CN103854548A

CN103854548A - 自动控制原理教学实验系统

Info

Publication number: CN103854548A
Application number: CN201410090712.7A
Authority: CN
Inventors: 李长春; 张金英; 延皓; 刘沁; 母东杰; 杨雪松; 李竞; 黄静; 李磊
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: CN103854548B

Abstract

本发明公开了教学实验系统设计领域的一种自动控制原理教学实验系统。所述系统包括机械加载装置、下位机、两个位移传感器和上位机；所述下位机包括CPU和A/D转换模块；其中，所述上位机、CPU、机械加载装置、两个位移传感器和A/D转换模块顺次连接；所述A/D转换模块分别与所述两个位移传感器和CPU连接。本发明采用机械装置构成一个典型的二阶系统作为控制对象，能够让学生观察一个实际系统不同受控条件下的运行状态，更便于直观教学和理论联系实际。实验系统对于提高实验室教学质量，增强学生对控制理论和控制工程的理解认识都具有重要的意义。

Description

自动控制原理教学实验系统

技术领域

本发明属于教学实验系统设计领域，尤其涉及一种自动控制原理教学实验系统。

背景技术

《自动控制原理》是高等工科院校自动化专业及相关专业的一门专业基础课，在专业课程体系中占有极其重要的地位。但同时由于它是一门理论性较强的工程科学，课程涉及的系统分析与设计方法复杂，学生掌握有一定的难度，因此实验教学环节的效果对学生掌握理论知识，对提高本课程的教学质量都起着非常重要的作用。

目前普遍采用的传统教学实验方法有：基于MATLAB的仿真实现，基于EDA软件的仿真实现和传统的工具箱实验。

开设MATLAB仿真实验，能激发学生的创造性思维、探索热情。但是，MATLAB仿真实验对系统建模与仿真分析是建立在纯数学模型基础上，与实际自动控制系统的设备、元件、信号等均有一定距离，对培养学生的实际动手能力有一定不足，而且有时需要调用函数，编写一定的程序。

基于EDA软件的仿真实验，可以进行古典控制系统建模、分析与校正实验，非常适合学生进行自控原理的虚拟实验。但是，仿真虚拟实验仅是用虚拟的元器件、虚拟的仪器仪表连接成一个“虚拟电路”，它们不是真实的、实际的。

传统的工具箱实验的特点是直观、简单，能够锻炼提高学生的动手操作能力。但是，模拟实验箱的实验内容主要是仿真实验，通过连接模拟电路进行典型环节模拟、系统校正、系统时/频域分析等控制仿真实验，没有对实际控制对象进行控制的实验设备，缺乏直观性和可操作性。控制对象的特征参数调节以电路参数调节为主，学生难以理解自动控制原理的工程应用，理论讲解与工程实际结合不紧密。

发明内容

针对背景技术中提到的传统的工具箱所模拟的实验过程中，没有对实际控制对象进行控制的实验设备，缺乏直观性和可操作性的问题，本发明提出了一种自动控制原理教学实验系统。

一种自动控制原理教学实验系统，其特征在于，所述系统包括机械加载装置、下位机、两个位移传感器和上位机；所述下位机包括CPU和A/D转换模块；

其中，所述上位机、CPU、机械加载装置、两个位移传感器和A/D转换模块顺次连接；

所述A/D转换模块分别与所述两个位移传感器和CPU连接。

所述上位机和下位机采用串口协议进行控制命令以及采集数据发送和接收；所述上位机和下位机的传输数据总线采用RS232接口。

所述机械加载装置包括交流伺服电机、联轴器、传动座、滚珠丝杠、导轨、滑块、小车、弹性加载装置、摩擦加载装置、惯量加载装置和底板；所述伺服电机由下位机对其进行运动控制，伺服电机通过联轴器和传动座带动滚珠丝杠转动，由滚珠丝杠将转动转化为滑块在导轨上的水平运动，滑块通过弹性加载装置与小车相连，带动小车平动；所述弹性加载装置、摩擦加载装置和惯量加载装置用于对小车施加负载；所述滑块与小车分别与两个位移传感器的测量端相连，实现数据采集。

所述机械加载装置还包括两个把手；所述把手通过螺栓安装在底板两侧。

所述弹性加载装置包括第一套筒、拉压弹簧和推杆；所述拉压弹簧通过端部的钩环与穿入第一套筒和推杆的圆柱销实现过盈配合固定；当滑块相对于小车发生相对位移时，所述拉压弹簧发生形变，实现对小车施加弹性负载。

