自動控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了教學(xué)實驗系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的一種自動控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括機(jī)械加載裝置、下位機(jī)、兩個位移傳感器和上位機(jī)；所述下位機(jī)包括CPU和A/D轉(zhuǎn)換模塊；其中，所述上位機(jī)、CPU、機(jī)械加載裝置、兩個位移傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊順次連接；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊分別與所述兩個位移傳感器和CPU連接。本發(fā)明采用機(jī)械裝置構(gòu)成一個典型的二階系統(tǒng)作為控制對象，能夠讓學(xué)生觀察一個實際系統(tǒng)不同受控條件下的運(yùn)行狀態(tài)，更便于直觀教學(xué)和理論聯(lián)系實際。實驗系統(tǒng)對于提高實驗室教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生對控制理論和控制工程的理解認(rèn)識都具有重要的意義。
【專利說明】自動控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于教學(xué)實驗系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種自動控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]《自動控制原理》是高等工科院校自動化專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在專業(yè)課程體系中占有極其重要的地位。但同時由于它是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)，課程涉及的系統(tǒng)分析與設(shè)計方法復(fù)雜，學(xué)生掌握有一定的難度，因此實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的效果對學(xué)生掌握理論知識，對提高本課程的教學(xué)質(zhì)量都起著非常重要的作用。
[0003]目前普遍采用的傳統(tǒng)教學(xué)實驗方法有:基于MATLAB的仿真實現(xiàn)，基于EDA軟件的仿真實現(xiàn)和傳統(tǒng)的工具箱實驗。
[0004]開設(shè)MATLAB仿真實驗，能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維、探索熱情。但是，MATLAB仿真實驗對系統(tǒng)建模與仿真分析是建立在純數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，與實際自動控制系統(tǒng)的設(shè)備、元件、信號等均有一定距離，對培養(yǎng)學(xué)生的實際動手能力有一定不足，而且有時需要調(diào)用函數(shù)，編寫一定的程序。
[0005]基于EDA軟件的仿真實驗，可以進(jìn)行古典控制系統(tǒng)建模、分析與校正實驗，非常適合學(xué)生進(jìn)行自控原理的虛擬實驗。但是，仿真虛擬實驗僅是用虛擬的元器件、虛擬的儀器儀表連接成一個“虛擬電路”，它們不是真實的、實際的。
[0006]傳統(tǒng)的工具箱實驗的特點(diǎn)是直觀、簡單，能夠鍛煉提高學(xué)生的動手操作能力。但是，模擬實驗箱的實驗內(nèi)容主要是仿真實驗，通過連接模擬電路進(jìn)行典型環(huán)節(jié)模擬、系統(tǒng)校正、系統(tǒng)時/頻域分析等控制仿真實驗，沒有對實際控制對象進(jìn)行控制的實驗設(shè)備，缺乏直觀性和可操作性。控制對象的特征參數(shù)調(diào)節(jié)以電路參數(shù)調(diào)節(jié)為主，學(xué)生難以理解自動控制原理的工程應(yīng)用，理論講解與工程實際結(jié)合不緊密。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對【背景技術(shù)】中提到的傳統(tǒng)的工具箱所模擬的實驗過程中，沒有對實際控制對象進(jìn)行控制的實驗設(shè)備，缺乏直觀性和可操作性的問題，本發(fā)明提出了一種自動控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)。
[0008]一種自動控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括機(jī)械加載裝置、下位機(jī)、兩個位移傳感器和上位機(jī)；所述下位機(jī)包括CPU和A/D轉(zhuǎn)換模塊；
[0009]其中，所述上位機(jī)、CPU、機(jī)械加載裝置、兩個位移傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊順次連接；
[0010]所述A/D轉(zhuǎn)換模塊分別與所述兩個位移傳感器和CPU連接。
