[发明专利]便携式课堂教学演示模型

摘要

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。

主权项

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。