CN214409609U

CN214409609U - 一种重心可调节的pid闭环控制自平衡教具

Info

Publication number: CN214409609U
Application number: CN202120533384.9U
Authority: CN
Inventors: 宋巍; 骆富昌; 柏忠梅
Original assignee: WUXI INSTITUTE OF TECHNICIAN
Current assignee: WUXI INSTITUTE OF TECHNICIAN
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2031-03-15

Abstract

本实用新型公开了一种重心可调节的PID闭环控制自平衡教具，旨在提供一种简单、耐用、成本低的PID闭环控制自平衡教具，其技术方案要点是，包括基座，所述基座上设有平衡装置，所述平衡装置包括位于基座两侧设有的直流电机、位于直流电机出口处设有的橡胶轮、位于基座上设有的直立平衡杆、与直立平衡杆滑移连接的重心调节块及位于基座上设有用于控制直流电机的控制电路器。

Description

一种重心可调节的PID闭环控制自平衡教具

技术领域

本实用新型涉及教学设备领域，具体涉及一种重心可调节的PID闭环控制自平衡教具。

背景技术

教具是以传播科技、教育人为目的的实物，是完全的科技传媒，是青少年科技活动中不可缺少的器材。科技活动中用的教具有实物教具和复制品教具，具体有来自自然界的标本或样品：如用于科技教育活动中的生物标本、矿物标本、化石、岩石及珍稀动物样品等，还有标本的仿制品和模型：有些标本十分珍贵(如北京猿人头盖骨化石)，不宜到处传播，于是人们制作了各种仿制品以及模型，用以传播科技信息。又如人体解剖模型、航、海、车三模所用的模型等。教具还可以分成演示用和实习操作用两种。

目前，公开号为CN207895300U的中国专利公开了一种基于PID控制系统的教具，它包括弹簧质量体系统、控制弹簧质量体系统运行的PLC控制电路模块以及与PLC控制电路模块连接的人机交互设备，弹簧质量体系统中设置有若干质量体及驱动质量体转动的电机，且质量体之间通过弹簧依次连接，弹簧质量体系统上设置有用于测量各个质量体转速的模拟量检测模块，模拟量检测模块将检测数据反馈到PLC控制电路模块中，并将处理后的检测数据在人机交互设备中显示。

这种基于PID控制系统的教具虽然基于学生编写的程序的PLC应用教学，能够使得学生在结构较为简单的PID控制系统教具中深入了解PLC在控制系统中的应用，但是往往学生依然无法直观看到实际的控制效果，导致理论与实践出现较大偏差。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种重心可调节的PID闭环控制自平衡教具，其具有整个 PID调节过程的实时波形通过蓝牙通信显示在上位机界面上，学生通过实际调节过程和调节波形的对比就可以清楚理解PID控制的原理的优点。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种重心可调节的PID闭环控制自平衡教具，包括基座，所述基座上设有平衡装置，所述平衡装置包括位于基座两侧设有的直流电机、位于直流电机出口处设有的橡胶轮、位于基座上设有的直立平衡杆、与直立平衡杆滑移连接的重心调节块及位于基座上设有用于控制直流电机的控制电路器。

进一步设置：所述直立平衡杆与重心调节块之间还设有调节装置，所述调节装置包括位于重心调节块四周包裹有的夹箍、位于夹箍顶端设有的固定螺栓及位于固定螺栓上设有的固定螺母

进一步设置：所述控制电路器内包括有位于控制电路器内设有的陀螺仪传感器、与陀螺仪传感器连接的STM32处理器、与STM32处理器互通的蓝牙模块，所述STM32处理器与直流电机连接。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

1、直立平衡杆重心可调节，且调节装置为机械滑块，简单、耐用、成本低、安装和调节方便；

2、整个装置体积小、质量轻，可方便带入课堂进行教学，在Matlab仿真的理论教学基础上，使理论课增添了新的实践元素；

3、控制部分采用了蓝牙通信技术，可使用上位机观看波形，也可以使用手机观看波形，直观、方便，其用于《自动控制原理课程》教具外，还可以作为计算机控制的典型教具，实现一机多用。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是重心可调节的PID闭环控制自平衡教具结构示意图；

