CN103426344B - 自动控制实验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动控制实验台。本发明解决现有技术存在与实际结合较差，对比性不强的问题，其技术方案要点是：包括控制电路、直流励磁电源、涡流测功机、按键输入电路、PID电路模块、转矩传感器、光电编码器和显示电路，按键输入电路与控制电路电连接，直流励磁电源的输入端与市电连接，直流励磁电源的控制端与控制电路的输出端电连接，直流励磁电源的输出端通过PID电路模块与涡流测功机的电源端连接，涡流测功机与被测电机连接，光电编码器的测试端和转矩传感器的测试端都与涡流测功机连接，光电编码器的数据输出端和转矩传感器的数据输出端均与控制电路电连接，PID电路模块的控制端与控制电路电连接。本发明与实验效果好。

Description

自动控制实验台

技术领域

本发明是一种实验器材，特别是涉及一种自动控制实验台。

背景技术

自动化教育是大多数高等院校常设的课程，自动化在电学、机电领域的应用尤为广泛，特别是成熟的PID调节、闭环回路控制系统，更是自动化领域必修的基础课程。学好PID调节，并对闭环回路控制系统进行实验是学习PID调节、学好自动化的基础，但是目前的教学往往以仿真为主，matlab仿真虽然十分方便，精确程度也高，但是仿真终究有其局限性，为此开发一种深入结合机电设备，控制精准的自动控制试验台对于自动化教学是十分必要的。

中国专利公开号：CN101556746A，公开日2009年10月14日，公开了一种电工电子及自动化综合实验装置，其特征是：在开关控制模块中，空气开关、接触器触点和热继电器连接，三相电源经过空气开关、接触器触点和热继电器向变频器实验单元提供三相电压；小空气开关、按钮和线圈连接，三相电源通过小空气开关、按钮和线圈控制接触器触点开启；接触器触点、变压器和熔断器连接，取三相电源的双相电压经过接触器触点、变压器和熔断器向直流电源实验模板提供交流电压；在变频器实验单元中，开关量控制模块与变频器控制模板单向连接，向变频器控制模板提供驱动电压，变频器控制模板与驱动对象变频电动机连接；在单片机实验模板中，由开关量控制模板通过电源通过单片机的输入口与单片机芯片单向输入连接，输入键盘通过单片机输入口与单片机芯片单向输入连接提供控制指令，由外部设备中的传感器通过AD转换经单片机芯片输入口与单片机单向输入连接，计算机PC/IPC通过传输数据接口与单片机芯片双向连接传输数据，单片机芯片输出口与数码管、LED显示、液晶显示、蜂鸣器以及外部设备中的驱动电路单向输出连接实行指令，驱动电路可以直接与工业控制对象连接，也可以通过变频器实验单元与工业控制对象连接；在可编程控制器技术单元中，可编程控制器技术单元与计算机、操作面板双向连接，可编程控制器技术单元输出可以直接与控制对象双向连接也可以通过变频器实验单元与控制对象双向连接。此技术方案虽然能够辅助进行自动化实验，但是此技术方案还是偏重与软件计算方面，学生对于实际的PID硬件控制的认识不深，在自动化教学中，容易让学生产生理论与实际不对应的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决目前的技术方案存在与实际机电设备结合较差，实验对比性不强的问题，提供一种与实际机电设备结合较好，能够直观进行控制、能够精确调整闭环控制回路的自动控制实验台。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自动控制实验台，用于对被测电机进行不稳定性测量实验，由市电供电，包括控制电路、直流励磁电源、涡流测功机、按键输入电路、PID电路模块、转矩传感器、光电编码器和显示电路，按键输入电路与所述的控制电路电连接，所述直流励磁电源的输入端与市电连接，直流励磁电源的控制端与所述的控制电路的输出端电连接，直流励磁电源的输出端通过PID电路模块与涡流测功机的电源端连接，涡流测功机与所述的被测电机连接，所述光电编码器的测试端和转矩传感器的测试端都与所述的涡流测功机连接，所述光电编码器的数据输出端和转矩传感器的数据输出端均与所述的控制电路电连接，所述PID电路模块的控制端与所述的控制电路电连接，所述显示电路与所述的控制电路电连接。本发明通过设计一个涡流测功机为主要测试元件的电路系统，可以对电机的不稳定特性进行测试，这个是一个最基础的实验步骤，实验时，控制电路、涡流测功机、由光电编码器和转矩传感器构成的反馈回路、直流励磁电源构成带有反馈的闭环回路系统，学生可通过控制电路的软件方式调整参数即可控制直流励磁电源的输出，进而控制涡流测功机，完成对电机不稳定特性的测量，而PID电路模块的引入则是将具体的比例积分微分调节方式以电路的形式引入闭环系统中，学生可以通过按键输入调整PID电路模块中具体电气、电子元件的参数，可以直观理解一般工业产品生产线上没有高频工作的处理芯片、没有软件编程的情况下是如何进行参数调整达到自动控制的目的的，也能直观反映PID电路模块的具体工作作用。本发明中的控制电路可自由选择为DSP电路、单片机电路或工控机电路。

