Автоматизированный учебно-лабораторный комплекс

Изобретение относится к области электроники и электротехники и может быть использовано при проведении лабораторных работ и самостоятельной проектной деятельности учебных заведений по дисциплине «Теория автоматического управления».

Известен универсальный лабораторный стенд, предназначенный для изучения электроники, электротехники, физики и включающий основание, источник электрического питания, функциональный генератор сигналов, снабженный частотомером, мультиметр, физическую схему с необходимыми элементами и соединительные кабели (RU 2418317, МПК G09B 23/18, опубл. 10.05.2011).

Известен учебно-лабораторный комплекс, содержащий функциональный генератор, снабженный частотомером, измерительные приборы, панель индикации и управления, источник питания, выполненный в виде двух регулируемых источников, гальванически не связанных друг с другом, смонтированных на съемной панели элементами исследуемых электрических и электронных схем. Съемная панель снабжена специализированным разъемом для подключения к цепям учебно-лабораторного комплекса. Комплекс выполнен по модульной схеме из двух или более корпусов, крепящихся друг к другу легкоразъемными механическими соединениями, обеспечивающими в том числе электрическое соединение сопрягаемых корпусов, причем один из корпусов является самостоятельным устройством - лабораторным источником питания, в состав которого дополнительно входят два нерегулируемых источника постоянного напряжения, оснащенных световой индикацией наличия аварийного режима работы, остальные корпусы представляют собой самостоятельные модули с согласованным набором элементов исследуемых электрических и электронных схем, а также измерительных устройств. Каждый из корпусов оснащен встроенной, убираемой в корпус ручкой для транспортировки (RU 140456, МПК G09B 23/18, опубл. 10.05.2014).

Известен учебно-лабораторный комплекс, содержащий функциональный генератор, снабженный частотомером, источник питания, выполненный в виде двух регулируемых, гальванически не связанных друг с другом источников, мультиметры, нерегулируемые стабилизированные источники питания, съемные картриджи (блоки типовых звеньев) с необходимыми для опытов элементами, панель индикации и управления, источник трехфазного симметричного напряжения, регулируемый по частоте и амплитуде выходного сигнала, имеющий цветовую светосигнальную индикацию наличия напряжения по каждой из фаз и оснащенный встроенным частотомером с цифровой индикацией (RU 144712, МПК G09B 23/18, опубл. 27.08.2014).

Недостатком известных технических решений является невозможность автоматизации процесса фиксации и последующей обработки результатов экспериментов.

Известен комплект лабораторного оборудования «Теория автоматического управления», выполненный в стендовом исполнении в виде вертикальной стойки. В состав стенда входят: однофазный источник питания, блок измерителя-регулятора, блок электрической печи сопротивления, преобразователь интерфейсов USB/RS-485, лабораторный стол с контейнером для проводников и одноуровневой рамой, переносной персональный компьютер, набор аксессуаров для комплекта НПИД1-С-К (Теория автоматического управления. Исполнение стендовое компьютерное ТАУ1-С-К. Режим доступа: http://www.galsen.ru/catalog/set/35/273/1183/. - Загл. с экрана).

К недостаткам известного комплекта лабораторного оборудования можно отнести ограниченное число тем (12 базовых экспериментов по двум темам: исследование автоматических систем управления и настройка натурного ПИД-регулятора автоматической системы управлении), по которым возможно проведение лабораторных работ, а также невозможность исследования отдельных типовых звеньев цепей управления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является комплект лабораторного оборудования «Теория автоматического управления», выполненный в стендовом исполнении. В состав стенда входят: модуль питания стенда, модуль функционального генератора, модуль типовых динамических звеньев (блок типовых звеньев), модуль регуляторов, модуль системы ШИП-ДПТ, модуль измерителя АХЧ (частотомер и осциллограф), электромашинный агрегат, персональный компьютер, комплект силовых кабелей и соединительных проводов, лабораторный стол (Теория автоматического управления. Исполнение стендовое компьютерное ТАУ-СК. Режим доступа: http://www.uralstend.ru/shop/purple/teorija_avtomaticheskogo_upravlenija/teorija_avtomaticheskogo_upravlenija_ispolnenie_stendovoe_kompjuternoe_tau-sk/. - Загл. с экрана).

Недостатком известного технического решения является невозможность составления и исследования сложных типовых динамических звеньев.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей учебно-лабораторного комплекса, автоматизации процесса фиксации и обработки результатов измерений и повышении эффективности проведения занятий за счет введения в состав комплекса блоков сменных типовых звеньев с возможностью их последовательного и параллельного соединения.

