一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及教学实验系统和方法，更具体的说是一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统和方法,包括计算机、数据采集及伺服控制处理器、电机驱动器、直流电机、线性模组、负载模块、光栅位移传感器、磁栅位移传感器和限位开关传感器，本发明专利技术所述教学实验系统可以作为机电控制方向的开放性实验平台，拓展很多相关实验内容，如机电系统驱动控制实验、典型输入信号的时域响应实验、系统的频率特性及开环传递函数测试实验、位置PID控制实验、系统稳定性测试实验等，可以有效帮助学生理解机电一体化系统的控制过程，学习机电系统控制基础理论，培养学生理论结合实践的能力。

【技术实现步骤摘要】
一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统和方法
本专利技术涉及教学实验系统和方法，更具体的说是一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统和方法。
技术介绍
《机电系统控制基础》是机电结合类专业的一门重要的基础课程，理论性很强、概念比较抽象，对于大部分学生来说，没有实物的教学实验装置来帮助理解理论知识，会对很多概念没有直观的认识，掌握这门课会有一定难度。同时，机电控制方向的学生应该通过这门课对机电一体化系统的机械、电子、控制三方面结合有进一步的理解，尤其是对实际系统中的机电参数有一定程度的认识；目前，自动控制类教学实验装置种类很多，比如常见的倒立摆实验装置、直流电机控制教学实验系统等。但是，这些自动控制类实验大多数服务于电力电子、自动化方向，突出了控制、电机等部分在系统中的应用，而弱化了机电结合这一部分；因此，开发一套机电控制教学实验系统，均衡结合机械、电子、控制三个方面，突出机电结合对实际系统的影响，软件可编程、多机电参数可调、实验内容可扩展，是当前机电系统控制基础课程的研究重点之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统和方法，可以能够通过简洁的编程实现多种功能、具有友好的可设计的人机交互界面、可以快速调整某些机电参数、具有全面的基础功能、可以拓展出多项不同的机电控制实验内容，克服了现有的教学实验装置弱化机电结合、操作复杂、形式单一、不利于扩展实验内容、不利于学生根据对机电控制系统的理解自主设计系统功能并验证课程理论的不足。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，包括计算机、数据采集及伺服控制处理器、电机驱动器、直流电机、线性模组、负载模块、光栅位移传感器、磁栅位移传感器和限位开关传感器，所述计算机和数据采集及伺服控制处理器通信连接，数据采集及伺服控制处理器和电机驱动器通信连接，电机驱动器和直流电机通信连接，线性模组和直流电机的输出轴连接，负载模块固定连接在线性模组上，线性模组和负载模块均直线运动，光栅位移传感器、磁栅位移传感器和限位开关传感器均位于负载模块直线运动的路径上，光栅位移传感器和磁栅位移传感器分别位于负载模块的两侧，光栅位移传感器、磁栅位移传感器和限位开关传感器均和数据采集及伺服控制处理器通信连接。作为本技术方案的进一步优化，本专利技术一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述磁栅位移传感器与光栅位移传感器精度不同，光栅位移传感器的精度高，磁栅位移传感器的精度底。作为本技术方案的进一步优化，本专利技术一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述数据采集及伺服控制处理器包括数据采集模块、伺服驱动模块和编码器计数模块，数据采集模块和限位开关传感器信号连接，伺服驱动模块和直流电机信号连接，磁栅位移传感器和光栅位移传感器均与编码器计数模块信号连接，数据采集模块和编码器计数模块均与计算机信号连接。作为本技术方案的进一步优化，本专利技术一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述内容可扩展的直线位置控制教学实验系统还包括铸铁底座、挡板Ⅰ和挡板Ⅱ，铸铁底座的两侧分别固定连接有挡板Ⅰ和挡板Ⅱ，直流电机固定连接在铸铁底座上。