作为优选，所述的PID电路模块包括开关S1、开关S2、开关S3、双联开关S4、加法运算电路、比例运算模块、积分运算模块和微分运算模块，所述的直流励磁电源的输出端与双联开关S4的第二静触点连接，比例运算模块通过开关S1与加法运算电路输入端连接，积分运算模块通过开关S2与加法运算电路输入端连接，微分运算模块通过开关S3与加法运算电路输入端连接，加法运算电路的输出端与双联开关S4的第一静触点连接，双联开关S4的动触点与涡流测功机的输入端连接。本发明采用了将PID电路模块具体拆分为比例运算模块、积分运算模块和微分运算模块，通过闭合不同的开关即可实现三种运算模块可以自由进行组合，形成PI控制、PD控制和PID控制，也可以直接控制双联开关S4，切除PID电路模块，直接采用软件程序进行参数调整，可以让使用者直观感受不同的自动控制的情况。

作为优选，所述的比例运算模块由集成运放和数字变阻器构成，积分运算模块和微分运算模块均为由集成运放、电容和数字变阻器构成，所述的数字变阻器的控制端均与控制电路电连接。本发明中比例运算模块、积分运算模块和微分运算模块均为经典的电路模块，可以参考《模拟电子技术基础》第二版第160页、第164页和165页，不同点在于本申请中所用的电阻均采用数字变阻器，数字变阻器的控制端均与控制电路电连接，使用者可以通过控制电路对数字变阻器进行调节，控制电路可以获取数字变阻器的具体数值，由于涡流测功机等其他实验设备的参数预先输入至控制电路，控制电路可以提前判断是否有稳定性问题，一旦发现可能导致涡流测功机出现崩溃或过流等状况时可以提前报警。

作为优选，所述的控制电路包括DSP芯片、PWM芯片、隔离驱动器、测流用的电阻R1和电流传感器，直流励磁电源的输出端通过电阻R1与PID电路模块的输入端连接，电流传感器的检测端与电阻R1电连接，电流传感器的输出端输出反馈信号与PWM芯片电连接，PWM芯片的控制端与DSP芯片电连接，PWM芯片的输出端通过隔离驱动器与所述直流励磁电源的控制端连接。PWM控制是常用的控制方式，本发明采用如此的结构形式，可以通过电阻R1进行测量电流，作为反馈参数，由PWM芯片接收反馈进行电流控制。

作为优选，所述的自动控制实验台还包括干扰电阻R2和继电器KA，所述的继电器KA为双联触点继电器，所述的控制电路通过继电器KA的线圈接地，继电器KA的动触点与涡流测功机连接，继电器KA的第一静触点通过干扰电阻R2与直流励磁电源连接，继电器KA的第二静触点直接与直流励磁电源连接。这样设置，采用了串入电阻R2作为干扰源的形式，控制电路可以随时将干扰源引入系统中，方便学生在做实验室直接感受干扰的作用，和如何去干扰，明白在一个系统中稳定的重要性，有助于学生理解系统稳定性。