[0011]所述上位機(jī)和下位機(jī)采用串口協(xié)議進(jìn)行控制命令以及采集數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；所述上位機(jī)和下位機(jī)的傳輸數(shù)據(jù)總線采用RS232接口。
[0012]所述機(jī)械加載裝置包括交流伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、傳動座、滾珠絲杠、導(dǎo)軌、滑塊、小車、彈性加載裝置、摩擦加載裝置、慣量加載裝置和底板；所述伺服電機(jī)由下位機(jī)對其進(jìn)行運(yùn)動控制，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器和傳動座帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，由滾珠絲杠將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為滑塊在導(dǎo)軌上的水平運(yùn)動，滑塊通過彈性加載裝置與小車相連，帶動小車平動；所述彈性加載裝置、摩擦加載裝置和慣量加載裝置用于對小車施加負(fù)載；所述滑塊與小車分別與兩個位移傳感器的測量端相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。
[0013]所述機(jī)械加載裝置還包括兩個把手；所述把手通過螺栓安裝在底板兩側(cè)。
[0014]所述彈性加載裝置包括第一套筒、拉壓彈簧和推桿；所述拉壓彈簧通過端部的鉤環(huán)與穿入第一套筒和推桿的圓柱銷實現(xiàn)過盈配合固定；當(dāng)滑塊相對于小車發(fā)生相對位移時，所述拉壓彈簧發(fā)生形變，實現(xiàn)對小車施加彈性負(fù)載。
[0015]所述摩擦加載裝置通過摩擦支座與底板用螺栓固定；將第二套筒焊接在摩擦支座上，使摩擦塊、壓縮彈簧和螺栓從里到外依次與第二套筒配合安裝；所述摩擦加載裝置通過改變螺栓旋入第二套筒的深度，調(diào)節(jié)摩擦塊對小車的正壓力，在小車運(yùn)動的過程中，通過摩擦塊與安裝在小車上的摩擦件發(fā)生相對運(yùn)動，對小車施加摩擦負(fù)載。
[0016]所述慣量加載裝置包括5個相同質(zhì)量的慣量盤；通過在小車中放入不同數(shù)量的慣量盤，實現(xiàn)系統(tǒng)慣性負(fù)載的改變。
[0017]所述摩擦件采用的是由45號鋼制成的摩擦件。
[0018]所述摩擦塊采用的是由銅制成的摩擦塊。
[0019]本發(fā)明的有益效果是采用機(jī)械裝置構(gòu)成一個典型的二階系統(tǒng)作為控制對象，能夠讓學(xué)生觀察一個實際系統(tǒng)不同受控條件下的運(yùn)行狀態(tài)，更便于直觀教學(xué)和理論聯(lián)系實際。實驗系統(tǒng)對于提高實驗室教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生對控制理論和控制工程的理解認(rèn)識都具有重要的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明提出的自動控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0021]圖2是本發(fā)明提出的機(jī)械加載裝置整體結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0022]圖3為圖2的A-A剖視圖；
[0023]圖4為圖3的B-B剖視圖；
[0024]圖5為本發(fā)明提供的下位機(jī)軟件流程圖。
[0025]其中:1_交流伺服電機(jī)；2_傳動座；3_聯(lián)軸器；31_第一套筒；32_拉壓彈簧；33-推桿；34_圓柱銷；4_滾珠絲杠；41_螺栓；42_摩擦支座；43_壓縮彈簧；44_摩擦件；45-第二套筒；46_摩擦塊；47_慣量盤；5_導(dǎo)軌；6_滑塊；7_位移傳感器；8_小車；9_彈性加載裝置；10_摩擦加載裝置；11_慣量加載裝置；12_底板；13_把手。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0027]圖1是本發(fā)明提出的自動控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖1中，所述系統(tǒng)包括機(jī)械加載裝置、下位機(jī)、兩個位移傳感器和上位機(jī)；所述下位機(jī)包括CPU和A/D轉(zhuǎn)換模塊；其中，所述上位機(jī)、CPU、機(jī)械加載裝置、兩個位移傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊順次連接；所述A/D轉(zhuǎn)換模塊分別與所述兩個位移傳感器和CPU連接。[0028]由用戶通過上位機(jī)發(fā)送運(yùn)動指令給下位機(jī)，下位機(jī)根據(jù)指令控制機(jī)械加載裝置執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(階躍運(yùn)動或正弦運(yùn)動)；兩位移傳感器分別采集到加載裝置中滑塊和小車的位移信號后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，反饋給下位機(jī)進(jìn)行閉環(huán)位置控制；同時，下位機(jī)通過串口通信，將實驗數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)，在上位機(jī)上進(jìn)行位移-時間圖線顯示，并完成數(shù)據(jù)存儲。通過觀察分析滑塊和小車運(yùn)動(二階系統(tǒng)輸入和輸出)的位移-時間曲線，便能夠了解該系統(tǒng)的特性。