所述摩擦加载装置通过摩擦支座与底板用螺栓固定；将第二套筒焊接在摩擦支座上，使摩擦块、压缩弹簧和螺栓从里到外依次与第二套筒配合安装；所述摩擦加载装置通过改变螺栓旋入第二套筒的深度，调节摩擦块对小车的正压力，在小车运动的过程中，通过摩擦块与安装在小车上的摩擦件发生相对运动，对小车施加摩擦负载。

所述惯量加载装置包括5个相同质量的惯量盘；通过在小车中放入不同数量的惯量盘，实现系统惯性负载的改变。

所述摩擦件采用的是由45号钢制成的摩擦件。

所述摩擦块采用的是由铜制成的摩擦块。

本发明的有益效果是采用机械装置构成一个典型的二阶系统作为控制对象，能够让学生观察一个实际系统不同受控条件下的运行状态，更便于直观教学和理论联系实际。实验系统对于提高实验室教学质量，增强学生对控制理论和控制工程的理解认识都具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明提出的自动控制原理教学实验系统的实验系统结构框图；

图2是本发明提出的机械加载装置整体结构俯视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图3的B-B剖视图；

图5为本发明提供的下位机软件流程图。

其中：1-交流伺服电机；2-传动座；3-联轴器；31-第一套筒；32-拉压弹簧；33-推杆；34-圆柱销；4-滚珠丝杠；41-螺栓；42-摩擦支座；43-压缩弹簧；44-摩擦件；45-第二套筒；46-摩擦块；47-惯量盘；5-导轨；6-滑块；7-位移传感器；8-小车；9-弹性加载装置；10-摩擦加载装置；11-惯量加载装置；12-底板；13-把手。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提出的自动控制原理教学实验系统的实验系统结构框图。图1中，所述系统包括机械加载装置、下位机、两个位移传感器和上位机；所述下位机包括CPU和A/D转换模块；其中，所述上位机、CPU、机械加载装置、两个位移传感器和A/D转换模块顺次连接；所述A/D转换模块分别与所述两个位移传感器和CPU连接。

由用户通过上位机发送运动指令给下位机，下位机根据指令控制机械加载装置执行相应的运动（阶跃运动或正弦运动）；两位移传感器分别采集到加载装置中滑块和小车的位移信号后，经过A/D转换，反馈给下位机进行闭环位置控制；同时，下位机通过串口通信，将实验数据传回上位机，在上位机上进行位移-时间图线显示，并完成数据存储。通过观察分析滑块和小车运动（二阶系统输入和输出）的位移-时间曲线，便能够了解该系统的特性。

图2是本发明提出的机械加载装置整体结构俯视图。图2中，所述机械加载装置包括交流伺服电机1、联轴器3、传动座2、滚珠丝杠4、导轨5、滑块6、小车8、弹性加载装置9、摩擦加载装置10、惯量加载装置11和底板12；所述机械加载装置还包括两个把手13；安装通过螺栓安装在底板两侧；交流伺服电机1由下位机对其进行运动控制，交流伺服电机1通过联轴器3和传动座2带动滚珠丝杠4转动，由4将转动转化为滑块6在导轨5上的水平运动，滑块6通过弹性加载装置9与小车8相连，带动小车8平动。弹性加载装置9、摩擦加载装置10和惯量加载装置11分别对小车8施加一定的负载。两个位移传感器7的测量端分别与滑块6和小车8相连，通过数据采集，将得到二者的位移-时间曲线，此时，滑块6的位移即为该二阶系统的输入量，小车8的位移为系统的输出量，通过对输入输出曲线分析，便能够对该二阶系统的特性进行研究。

图3为图2的A-A剖视图。图3中，弹性加载装置9包括第一套筒31、拉压弹簧32和推杆33，拉压弹簧32通过端部的钩环与穿入第一套筒31和推杆33的圆柱销34过盈配合固定。当滑块6相对于小车8发生相对位移时，内部拉压弹簧32将发生形变（被拉伸或压缩），对小车8作用一定的弹性负载。采用不同刚度的拉压弹簧32可改变系统的弹性负载。

图4为图3的B-B剖视图。图4中，摩擦加载装置10通过摩擦支座42与底板12用螺栓固定，将第二套筒45焊接在摩擦支座42上，使摩擦块46、压缩弹簧43和螺栓41从里到外依次与套第二筒45配合安装起来。通过改变螺栓41旋入套筒45的深度，可以调节摩擦块46对小车8的正压力，在小车8运动的过程中，通过摩擦块46与安装在小车8上的摩擦件44发生相对运动，对小车8施加摩擦负载。惯量加载装置11包括5个相同质量的惯量盘47。通过在小车8中放入不同数量的惯量盘47，改变系统的惯性负载。