作为优选，所述的自动控制实验台还包括模拟量输出单元、模拟量设定单元和差值比较单元，所述模拟量输出单元的输入端与控制电路电连接，模拟量输出单元和模拟量设定单元的输出端均与所述的差值比较单元输入端连接，差值比较单元的输出端与所述的控制电路电连接。本发明采用如此结构，是由于涡流测功机是采用模拟量设定的，涡流测功机的输出也是模拟量，但是两者模拟量转换为数字量之后，精度有所下降，而且转换之后的差值相比原有的模拟量来说数据比例相差太大，在转换过程中，很可能被直接忽略掉，因此不适用与做模数转换之后比较，本发明采用了模拟量输入和模拟量输出直接比较的方式，克服了上述缺点，达到了较高的精度。

作为优选，所述加法运算电路与所述涡流测功机之间串联有熔断器FU。由于实际使用时，不可避免有学生会产生超调或者系统稳定性出现问题导致过流，这种情况下，熔断器熔断可以有效保护涡流测功机。应当注意的是，在串励电机实验中，本优选方案不适用。

作为优选，所述的自动控制实验台还包括报警电路，所述的报警电路与所述的控制电路电连接。由于所有的参数都可以预先输入至控制电路，因此，控制电路可以根据数字变阻器的数字变化直接推算出是否可能造成系统崩溃，因此，控制电路可以直接通过报警电路进行报警，报警模块可是语音和声光模块，一方面保护了系统的安全，另外一方面也可以到达指示学生的作用，例如在比例运算模块中将比例参数调节过大了，报警模块直接报警指示，可以帮助学生早早的找到问题所在。

本发明的实质性效果是：本发明结构简单，使用方便，成本较低，与实际机电设备结合较好，能够直观进行控制、能够精确调整闭环控制回路，本发明能够通过硬件方式实现P调节、PI调节和PID调节等各种调节方式，也可以通过软件方式调节，多种调节方式并存适合各种学生实验，同时本发明创造性的引入了干扰电阻，增强了学生对于干扰的认识和对于系统稳定性的认识。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图。

图中：1、整流桥，2、DC/AC变换电路，3、整流滤波电路，4、比例运算模块，5、积分运算模块，6、微分运算模块，7、光电编码器，8、转矩传感器，9、涡流测功机，10、按键输入电路，11、显示电路，12、报警电路，13、差值比较单元，14、模拟量设定单元，15、模拟量输出单元，16、电流传感器，17、TL494芯片，18、隔离驱动器，20、DSP芯片。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例：

