框架能深入理解，这导致了部分学生失去了进一步认真学习自动控制原理的积极性。

目前，通常的自动控制用的温度自动控制教学实验装置大多以真实被控对象或按比例缩小的真实被控对象组成，即采用过程控制中常用如电炉、加热炉等，或者将电炉、加热炉等按比例缩小作为被控实验对象，该控制装置安装在控制柜中，与工业现场所使用的实际装置一样该类装置与生产现场真正的工业过程温度自动控制装置非常接近，控温范围宽，控制柜内线路排布整齐规范，但该类装置价格高，并且体积较大，不易携带，同时不能有效避免学生出现触电、烫伤等异常情况。因此，在完成教学任务的基础上，研发一种结构简单、易于安装调试，并且成本低的温度自动控制教学装置，对于教学过程的方便性及成本的控制有着重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种原理简单、易于安装调试、功能多样的用于自动控制原理教学的温度控制演示系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于自动控制原理教学的温度控制演示系统，包括箱体、温度传感器、USB数据采集卡、计算机、可变压电源和发热片，所述的温度传感器和发热片设置在箱体内，所述的USB数据采集卡分别连接温度传感器、计算机和可变压电源，所述的可变压电源与发热片连接；

USB数据采集卡接收温度传感器采集的箱体实时温度，并发送给计算机，计算机根据箱体实时温度和设定温度向USB数据采集卡发送输入信号，USB数据采集卡对输入信号进行D/A转换后发送给可变压电源，改变发热片两端的电压，实现箱体温度的闭环控制。

所述的箱体的制作材料为透明的有机玻璃。

所述的USB数据采集卡通过USB接口与计算机连接。

所述的USB数据采集卡包括D/A转换通道、第一A/D转换通道和第二A/D转换通道，所述的D/A转换通道与可变压电源连接，所述的第一A/D转换通道与温度传感器连接，所述的第二A/D转换通道与D/A转换通道连接，所述的D/A转换通道、第一A/D转换通道和第二A/D转换通道均连接计算机。

所述的计算机包括相连接的MATLAB/SIMULINK控制模块和FIFO缓冲区，所述的FIFO缓冲区分别与第一A/D转换通道、第二A/D转换通道连接。

所述的MATLAB/SIMULINK控制模块中设有可实现实时控制的RTBLOCK实时性单元。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明系统原理简单，易于安装调试，成本低，适合所有工科类专业学生的学习，该系统可以实现剖析反馈控制系统的基本原理，频率特性测试以及绘制；

2、本发明功能多样，可以实现控制器的综合校正和性能评价；

3、本发明可以让学生针对该对象提高自动控制原理的一些理性和感性的认知并激发其求知欲。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为系统控制原理图。

图中：1-箱体，2-温度传感器，3-USB数据采集卡，4-计算机，5-可变压电源，6-发热片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种用于自动控制原理教学的温度控制演示系统，包括箱体1、温度传感器2、USB数据采集卡3、计算机4、可变压电源5和发热片6，所述的温度传感器2设置在箱体1内，采集箱体实时温度，发热片6设置在箱体1底部，所述的USB数据采集卡3分别连接温度传感器2、计算机4和可变压电源5，所述的可变压电源5连接在发热片6两端。

所述的箱体1的制作材料为透明的有机玻璃，便于观察和演示。

所述的USB数据采集卡3通过USB接口与计算机4连接。所述的USB数据采集卡3包括D/A转换通道、第一A/D转换通道(p1)和第二A/D转换通道(p2)，所述的D/A转换通道与可变压电源5连接，对其进行控制，所述的第一A/D转换通道与温度传感器2连接，所述的第二A/D转换通道与D/A转换通道连接，所述的D/A转换通道、第一A/D转换通道和第二A/D转换通道均连接计算机4，以保证输入和输出同时检测。

所述的计算机包括相连接的MATLAB/SIMULINK控制模块和FIFO缓冲区，所述的FIFO缓冲区分别与第一A/D转换通道和第二A/D转换通道连接。MATLAB/SIMULINK控制模块中包含有设计好的控制器，并设有可实现实时控制的RTBLOCK实时性单元。

