便携式课堂教学演示模型制造技术

本发明专利技术便携式《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。本发明专利技术便携集成度高、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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自动控制领域，具体应用于便携式课堂教学演示模型。
技术介绍
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、综合素质闻，富有创新精神的机械类和能源与动力类的闻级专门人才。 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I、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；(组低压直流稳压电源山组单相市电输出，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、I 台主控演示台、13只MF500万用表、13只数字万用表、39只指针式I. 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的专利技术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。其专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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RAO 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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周奇才，熊肖磊，陶元，郭牧南，王立，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：