一种自动控制实验台，用于对被测电机进行不稳定性测量实验，由市电供电，包括控制电路、直流励磁电源、涡流测功机9、按键输入电路10、PID电路模块、转矩传感器8、光电编码器7和显示电路11，按键输入电路与控制电路电连接，直流励磁电源的输入端与市电连接，直流励磁电源的控制端与控制电路的输出端电连接，直流励磁电源的输出端通过PID电路模块与涡流测功机的电源端连接，涡流测功机与被测电机连接，光电编码器的测试端和转矩传感器的测试端都与涡流测功机连接，光电编码器的数据输出端和转矩传感器的数据输出端均与控制电路电连接，PID电路模块的控制端与控制电路电连接。控制电路包括DSP芯片20、PWM芯片17、隔离驱动器18、测流用的电阻R1和电流传感器16，直流励磁电源的输出端通过电阻R1与PID电路模块的输入端连接，电流传感器的检测端与电阻R1电连接，电流传感器的输出端输出反馈信号与PWM芯片电连接，PWM芯片的控制端与DSP芯片电连接，PWM芯片的输出端通过隔离驱动器与直流励磁电源的控制端连接。PID电路模块包括开关S1、开关S2、开关S3、双联开关S4、加法运算电路、比例运算模块4、积分运算模块5和微分运算模块6，直流励磁电源的输出端与双联开关S4的第二静触点连接，比例运算模块通过开关S1与加法运算电路输入端连接，积分运算模块通过开关S2与加法运算电路输入端连接，微分运算模块通过开关S3与加法运算电路输入端连接，加法运算电路的输出端与双联开关S4的第一静触点连接，双联开关S4的动触点与涡流测功机的输入端连接。比例运算模块由集成运放和数字变阻器构成，积分运算模块和微分运算模块均为由集成运放、电容和数字变阻器构成，数字变阻器的控制端均与控制电路电连接。自动控制实验台还包括干扰电阻R2和继电器KA，继电器KA为双联触点继电器，控制电路通过继电器KA的线圈接地，继电器KA的动触点与涡流测功机连接，继电器KA的第一静触点通过干扰电阻R2与直流励磁电源连接，继电器KA的第二静触点直接与直流励磁电源连接。自动控制实验台还包括模拟量输出单元15、模拟量设定单元14和差值比较单元13，模拟量输出单元的输入端与控制电路电连接，模拟量输出单元和模拟量设定单元的输出端均与差值比较单元输入端连接，差值比较单元的输出端与控制电路电连接。加法运算电路与涡流测功机之间串联有熔断器FU。自动控制实验台还包括报警电路12，报警电路与控制电路电连接。本实施例中的直流励磁电源包括整流桥1、电感L、DC/AC变换电路2、变压线圈T1和整流滤波电路3，整流桥的输入端与市电连接，整流桥的输出端通过电感L与DC/AC变换电路的输入端连接，DC/AC变换电路的控制端与隔离驱动器连接，DC/AC变换电路的输出端通过变压线圈T1与整流滤波电路的输入端连接，整流滤波电路的输出端输出励磁电流。本实施例中的DSP芯片为TMS320LF2407A芯片，PWM芯片为TL494芯片，本实施例中的加法器也由集成运放和电阻构成。

本实施例中的加法器、比例运算模块、积分运算模块和微分运算模块均为经典的电路模块，可以参考《模拟电子技术基础》第二版第160页、第164页和165页，不同点在于本申请中所用的电阻均采用数字变阻器，数字变阻器的控制端均与控制电路电连接，使用者可以通过控制电路对数字变阻器进行调节，控制电路可以获取数字变阻器的具体数值，由于涡流测功机等其他实验设备的参数预先输入至控制电路，控制电路可以提前判断是否有稳定性问题，一旦发现可能导致涡流测功机出现崩溃或过流等状况时可以提前报警。

本实施例，通过设计一个涡流测功机为主要测试元件的电路系统，可以对电机的不稳定特性进行测试，这个是一个最基础的实验步骤，实验时，控制电路、涡流测功机、由光电编码器和转矩传感器构成的反馈回路、直流励磁电源构成带有反馈的闭环回路系统，学生可通过控制电路的软件方式调整参数即可控制直流励磁电源的输出，进而控制涡流测功机，完成对电机不稳定特性的测量，而PID电路模块的引入则是将具体的比例积分微分调节方式以电路的形式引入闭环系统中，学生可以通过按键输入调整PID电路模块中具体电气、电子元件的具体参数，可以直观理解一般工业产品生产线上没有高频工作的处理芯片、没有软件编程的情况下是如何进行参数调整达到自动控制的目的的，也能直观反映PID电路模块的具体工作作用。本实施例采用了将PID电路模块具体拆分为比例运算模块、积分运算模块和微分运算模块，通过闭合不同的开关即可实现三种运算模块可以自由进行组合，关闭开关S1和开关S2即可形成PI控制、关闭开关S1和开关S3即可形成PD控制和关闭开关S1、开关S2和开关S3即可形成PID控制，也可以直接控制双联开关S4，切除PID电路模块，直接采用软件程序进行参数调整，可以让使用者直观感受不同的自动控制的情况。由于DSP芯片有软件控制的存在，一旦学生错误关闭开关S3和开关S2等错误闭合情况，DSP芯片输出控制信号至报警电路，报警电路直接报警，起到指示作用，防止了系统崩溃的产生。由于所有的参数都可以预先输入至控制电路，因此，DSP芯片可以根据数字变阻器的数字变化直接推算出是否可能造成系统崩溃，直接通过报警电路进行报警，报警模块可是语音和声光模块，一方面保护了系统的安全，另外一方面也可以到达指示学生的作用，例如在比例运算模块中将比例参数调节过大了，报警模块直接报警指示，可以帮助学生早早的找到问题所在。显示电路作为输出的一个窗口可以显示当前的转矩和转速的波形，还有各种电阻参数、比例放大系数、时间参数，可以帮助学生完成实验，和对比实验结果。

