一种基于PID控制系统的教具及控制方法技术方案

本发明专利技术属于教具技术领域，特别涉及一种基于PID控制系统的教具及控制方法，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，本发明专利技术的目的是提供一种基于PID控制系统的教具及控制方法，实现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。

A teaching aid and control method based on PID control system

The invention belongs to the technical field of teaching aids, in particular to a teaching tool and control method based on the PID control system, including a spring mass body system, a PLC control circuit module that controls the operation of a spring mass body system and a human-computer interaction device connected with the PLC control circuit module, and a number of mass bodies are set in the spring mass system. And the motor that drives the mass body to rotate, and the mass body is connected by the spring. The spring mass body system is set up an analog measurement module for measuring the rotational speed of each mass body. The analog measurement module will feed the detection data to the PLC control circuit module, and the detected data are in the human-computer interaction equipment. It is shown that the purpose of the invention is to provide a teaching tool and control method based on the PID control system, to realize the PLC application teaching based on the program written by the students, and to make the students understand the application of PLC in the control system in the simple PID control system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于PID控制系统的教具及控制方法
本专利技术属于教具
，特别涉及一种基于PID控制系统的教具及控制方法。
技术介绍
自1969年由美国数字设备公司研制出世界第一台PLC之后，因其可靠性高、抗干扰能力强、采用模块化结构、编程语言简单和安装简单等特点，PLC已被广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。但是，目前高校在涉及机电传动控制、机器人控制和机械工程控制等课程教学过程中，仍然重理论教学轻实际操作能力，且不能有效地将自动化相关控制理论在教学过程中更加具象的表达，学生在学习过程中比较抽象，难以理解如何将书本中所学的相关控制理论知识应用于实际工程中，因此非常有必要在课程教学过程中加入相关实际控制对象平台，基于PLC、单片机等微处理器将控制理论相关知识应用于实际对象的控制，增强实践教学环节，提高学生的实际动手能力，为培养出具有“理论+实践”复合型能力的学生奠定教学基础。
技术实现思路
为了克服现有技术中的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于PID控制系统的教具及控制方法，实现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。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于PID控制系统的教具，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。所述电机为直流电机，且PLC控制电路模块中设置有驱动直流电机的H桥驱动电路。所述弹簧质量体系统包括底板，底板上固定设置有支撑座，所述质量体通过两侧的支撑座转动设置在底板上，且模拟量检测模块固定设置在支撑座上。所述质量体的中心设置有可拆卸的安装轴，安装轴分别与质量体两侧的支撑座转动设置。所述支撑座上固定设置有支撑安装轴的轴承。所述弹簧可拆卸设置在两个相邻的安装轴之间。所述模拟量检测模块为空心轴旋转编码器，且空心轴旋转编码器固定设置在支撑座上。所述质量体为大小不一的圆柱体，质量体的中心轴线共线，且电机驱动质量体绕各自中心轴线转动。所述人机交互设备为触摸屏，且触摸屏上设置有三个输入数据按钮，三个数据按钮控制比例、积分和微分的原始参数值的输入。一种用于控制基于PID控制系统教具的控制方法，包括以下步骤：步骤一：检查实训设备中器材及调试程序；步骤二：完成PC与人机交互设备之间的接线；步骤三：打开组态工程，编译后下载到人机交互设备中；步骤四：用SC-09通讯编程电缆连接计算机串口与PLC通讯口；步骤五：打开控制程序，进行编译，打开PLC主机电源开关，下载程序至PLC中；步骤六：下载完毕后将通讯编程电缆从PLC通信口上取下，再将通信电缆连接人机交互设备通信口与PLC通讯口，最后将PLC的“RUN/STOP”开关拨至“RUN”状态；步骤七：在人机交互设备中输入比例、积分和微分的初始参数值；步骤八：按下启动按钮，观看人机交互设备实时显示的三个转速曲线；步骤九：根据三个实时显示的转速曲线，检测三个转速响应曲线是否趋于目标转速，若趋于目标转速则进行步骤十，若三个转速响应曲线没有趋于目标转速则回到步骤七，根据PID参数整定的知识对三个参数进行调整，直至三个转速响应曲线趋于目标转速；步骤十：按下关闭按钮，退出运行。本专利技术相比现有技术突出且有益的技术效果是：1、本专利技术所述一种基于PID控制系统的教具，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，通过PLC控制电路模块控制弹簧质量体系统，便于对弹簧质量体系统的精确控制，减少教具的误差，人机交互设备的设置便于使用者控制教具并调整PLC控制电路模块相关参数，操作方便，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，通过弹簧将相邻两质量体相连，使电机驱动所有质量体转动，且各个质量体转速不同，便于使用者同时获得多组数据，并对数据进行处理分析获得结论，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，便于使用者直观的观察控制系统的控制效果，提高教学效果。2、本专利技术所述电机为直流电机，直流电机具有良好的启动特性和调速特性，且直流电机的转矩比较大，维修比较便宜；PLC控制电路模块中设置有驱动直流电机的H桥驱动电路，H桥驱动电路的设置便于对直流电机的控制；所述人机交互设备为触摸屏，且触摸屏上设置有三个输入数据按钮，三个数据按钮控制比例、积分和微分的原始参数值的输入，通过使用者输入不同的初始数值，控制电机不同转速运转，使使用者可以了解不同比例、积分和微分参数对电机转速的影响，加深对PID控制系统的了解，提高教学效果。3、本专利技术所述弹簧质量体系统包括底板，底板上固定设置有支撑座，所述质量体通过两侧的支撑座转动设置在底板上，通过支撑座将各个质量体支撑座底板上，避免质量体自身重力影响影响其转动，导致实验误差；所述质量体的中心设置有可拆卸的安装轴，安装轴分别与质量体两侧的支撑座转动设置，便于使用者更换不同的质量体进行实验，获得更多的数据，加深对控制系统的理解，所述弹簧可拆卸设置在两个相邻的安装轴之间，使用者可以更换不同弹簧进行实验；所述质量体为大小不一的圆柱体，质量体的中心轴线共线，且电机驱动质量体绕各自中心轴线转动，通过大小不一的质量体得出各个质量体的不同转速变化曲线，减小实验误差，提高教学效果。4、本专利技术所述一种基于PID控制系统教具的控制方法，通过控制系统实时检测各个质量体的转速，并与目标转速做比较，对各个质量体转速进行PID跟踪目标转速控制，克服弹簧连接造成的系统柔性扰动以及不同质量块引起的转速不同步，为了实现在线PID三个参数的调整和可视化，利用触摸屏对PID控制系统三个参数进行实时调节并显示各个位置转速的实时曲线；通过此项目的学习，可以直观地展现PID控制系统比例(P)、积分(I)和微分(D)在控制系统中起到的具体作用，使得学生较具象地理解和学会如何将PID控制应用于工程实践过程中。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术弹簧质量体系统的力学示意图；图3是本专利技术PLC控制电路模块中PLC的程序流程图；图4是本专利技术弹簧质量体系统PID控制系统结构图图5是本专利技术中基于L298N的H桥驱动及电平转换电路原理图；图6是本专利技术PLC控制电路模块PID程序梯形图一；图7是本专利技术PLC控制电路模块PID程序梯形图二。图中标号含义：1-底板；2-支撑座；3-电机；4-PLC控制电路模块；5-质量体；6-弹簧；7-模拟量检测模块；8-轴承；9-安装轴；10-联轴器；11-人机交互设备；m1，m2，m3-质量块质量；k1,k2-弹簧弹性系数。具体实施方式下面结合附图以具体实施例对本专利技术作进一步描述：参见图1至图7所示，一种基于PID控制系统的教具，包括弹簧质量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PID控制系统的教具，其特征在于：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(4)以及与PLC控制电路模块(4)连接的人机交互设备(11)，弹簧质量体系统中设置有若干质量体(5)及驱动质量体(5)转动的电机(3)，且质量体(5)之间通过弹簧(6)依次连接，弹簧质量体系统上设置有用于测量各个质量体(5)转速的模拟量检测模块(7)，模拟量检测模块(7)将检测数据反馈到PLC控制电路模块(4)中，并将处理后的检测数据在人机交互设备(11)中显示。