作为本技术方案的进一步优化，本专利技术一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述线性模组包括线性模组基座、丝杠和滑块，丝杠固定连接在直流电机的输出轴上，丝杠的两端均转动连接有线性模组基座，两个线性模组基座均固定连接在铸铁底座上，丝杠通过螺纹连接有滑块，滑块的下端与铸铁底座接触。作为本技术方案的进一步优化，本专利技术一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述负载模块包括负载、负载安装台、拖链和限位开关传感器挡板，负载包括负载块、负载螺纹孔和沉头螺栓，负载块上设置有四个负载螺纹孔，负载块上通过螺纹连接有四个沉头螺栓，负载设置有多个，多个负载块均通过四个负载螺纹孔和四个沉头螺栓相互连接，负载安装台通过内六角螺栓与线性模组的滑块固定连接，螺纹孔采用沉头孔形式，节省空间；拖链和限位开关传感器挡板均固定连接在负载安装台的一侧，负载块固定连接在负载安装台上。作为本技术方案的进一步优化，本专利技术一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述光栅位移传感器包括光栅位移传感器固定端和光栅位移传感器移动端，光栅位移传感器固定端固定连接在铸铁底座上，光栅位移传感器移动端固定连接在负载安装台上，光栅位移传感器固定端和光栅位移传感器移动端位于同侧。作为本技术方案的进一步优化，本专利技术一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述磁栅位移传感器包括磁栅位移传感器固定端和磁栅位移传感器移动端，磁栅位移传感器固定端固定连接在铸铁底座上，磁栅位移传感器移动端固定连接在铸铁底座上，磁栅位移传感器固定端和磁栅位移传感器移动端位于同侧，磁栅位移传感器移动端和拖链位于同侧。作为本技术方案的进一步优化，本专利技术一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述限位开关传感器设置有三个，三个限位开关传感器分别位于位于负载安装台直线运动路径的两端和中端，限位开关传感器均固定连接在铸铁底座上，三个限位开关传感器均与磁栅位移传感器固定端位于同侧。一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统的方法，所述内容可扩展的直线位置控制教学实验系统的方法包括以下步骤：步骤一：通过负载块的数量变化控制负载的重量，调整负载安装台的负载；步骤二：通过编码器计数模块的倍频数来改变光栅位移传感器和磁栅位移传感器的检测精度；步骤三：以离散逼近的方式向伺服控制模块输入相同幅值、不同频率的余弦电压控制信号，设置离散时间间隔来改变采样频率；步骤四：计数模块接收负载的正弦位移响应信号，分析所述正弦位移响应信号的幅值和相位差，得到系统的幅频特性，拟合得到系统的频率特性和开环传递函数；步骤五：计算机根据直线位置输入信号和传感器反馈的位移量进行位置PID控制，所述PID控制中的比例、积分、微分环节控制参数通过编程调节，通过设置控制参数可以选择P、PI、PD、PID校正方法；步骤六：计算机绘制系统时域响应曲线，通过分析时域响应曲线中参数的变化，分析系统PID校正中比例、积分、微分环节控制参数对系统动态性能和稳态性能的影响；步骤七：计算机接收精度较低的磁栅位移传感器反馈的位移量，进行PI校正，达到稳态后再由精度更高的光栅位移传感器检测出系统稳态误差，分析改变系统机电参数和比例校正系数对系统稳态误差的影响。本专利技术一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统和方法的有益效果为：本专利技术一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统和方法，可以本专利技术所述的教学实验系统使用计算机的C#软件编写控制程序，可以使用数据采集及伺服控制处理器的基础功能函数，自主设计预期的机电系统控制功能，并且在计算机中实时显示测试参数的变化及测试结果。利用本专利技术所述的教学实验系统，可以实施一种表征机电参数与控制性能映射关系的实验方法。本专利技术所述的教学实验系统可以快速改变系统某一部分的机电参数，例如，可以选择输出力矩不同的直流电机、选择刚度不同的联轴器、选择质量不同的负载、在计算机中编程，设置编码器计数模块的倍频数以改变光栅位移传感器和磁栅位移传感器的检测精度、在计算机中编程，以离散逼近的方式向伺服控制模块输入控制信号，设置离散时间间隔来改变采样频率等。