本实施例结构简单，使用方便，成本较低，与实际机电设备结合较好，能够直观进行控制、能够精确调整闭环控制回路，本发明能够通过硬件方式实现P调节、PI调节和PID调节等各种调节方式，也可以通过软件方式调节，多种调节方式并存适合各种学生实验，同时本发明创造性的引入了干扰电阻，增强了学生对于干扰的认识和对于系统稳定性的认识。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (4)

1.一种自动控制实验台，用于对被测电机进行不稳定性测量实验，由市电供电，其特征在于：包括控制电路、直流励磁电源、涡流测功机、按键输入电路、PID电路模块、转矩传感器、光电编码器和显示电路，按键输入电路与所述的控制电路电连接，所述直流励磁电源的输入端与市电连接，直流励磁电源的控制端与所述的控制电路的输出端电连接，直流励磁电源的输出端通过PID电路模块与涡流测功机的电源端连接，涡流测功机与所述的被测电机连接，所述光电编码器的测试端和转矩传感器的测试端都与所述的涡流测功机连接，所述光电编码器的数据输出端和转矩传感器的数据输出端均与所述的控制电路电连接，所述PID电路模块的控制端与所述的控制电路电连接，所述的显示电路与控制电路连接，所述的PID电路模块包括开关S1、开关S2、开关S3、双联开关S4、加法运算电路、比例运算模块、积分运算模块和微分运算模块，所述的直流励磁电源的输出端与双联开关S4的第二静触点连接，比例运算模块通过开关S1与加法运算电路输入端连接，积分运算模块通过开关S2与加法运算电路输入端连接，微分运算模块通过开关S3与加法运算电路输入端连接，加法运算电路的输出端与双联开关S4的第一静触点连接，双联开关S4的动触点与涡流测功机的输入端连接，所述的控制电路包括DSP芯片、PWM芯片、隔离驱动器、测流用的电阻R1和电流传感器，直流励磁电源的输出端通过电阻R1与PID电路模块的输入端连接，电流传感器的检测端与电阻R1电连接，电流传感器的输出端输出反馈信号与PWM芯片电连接，PWM芯片的控制端与DSP芯片电连接，PWM芯片的输出端通过隔离驱动器与所述直流励磁电源的控制端连接，所述的自动控制实验台还包括干扰电阻R2和继电器KA，所述的继电器KA为双联触点继电器，所述的控制电路通过继电器KA的线圈接地，继电器KA的动触点与涡流测功机连接，继电器KA的第一静触点通过干扰电阻R2与直流励磁电源连接，继电器KA的第二静触点直接与直流励磁电源连接，所述的比例运算模块由集成运放和数字变阻器构成，积分运算模块和微分运算模块均为由集成运放、电容和数字变阻器构成，所述的数字变阻器的控制端均与控制电路电连接，使用者通过控制电路对数字变阻器进行调节，控制电路获取数字变阻器的具体数值，由于涡流测功机和实验设备的参数预先输入至控制电路，控制电路提前判断是否有稳定性问题，一旦发现会导致涡流测功机出现崩溃或过流状况时提前报警。

2.如权利要求1的自动控制实验台，其特征在于：所述的自动控制实验台还包括模拟量输出单元、模拟量设定单元和差值比较单元，所述模拟量输出单元的输入端与控制电路电连接，模拟量输出单元和模拟量设定单元的输出端均与所述的差值比较单元输入端连接，差值比较单元的输出端与所述的控制电路电连接。

3.如权利要求1所述的自动控制实验台，其特征在于：所述加法运算电路与所述涡流测功机之间串联有熔断器FU。

4.如权利要求3所述的自动控制实验台，其特征在于：所述的自动控制实验台还包括报警电路，所述的报警电路与所述的控制电路电连接。