Сущность изобретения заключается в том, что автоматизированный учебно-лабораторный комплекс содержит генератор произвольных и функциональных сигналов, снабженный частотомером, и соединен со сменными блоками типовых звеньев, персональным компьютером и двухканальным цифровым осциллографом, который соединен в свою очередь со сменными блоками типовых звеньев и персональным компьютером, подключенным к однофазному источнику питания, подключенным к сети переменного тока напряжением 220 В.

На чертеже представлена структурная схема автоматизированного учебно-лабораторного комплекса.

Автоматизированный учебно-лабораторный комплекс содержит генератор произвольных и функциональных сигналов 1, снабженный частотомером 2. Генератор 1 через выходные клеммы при помощи соединительных проводов соединен с блоками сменных типовых звеньев 3 и двухканальным цифровым осциллографом 4, а через присоединительный разъем подключен к персональному компьютеру 5. Двухканальный цифровой осциллограф 4 через присоединительный разъем подключен к персональному компьютеру 5, который в свою очередь соединен с однофазным источником питания 6, подключенным к сети переменного тока напряжением 220 В.

Все элементы устройства, соединенные между собой соединительными проводами, расположены в отдельных корпусах и установлены на металлической стойке, позволяющей производить установку и снятие отдельных блоков типовых звеньев 3 без применения специальных инструментов.

Генератор произвольных и функциональных сигналов 1 предназначен для получения сигналов вида меандр и синус, а также сигналов специальной и произвольной формы частотой от 0,1 до 5 МГц с разрешением 0,01 Гц. Амплитуда сигналов до 20 В. Выходной ток 50 мА (пик 100 мА). Фильтр низких частот генератора имеет возможность настройки на частоты 5 МГц, 1 МГц, 10 КГц, 1 КГц.

Частотомер 2 имеет два канала. Первый канал позволяет производить измерения в диапазоне 0-25 МГц. Амплитуда входного сигнала от 400 мВ до 25 В. Второй канал позволяет производить измерения в диапазоне от 25 МГц до 2,7 ГГц. Входная мощность ±20 dbm.

В зависимости от поставленной задачи сменные блоки типовых звеньев 3 (блок усилительного (безынерционного) звена, блок инерционного (апериодического) звена, блок дифференцирующего звена, блок интегрирующего звена, блок запаздывающего звена, блок колебательного звена, блок суммирующего звена) могут подключаться с помощью соединительных проводов как последовательно, так и параллельно между собой.

Двухканальный цифровой осциллограф 4 предназначен для измерения параметров сигналов вида меандр и синус, а также сигналов специальной и произвольной формы. Полоса пропускания составляет 60 МГц. Скорость развертки от 5 нс/дел до 100 с/дел. Усиление по вертикали от 5 мВ/дел до 5 В/дел.

Персональный компьютер 5 предназначен для фиксации и последующей обработки результатов экспериментов.

Автоматизированный учебно-лабораторный комплекс работает следующим образом.

Генератор произвольных и функциональных сигналов 1 вырабатывает сигналы вида меандр, синус или сигналы специальной и произвольной формы частотой от 0,1 до 5 МГц, которые поступают на сменные блоки типовых звеньев 3. Настроенные и соединенные между собой сменные блоки типовых звеньев 3 преобразуют поступающие сигналы вида меандр, синус или сигналы специальной и произвольной формы в соответствии с передаточной функцией блоков. На передней панели блоков 3 расположены рукоятки переключателей, при помощи которых производится настройка сменных блоков типовых звеньев 3. Далее преобразованный блоком 3 сигнал подается на входные клеммы первого канала двухканального цифрового осциллографа 4 вида меандр, синус или сигналы специальной и произвольной формы в первоначальном (не преобразованном) виде. На входные клеммы второго канала двухканального цифрового осциллографа 4 поступают сигналы вида меандр, синус или сигналы специальной и произвольной формы в преобразованном виде. Затем результаты измерений сигналов вида меандр, синус или сигналов специальной и произвольной формы передаются на персональный компьютер 5, где производится фиксация и последующая обработка результатов измерений.

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет расширить функциональные возможности комплекса, автоматизировать процесс фиксации и обработки результатов измерений и повысить эффективность работы за счет введения в состав автоматизированного учебно-лабораторного комплекса сменных блоков типовых звеньев с возможностью их последовательного и параллельного соединения.