[0029]圖2是本發(fā)明提出的機(jī)械加載裝置整體結(jié)構(gòu)俯視圖。圖2中，所述機(jī)械加載裝置包括交流伺服電機(jī)1、聯(lián)軸器3、傳動座2、滾珠絲杠4、導(dǎo)軌5、滑塊6、小車8、彈性加載裝置
9、摩擦加載裝置10、慣量加載裝置11和底板12 ;所述機(jī)械加載裝置還包括兩個把手13 ;安裝通過螺栓安裝在底板兩側(cè)；交流伺服電機(jī)I由下位機(jī)對其進(jìn)行運(yùn)動控制，交流伺服電機(jī)I通過聯(lián)軸器3和傳動座2帶動滾珠絲杠4轉(zhuǎn)動，由4將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為滑塊6在導(dǎo)軌5上的水平運(yùn)動，滑塊6通過彈性加載裝置9與小車8相連，帶動小車8平動。彈性加載裝置9、摩擦加載裝置10和慣量加載裝置11分別對小車8施加一定的負(fù)載。兩個位移傳感器7的測量端分別與滑塊6和小車8相連，通過數(shù)據(jù)采集，將得到二者的位移-時間曲線，此時，滑塊6的位移即為該二階系統(tǒng)的輸入量，小車8的位移為系統(tǒng)的輸出量，通過對輸入輸出曲線分析，便能夠?qū)υ摱A系統(tǒng)的特性進(jìn)行研究。
[0030]圖3為圖2的A-A剖視圖。圖3中，彈性加載裝置9包括第一套筒31、拉壓彈簧32和推桿33，拉壓彈簧32通過端部的鉤環(huán)與穿入第一套筒31和推桿33的圓柱銷34過盈配合固定。當(dāng)滑塊6相對于小車8發(fā)生相對位移時，內(nèi)部拉壓彈簧32將發(fā)生形變(被拉伸或壓縮)，對小車8作用一定的彈性負(fù)載。采用不同剛度的拉壓彈簧32可改變系統(tǒng)的彈性負(fù)載。
[0031]圖4為圖3的B-B剖視圖。圖4中，摩擦加載裝置10通過摩擦支座42與底板12用螺栓固定，將第二套筒45焊接在摩擦支座42上，使摩擦塊46、壓縮彈簧43和螺栓41從里到外依次與套第二筒45配合安裝起來。通過改變螺栓41旋入套筒45的深度，可以調(diào)節(jié)摩擦塊46對小車8的正壓力，在小車8運(yùn)動的過程中，通過摩擦塊46與安裝在小車8上的摩擦件44發(fā)生相對運(yùn)動，對小車8施加摩擦負(fù)載。慣量加載裝置11包括5個相同質(zhì)量的慣量盤47。通過在小車8中放入不同數(shù)量的慣量盤47，改變系統(tǒng)的慣性負(fù)載。
[0032]圖5為本發(fā)明提供的下位機(jī)軟件流程圖。下位機(jī)控制器選用基于TMS320F28335DSP作為核心控制芯片的YXDSP-F28335開發(fā)板，其具有電機(jī)控制的12路PWM接口，2X8通道、12位分辨率的AD輸入接口，2路RS232串口通信接口等豐富資源。圖5中，下位機(jī)軟件主要由三個模塊組成，分別是運(yùn)動控制模塊、ADC轉(zhuǎn)換模塊和串口通信模塊。運(yùn)動控制模塊是下位機(jī)控制器的核心模塊，根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的指令，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向，使滑塊能夠按照指定運(yùn)動形式運(yùn)動；對機(jī)械加載裝置中的滑塊實現(xiàn)兩種形式的運(yùn)動控制——階躍運(yùn)動控制和正弦運(yùn)動控制，階躍運(yùn)動使滑塊快速、準(zhǔn)確地運(yùn)動到設(shè)定位置，正弦運(yùn)動使滑塊的位移按照正弦函數(shù)運(yùn)動。ADC轉(zhuǎn)換模塊的作用是將位移傳感器實時采集到的滑塊和小車位置模擬電壓信號(二階系統(tǒng)輸入和輸出信號)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便下位機(jī)對滑塊的運(yùn)動位置進(jìn)行校正，以便上位機(jī)接收滑塊和小車的位置信號。串口通信模塊接收的是上位機(jī)發(fā)送的指令信號，并對接收到的指令進(jìn)行初步判斷，為運(yùn)動控制模塊提供控制指令；同時，將ADC轉(zhuǎn)換模塊采集到的位置信息發(fā)送到上位機(jī)，以便上位機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、圖線顯示及數(shù)據(jù)存儲。[0033]上位機(jī)的用戶操作界面，編程軟件使用NI公司出品的LabVIEW，對實驗裝置進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，對下位機(jī)實現(xiàn)命令控制，并且具有位移信息圖線顯示和數(shù)據(jù)存儲的功能。