图5为本发明提供的下位机软件流程图。下位机控制器选用基于TMS320F28335DSP作为核心控制芯片的YXDSP-F28335开发板，其具有电机控制的12路PWM接口，2×8通道、12位分辨率的AD输入接口，2路RS232串口通信接口等丰富资源。图5中，下位机软件主要由三个模块组成，分别是运动控制模块、ADC转换模块和串口通信模块。运动控制模块是下位机控制器的核心模块，根据上位机发送的指令，控制电机的转速、方向，使滑块能够按照指定运动形式运动；对机械加载装置中的滑块实现两种形式的运动控制——阶跃运动控制和正弦运动控制，阶跃运动使滑块快速、准确地运动到设定位置，正弦运动使滑块的位移按照正弦函数运动。ADC转换模块的作用是将位移传感器实时采集到的滑块和小车位置模拟电压信号（二阶系统输入和输出信号）转换为数字量，以便下位机对滑块的运动位置进行校正，以便上位机接收滑块和小车的位置信号。串口通信模块接收的是上位机发送的指令信号，并对接收到的指令进行初步判断，为运动控制模块提供控制指令；同时，将ADC转换模块采集到的位置信息发送到上位机，以便上位机对系统进行监控、图线显示及数据存储。

上位机的用户操作界面，编程软件使用NI公司出品的LabVIEW，对实验装置进行状态监控，对下位机实现命令控制，并且具有位移信息图线显示和数据存储的功能。用户操作界面可实现滑块运动形式（系统输入信号）的设置：对于阶跃信号，可设定滑块需要到达的位移；对于正弦信号，可设定滑块正弦运动的幅值、频率和初始相位。同样还可以设置PID参数和串口参数。用户界面具有图线显示区，接收下位机从串口发送的位移数据，实时显示机械加载装置中滑块和小车（二阶系统输入和输出）的位移-时间曲线图，并且以TXT文档的形式存储数据以备分析计算使用。界面上除了阶跃、正弦运动和数据存储命令的控制按钮外，为了保证系统的安全可靠性，设置归零和停止按钮。为了增加系统的交互性，在前面板上设置系统运行状态监测显示区。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种自动控制原理教学实验系统，其特征在于，所述系统包括机械加载装置、下位机、两个位移传感器和上位机；所述下位机包括CPU和A/D转换模块；

所述A/D转换模块分别与所述两个位移传感器和CPU连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机和下位机采用串口协议进行控制命令以及采集数据发送和接收；所述上位机和下位机的传输数据总线采用RS232接口。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械加载装置包括交流伺服电机、联轴器、传动座、滚珠丝杠、导轨、滑块、小车、弹性加载装置、摩擦加载装置、惯量加载装置和底板；所述伺服电机由下位机对其进行运动控制，伺服电机通过联轴器和传动座带动滚珠丝杠转动，由滚珠丝杠将转动转化为滑块在导轨上的水平运动，滑块通过弹性加载装置与小车相连，带动小车平动；所述弹性加载装置、摩擦加载装置和惯量加载装置用于对小车施加负载；所述滑块与小车分别与两个位移传感器的测量端相连，实现数据采集。

4.根据权利要求3述的系统，其特征在于，所述机械加载装置还包括两个把手；所述把手通过螺栓安装在底板两侧。

5.根据权利要求3述的系统，其特征在于，所述弹性加载装置包括第一套筒、拉压弹簧和推杆；所述拉压弹簧通过端部的钩环与穿入第一套筒和推杆的圆柱销实现过盈配合固定；当滑块相对于小车发生相对位移时，所述拉压弹簧发生形变，实现对小车施加弹性负载。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述摩擦加载装置通过摩擦支座与底板用螺栓固定；将第二套筒焊接在摩擦支座上，使摩擦块、压缩弹簧和螺栓从里到外依次与第二套筒配合安装；所述摩擦加载装置通过改变螺栓旋入第二套筒的深度，调节摩擦块对小车的正压力，在小车运动的过程中，通过摩擦块与安装在小车上的摩擦件发生相对运动，对小车施加摩擦负载。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述惯量加载装置包括5个相同质量的惯量盘；通过在小车中放入不同数量的惯量盘，实现系统惯性负载的改变。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述摩擦件采用的是由45号钢制成的摩擦件。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述摩擦块采用的是由铜制成的摩擦块。