本发明专利技术公开了一种灵巧型便携自动控制原理教学实验系统，属于教学实验仪器领域，用于进行自动控制原理相关课程的教学实验，其主要由信号处理模块(1)、电机驱动模块(2)、模拟机模块(3)、控制面板(7)、电机台架(5)、二自由度空间姿态模拟台(6)、PC机(4)组成。本发明专利技术具有以下优势：采用手提箱式设计，重量轻、体积小、外形美观，便于随时随地开展实验学习；集多种实验于一体，满足多种控制类课程实验需求；集成在实验箱面板的模拟机直观易用，金属制的电机台架面向工程实际，二自由度空间姿态模拟台新颖生动；采用模块化设计，可分部更换模块，便于维护与维修；实验系统配备通用拓展接口，能按需求更换或添加新的控制对象。按需求更换或添加新的控制对象。按需求更换或添加新的控制对象。
【技术实现步骤摘要】
一种灵巧型便携自动控制原理教学实验系统
[0001]本专利技术涉及一种灵巧型便携自动控制原理教学实验系统，属于教学实验仪器领域。
技术背景
[0002]控制类课程是我国高校工科类专业的基础课程，而实验作为一种理论与实践相结合的教学方式，能够快速巩固学生对知识的理解。因此，有必要面向《自动控制原理》、《现代控制理论》、《数字控制系统》、《系统辨识》等控制类课程设计一种功能完备的教学实验系统。
[0003]目前国内高校自动控制相关课程配备的同类实验仪器普遍存在以下不足：1.体积庞大且笨重，需要安装在固定实验室中，不便于教师随堂携带与学生课外自学。2.功能较为单一，缺乏多功能性，只能应用于某一课程的某一项实验，加大了实验支出。3.仪器整体复杂且缺乏灵活性，使用期间容易因为各种元件损坏或老化导致整个仪器发生故障，故障不易排查且维修周期长，影响教学正常进行。4.实验仪器的直观度有限，控制对象固定且无法更换，仪器的内容丰富度亟需拓展。
[0004]公开号为CN101017623A的专利公开了一种基于LabView的自动控制原理实验仪器，其由模拟实验箱、AD/DA转换模块和PC机组成，其中AD/DA转换模块与PC机间采用串口通信。该仪器能实现典型环节的电路搭建，经信号转换后传输至上位机进行实验处理。该仪器采用串口通讯，信号传输较慢，效率较低。此外，该仪器功能较为单一，仅能进行电路模拟实验，较为抽象，缺少更直观的控制对象。
[0005]授权公告号为CN102708749B的专利公开了一种便携式课堂教学演示模型。该仪器由被控对象、单片机、操作界面与显示模块组成，能实现直流电机的开环控制、闭环控制与频响测试。但该仪器的控制对象为迷你带齿直流电机，质量过轻、转动惯量较小，控制环境过为理想，学生缺乏对实际控制问题的认识。且控制对象单一，不具拓展性，仪器在课程中使用时间较短。
[0006]针对上述同类实验仪器存在的缺陷，目前仍缺少一种兼具便携性与功能性的自动控制原理教学实验仪器。
技术实现思路
[0007]本专利技术提出了一种轻巧便携、功能全面、维护方便、拓展性强的自动控制原理教学实验系统。能够不局限于实验室，随时随地进行控制类实验，巩固课堂教学效果，培养学生钻研兴趣。
[0008]为实现上述优势，本专利技术提供的技术方案如下：
[0009]所述的一种灵巧型便携自动控制原理教学实验系统，包括信号处理模块、电机驱动模块、模拟机模块、电机台架、二自由度空间姿态模拟台、PC机和控制面板。
[0010]所述的信号处理模块由CPU、AD/DA接口、AD/DA转换器、电机控制接口、电源、以太
网接口组成。其中：以太网接口连接网线至PC上位机；电机控制引脚连接可插拔式接线端子至电机驱动模块；AD/DA接口连接可插拔式接线端子至模拟机模块，同时转换为航空插头连接至二自由度空间姿态模拟台。在自动控制实验中，所述信号处理模块接收来自PC上位机发送的虚拟信号，经AD/DA转换器转换为模拟信号并传输至模拟机模块，模拟机模块输出的信号再交回信号处理模块的AD/DA转换器转换为数字信号，最后通过网线送回PC机。在二自由度姿态模拟实验中，所述信号处理模块接收PC上位机发送的转速指令信号，经AD/DA转换器转换为模拟信号，调理后发送至二自由度空间姿态模拟台；同时信号处理模块接收二自由度空间姿态模拟台中传感器测量信号，经AD/DA转换器转换为数字信号，通过网线传输回PC上位机。
[0011]所述的电机驱动模块由CPU、LED显示接口、电机控制接口、电机信号接口、电源、以太网接口组成。其中：以太网接口连接网线至上位机；电机控制接口连接可插拔式接线端子至信号处理模块与模拟机模块；电机信号接口连接航空插头至电机台架；LED显示接口连接至控制面板的LED显示屏。在电机控制实验中，所述电机驱动模块接收PC上位机发送的转速、位置指令，将传输至信号处理模块，经信号处理模块的DA转换后返回电机驱动模块，电机驱动模块经信号调理后通过航空插头发送至电机台架。同时，电机驱动模块接收来自电机台架的传感器测量信号，送至信号处理模块的AD转换后返回电机驱动模块，将控制指令与测量参数经LED显示接口发送至LED显示屏，并将测量参数通过以太网返回至PC上位机。