上述用于自动控制原理教学的温度控制演示系统工作时，USB数据采集卡3的第一A/D转换通道接收温度传感器2采集的箱体实时温度，并通过USB接口发送给计算机4，计算机4根据箱体实时温度和设定温度向USB数据采集卡发送控制信号，USB数据采集卡对输入信号进行D/A转换后控制可变压电源，改变发热片两端的电压，实现箱体温度的闭环控制，由此形成一个反馈控制系统，如图2所示。

上述用于自动控制原理教学的温度控制演示系统可证MATLAB/SIMULINK控制模块中控制器的设计和评价，采用如下技术方案；

(1)温度传感器2采集到的信号通过USB数据采集卡3的A/D转换，作为整个系统的输出y反馈给计算机中的MATLAB/SIMULINK控制模块。

(2)为保证控制的实时性，在MATLAB/SIMULINK控制模块中加入了RTBLOCK实时性单元，MATLAB/SIMULINK控制模块中已经设计好的控制器根据采集到的输出y和设定的温度值，产生实时的系统输入u。

(3)输入u通过USB数据采集卡进行D/A转换，控制可变压电源，改变发热片两端的电压进而来控制发热片产生的热量，控制箱体温度，最终实现控制器的设计，同时，可以观察温度控制效果，比较控制器。

上述用于自动控制原理教学的温度控制演示系统也可实现实时频率域特性测试，采用如下技术方案：

(1)利用MATLAB/SIMULINK控制模块产生一个正弦扫频信号u＝Asin(ωt)。

(2)正弦扫频信号u＝Asin(ωt)经过USB数据采集卡D/A转换后，分为两条线路，一条直接连接可变压电源，对其进行控制，另一条则输入到USB数据采集卡的第二A/D转换通道；温度传感器的输出信号直接输入到USB数据采集卡的第一A/D转换通道，使得输入和输出同时检测。

(3)上述两个信号经过A/D转换后，都需要进行FIFO缓冲后，再通过USB传给Matlab，以使Matlab得到的输入u＝Asin(ωt)和输出

保持同步。

(4)利用实时同步获得的输入u＝Asin(ωt)和输出

得到系统Bode图。

Claims (6)

1.一种用于自动控制原理教学的温度控制演示系统，其特征在于，包括箱体、温度传感器、USB数据采集卡、计算机、可变压电源和发热片，所述的温度传感器和发热片设置在箱体内，所述的USB数据采集卡分别连接温度传感器、计算机和可变压电源，所述的可变压电源与发热片连接；

USB数据采集卡接收温度传感器采集的箱体实时温度，并发送给计算机，计算机根据箱体实时温度和设定温度向USB数据采集卡发送输入信号，USB数据采集卡对输入信号进行D/A转换后发送给可变压电源，改变发热片两端的电压，实现箱体温度的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于自动控制原理教学的温度控制演示系统，其特征在于，所述的箱体的制作材料为透明的有机玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种用于自动控制原理教学的温度控制演示系统，其特征在于，所述的USB数据采集卡通过USB接口与计算机连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于自动控制原理教学的温度控制演示系统，其特征在于，所述的USB数据采集卡包括D/A转换通道、第一A/D转换通道和第二A/D转换通道，所述的D/A转换通道与可变压电源连接，所述的第一A/D转换通道与温度传感器连接，所述的第二A/D转换通道与D/A转换通道连接，所述的D/A转换通道、第一A/D转换通道和第二A/D转换通道均连接计算机。

5.根据权利要求4所述的一种用于自动控制原理教学的温度控制演示系统，其特征在于，所述的计算机包括相连接的MATLAB/SIMULINK控制模块和FIFO缓冲区，所述的FIFO缓冲区分别与第一A/D转换通道、第二A/D转换通道连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于自动控制原理教学的温度控制演示系统，其特征在于，所述的MATLAB/SIMULINK控制模块中设有可实现实时控制的RTBLOCK实时性单元。

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