图2是控制电路器内部连接示意图。

图中，1、基座；2、平衡装置；21、直流电机；22、橡胶轮；23、直立平衡杆；24、重心调节块；25；控制电路器；3、调节装置；31、夹箍；32、固定螺栓；33、固定螺母； 4、陀螺仪传感器；5、STM32处理器；6、蓝牙模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种重心可调节的PID闭环控制自平衡教具，如图1及图2所示，包括基座，基座上设有平衡装置，平衡装置包括位于基座两侧设有的直流电机，在直流电机出口处设有的橡胶轮，而在基座上设有直立平衡杆，直立平衡杆滑移连接有重心调节块，同时在基座上设有用于控制直流电机的控制电路器，控制电路器内包括有位于控制电路器内设有的陀螺仪传感器、与陀螺仪传感器连接的STM32处理器、与STM32处理器互通的蓝牙模块，所述STM32处理器与直流电机连接，直立平衡杆与重心调节块之间还设有调节装置，调节装置包括位于重心调节块四周包裹有的夹箍，位于夹箍顶端设有的固定螺栓及位于固定螺栓上设有的固定螺母。

其主要工作原理如下：开机前，手扶住平衡杆，保持直立状态，然后按下控制电路模块上的启动按钮，保持大约3秒钟后，系统初始化过程结束，教具将自动保持平衡。打开上位机操纵界面，连接蓝牙通信模块，提示连接成功后，用手对平衡杆施加一定的作用力，平衡杆将会朝一个方向出现倾倒的趋势，但由于控制电路的PID闭环控制作用，驱动左侧直流电机和右侧直流电机转动，从而带动同轴连接的左侧橡胶轮和右侧橡胶轮在地面上及时、快速、准确转动，以抵消重心的偏移，但由于整体具有一定的惯性，需要来回调节几个过程才能使控制误差越来越小直至达到误差为零的状态，此时平衡杆恢复新的平衡状态，即：整个平衡系统在外力的扰动下打破了原有的平衡状态，然后在控制器的PID算法控制下，经过几次闭环控制的震荡调节过程后，系统将再次恢复到平衡状态。在整个调节过程中，上位机的界面上将实时显示PID调节的震荡过程曲线，使学生一目了然就能发现理论控制曲线和实际震荡过程的对比情况，进一步增强学生的理论联系实际能力。为了展示在不同高度的重心下系统的调节过程，演示者可以通过调节重心调节滑块来改变重心的高度，控制电路结构框图如图2所示，本设计采用数字式PID闭环控制方式，STM32处理器为整个系统的控制核心，它的主要原理为：①采集陀螺仪传感器输出的倾角及角加速度数据；②根据陀螺仪传感器的实时数据进行PID控制，将偏差信号进行比例放大、误差积分和微分，最终将控制信号输出到直流电机驱动器，从而驱动直流电机准确快速调节；③将PID调节过程的动态曲线数据通过蓝牙模块发送到上位机，以便在上位机直观显示调节过程的实时波形。

以上是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于实用新型技术方案的范围内。

Claims

1.一种重心可调节的PID闭环控制自平衡教具，包括基座，其特征在于：所述基座上设有平衡装置，所述平衡装置包括位于基座两侧设有的直流电机、位于直流电机出口处设有的橡胶轮、位于基座上设有的直立平衡杆、与直立平衡杆滑移连接的重心调节块及位于基座上设有用于控制直流电机的控制电路器。

2.根据权利要求1所述的一种重心可调节的PID闭环控制自平衡教具，其特征在于：所述直立平衡杆与重心调节块之间还设有调节装置，所述调节装置包括位于重心调节块四周包裹有的夹箍、位于夹箍顶端设有的固定螺栓及位于固定螺栓上设有的固定螺母。

3.根据权利要求2所述的一种重心可调节的PID闭环控制自平衡教具，其特征在于：所述控制电路器内包括有位于控制电路器内设有的陀螺仪传感器、与陀螺仪传感器连接的STM32处理器、与STM32处理器互通的蓝牙模块，所述STM32处理器与直流电机连接。