[0012]所述的模拟机模块由接线面板、电源、电机控制接口、AD/DA接口组成。其中接线面板由各种型号的固定电阻、电位器、电容与运放组成，各元件端脚留出插孔。使用者可以通过自由连接模拟机模块中的电子元件，实现各种典型环节的搭建。
[0013]所述的电机台架由金属带齿轮盘、光栅编码器、伺服电机、测速电机和磁感探头组成，可用于进行转速、位置的控制实验。所述电机台架与电机驱动模块经航空插头连接，进行伺服电机供电、指令接收与测量信号发送。
[0014]所述的二自由度空间姿态模拟台由两个直流电机模拟的旋翼、支撑架、信号接口、驱动电路板和加速度传感器组成，可用于进行俯仰角与滚转角的控制实验。所述二自由度空间姿态模拟台与信号接口模块经8芯GX16航空插头连接，进行直流电机供电、指令接收与测量信号发送。
[0015]所述的控制面板由箱体、电源开关、LED显示屏、电位旋钮、拨动开关组成。其中电源开关连接至模拟机模块、电机驱动模块与信号处理模块，控制实验系统总电源的通断。LED显示屏连接至电机驱动板的LED显示接口，能够在面板上直观显示电机当前状态参数。拨动开关用于切换电机台架的手动控制与上位机控制模式。电位旋钮用于实现手动模式下的开环转速指令给定。
[0016]相比于市面上现有的自动控制教学实验系统，本专利技术具备的优势是：
[0017](1)本专利技术将多个模块集成至手提箱中，轻便易携带，不局限于实验室，学生能够随时随地开展控制实验。
[0018](2)本专利技术能进行时域特性分析、频域特性分析、线性系统校正、电机控制、二自由度空间姿态控制等实验，功能全面，能满足大多数控制类实验要求。
[0019](3)本专利技术基于模块化理念，各模块间紧密联系而又相互独立，易于故障维修与更换，极大增强了试验系统的可维护性。
[0020](4)本专利技术提出的自动控制教学实验系统采用通用信号接口，除电机台架与二自由度空间姿态模拟台外，用户可自由更换或增加控制对象，增强了实验的丰富度，帮助学生多方位掌握课程知识。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的总体结构框图。
[0022]图2为本专利技术的连接示图。
[0023]图3为本专利技术中典型环节的模拟和特性测试实验操作界面
[0024]图4为本专利技术中频率特性测试实验操作界面
[0025]图5为本专利技术中线性系统校正实验操作界面
[0026]图6为本专利技术中电机控制实验操作界面
[0027]图7为本专利技术中二自由度空间姿态控制实验操作界面
[0028]图1、2中标记：(1)信号处理模块：11
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电源、12
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AD/DA接口、13
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种灵巧型便携自动控制原理教学实验系统包括信号处理模块(1)、电机驱动模块(2)、模拟机模块(3)、电机台架(5)、二自由度空间姿态模拟台(6)、PC机(4)和控制面板(7)：所述的灵巧型便携自动控制原理教学实验系统中，信号处理模块与电机驱动模块均配备网线接口，PC机按照实验需求通过以太网选择与不同的模块连接；所述的信号处理模块、电机驱动模块与模拟机模块封装在实验仪器中，三者间设有灵活的互联接口，可根据不同的实验类型，自由组合模块间的连接；所述控制面板用于实现电机的手动自动模式切换、手动转速给定、电机运动参数显示；所述的电机台架连接至电机驱动模块的信号端，实现控制信号传输、电机传感器参数反馈与电机供电；所述的二自由度空间姿态模拟台连接至信号处理模块，实现控制信号传输、模拟台传感器参数反馈与模拟台电机供电。2.如权利要求1所述的灵巧型便携自动控制原理教学实验系统，其特征在于：所述的教学实验系统中信号处理模块、电机驱动模块、模拟机模块、控制面板集成于便携手提箱中。3.如权利要求1所述的灵巧型便携自动控制原理教学实验系统，其特征在于：所述的教学实验系统各部分采用模块化设计理念，模块间可按需组合以满足不同的实验需...
【专利技术属性】
技术研发人员：郜晨，黄向华，张天宏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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