【技术特征摘要】
1.一种基于PID控制系统的教具，其特征在于：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(4)以及与PLC控制电路模块(4)连接的人机交互设备(11)，弹簧质量体系统中设置有若干质量体(5)及驱动质量体(5)转动的电机(3)，且质量体(5)之间通过弹簧(6)依次连接，弹簧质量体系统上设置有用于测量各个质量体(5)转速的模拟量检测模块(7)，模拟量检测模块(7)将检测数据反馈到PLC控制电路模块(4)中，并将处理后的检测数据在人机交互设备(11)中显示。2.根据权利要求1所述的一种基于PID控制系统的教具，其特征在于：所述电机(3)为直流电机，且PLC控制电路模块(4)中设置有驱动直流电机的H桥驱动电路。3.根据权利要求1或2所述的一种基于PID控制系统的教具，其特征在于：所述弹簧质量体系统包括底板(1)，底板(1)上固定设置有支撑座(2)，所述质量体(5)通过两侧的支撑座(2)转动设置在底板(1)上，且模拟量检测模块(7)固定设置在支撑座(2)上。4.根据权利要求3所述的一种基于PID控制系统的教具，其特征在于：所述质量体(5)的中心设置有可拆卸的安装轴(9)，安装轴(9)分别与质量体(5)两侧的支撑座(2)转动设置。5.根据权利要求4所述的一种基于PID控制系统的教具，其特征在于：所述支撑座(2)上固定设置有支撑安装轴(9)的轴承(8)。6.根据权利要求4所述的一种基于PID控制系统的教具，其特征在于：所述弹簧(6)可拆卸设置在两个相邻的安装轴(9)之间。7.根据权利要求4或5或6所述的一种基于PID控制系统的教具，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立标，金飞翔，张勇超，
申请(专利权)人：王立标，台州学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33