用戶操作界面可實現(xiàn)滑塊運(yùn)動形式(系統(tǒng)輸入信號)的設(shè)置:對于階躍信號，可設(shè)定滑塊需要到達(dá)的位移；對于正弦信號，可設(shè)定滑塊正弦運(yùn)動的幅值、頻率和初始相位。同樣還可以設(shè)置PID參數(shù)和串口參數(shù)。用戶界面具有圖線顯示區(qū)，接收下位機(jī)從串口發(fā)送的位移數(shù)據(jù)，實時顯示機(jī)械加載裝置中滑塊和小車(二階系統(tǒng)輸入和輸出)的位移-時間曲線圖，并且以TXT文檔的形式存儲數(shù)據(jù)以備分析計算使用。界面上除了階躍、正弦運(yùn)動和數(shù)據(jù)存儲命令的控制按鈕外，為了保證系統(tǒng)的安全可靠性，設(shè)置歸零和停止按鈕。為了增加系統(tǒng)的交互性，在前面板上設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測顯示區(qū)。
[0034]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種自動控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括機(jī)械加載裝置、下位機(jī)、兩個位移傳感器和上位機(jī)；所述下位機(jī)包括CPU和A/D轉(zhuǎn)換模塊； 其中，所述上位機(jī)、CPU、機(jī)械加載裝置、兩個位移傳感器和A/D轉(zhuǎn)換模塊順次連接； 所述A/D轉(zhuǎn)換模塊分別與所述兩個位移傳感器和CPU連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述上位機(jī)和下位機(jī)采用串口協(xié)議進(jìn)行控制命令以及采集數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；所述上位機(jī)和下位機(jī)的傳輸數(shù)據(jù)總線采用RS232接□。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械加載裝置包括交流伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、傳動座、滾珠絲杠、導(dǎo)軌、滑塊、小車、彈性加載裝置、摩擦加載裝置、慣量加載裝置和底板；所述伺服電機(jī)由下位機(jī)對其進(jìn)行運(yùn)動控制，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器和傳動座帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，由滾珠絲杠將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為滑塊在導(dǎo)軌上的水平運(yùn)動，滑塊通過彈性加載裝置與小車相連，帶動小車平動；所述彈性加載裝置、摩擦加載裝置和慣量加載裝置用于對小車施加負(fù)載；所述滑塊與小車分別與兩個位移傳感器的測量端相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。
4.根據(jù)權(quán)利要求3述的系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械加載裝置還包括兩個把手；所述把手通過螺栓安裝在底板兩側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3述的系統(tǒng)，其特征在于，所述彈性加載裝置包括第一套筒、拉壓彈簧和推桿；所述拉壓彈簧通過端部的鉤環(huán)與穿入第一套筒和推桿的圓柱銷實現(xiàn)過盈配合固定；當(dāng)滑塊相對于小車發(fā)生相對位移時，所述拉壓彈簧發(fā)生形變，實現(xiàn)對小車施加彈性負(fù)載。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述摩擦加載裝置通過摩擦支座與底板用螺栓固定；將第二套筒焊接在摩擦支座上，使摩擦塊、壓縮彈簧和螺栓從里到外依次與第二套筒配合安裝；所述摩擦加載裝置通過改變螺栓旋入第二套筒的深度，調(diào)節(jié)摩擦塊對小車的正壓力，在小車運(yùn)動的過程中，通過摩擦塊與安裝在小車上的摩擦件發(fā)生相對運(yùn)動，對小車施加摩擦負(fù)載。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述慣量加載裝置包括5個相同質(zhì)量的慣量盤；通過在小車中放入不同數(shù)量的慣量盤，實現(xiàn)系統(tǒng)慣性負(fù)載的改變。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述摩擦件采用的是由45號鋼制成的摩擦件。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述摩擦塊采用的是由銅制成的摩擦塊。
【文檔編號】G09B25/02GK103854548SQ201410090712
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】李長春, 張金英, 延皓, 劉沁, 母東杰, 楊雪松, 李競, 黃靜, 李磊 申請人:北京交通大學(xué)