本专利技术所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，包括计算机(1)、数据采集及伺服控制处理器(2)、电机驱动器(3)、直流电机(4)、线性模组(5)、负载模块(6)、光栅位移传感器(7)、磁栅位移传感器(8)和限位开关传感器(9)，其特征在于：所述计算机(1)和数据采集及伺服控制处理器(2)通信连接，数据采集及伺服控制处理器(2)和电机驱动器(3)通信连接，电机驱动器(3)和直流电机(4)通信连接，线性模组(5)和直流电机(4)的输出轴连接，负载模块(6)固定连接在线性模组(5)上，线性模组(5)和负载模块(6)均直线运动，光栅位移传感器(7)、磁栅位移传感器(8)和限位开关传感器(9)均位于负载模块(6)直线运动的路径上，光栅位移传感器(7)和磁栅位移传感器(8)分别位于负载模块(6)的两侧，光栅位移传感器(7)、磁栅位移传感器(8)和限位开关传感器(9)均和数据采集及伺服控制处理器(2)通信连接。

【技术特征摘要】
1.一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，包括计算机(1)、数据采集及伺服控制处理器(2)、电机驱动器(3)、直流电机(4)、线性模组(5)、负载模块(6)、光栅位移传感器(7)、磁栅位移传感器(8)和限位开关传感器(9)，其特征在于：所述计算机(1)和数据采集及伺服控制处理器(2)通信连接，数据采集及伺服控制处理器(2)和电机驱动器(3)通信连接，电机驱动器(3)和直流电机(4)通信连接，线性模组(5)和直流电机(4)的输出轴连接，负载模块(6)固定连接在线性模组(5)上，线性模组(5)和负载模块(6)均直线运动，光栅位移传感器(7)、磁栅位移传感器(8)和限位开关传感器(9)均位于负载模块(6)直线运动的路径上，光栅位移传感器(7)和磁栅位移传感器(8)分别位于负载模块(6)的两侧，光栅位移传感器(7)、磁栅位移传感器(8)和限位开关传感器(9)均和数据采集及伺服控制处理器(2)通信连接。2.根据权利要求1所述的一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，其特征在于：所述磁栅位移传感器(8)与光栅位移传感器(7)精度不同，光栅位移传感器(7)精度高，磁栅位移传感器(8)的精度低。3.根据权利要求2所述的一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，其特征在于：所述数据采集及伺服控制处理器(2)包括数据采集模块(2-1)、伺服驱动模块(2-2)和编码器计数模块(2-3)，数据采集模块(2-1)和限位开关传感器(9)信号连接，伺服驱动模块(2-2)和直流电机(4)信号连接，磁栅位移传感器(8)和光栅位移传感器(7)均与编码器计数模块(2-3)信号连接，数据采集模块(2-1)和编码器计数模块(2-3)均与计算机(1)信号连接。4.根据权利要求3所述的一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，其特征在于：所述内容可扩展的直线位置控制教学实验系统还包括铸铁底座(10)、挡板Ⅰ(11)和挡板Ⅱ(12)，铸铁底座(10)的两侧分别固定连接有挡板Ⅰ(11)和挡板Ⅱ(12)，直流电机(4)固定连接在铸铁底座(10)上。5.根据权利要求4所述的一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，其特征在于：所述线性模组(5)包括线性模组基座(5-1)、丝杠(5-2)和滑块(5-3)，丝杠(5-2)固定连接在直流电机(4)的输出轴上，丝杠(5-2)的两端均转动连接有线性模组基座(5-1)，两个线性模组基座(5-1)均固定连接在铸铁底座(10)上，丝杠(5-2)通过螺纹连接有滑块(5-3)，滑块(5-3)的下端与铸铁底座(13)接触。6.根据权利要求5所述的一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，其特征在于：所述负载模块(6)包括负载(6-1)、负载安装台(6-2)、拖链(6-3)和限位开关传感器挡板(6-4)，负载(6-1)包括负载块(6-1-1)、负载螺纹孔(6-1-2)和沉头螺栓(6-1-3)，负载块(6-1-1)上设置有四个负载螺纹孔(6-1-2)，负载块(6-1-1)上通过螺纹连接有四个沉头螺栓(6-1-3)，负载(6-1)设置有多个，多个...

【专利技术属性】
技术研发人员：董惠娟，隋明扬，石胜君，孟繁斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23