质量-弹簧-阻尼多参数调谐实验方法技术

本发明专利技术涉及质量‑弹簧‑阻尼多参数调谐实验方法，基于质量弹簧阻尼多参数调谐实验系统进行，能够进行二阶振荡系统的脉冲响应实验：改变阻尼系数，可以得到不同的阻尼比，从而得到不同振幅、不同频率的脉冲响应曲线；进行二阶振荡系统的阶跃响应实验：改变阻尼系数，可以得到不同的阻尼比，从而得到不同振幅、不同频率的阶跃响应曲线；进行二阶振荡系统的频率响应实验：改变阻尼系数，可以得到不同的阻尼比，从而得到不同的频率响应曲线；系统的阻尼比不变时，通过改变正弦变化信号的频率，可得到不同频率下的频率响应曲线。本发明专利技术能够进行从基础到前沿的各种合适的控制系统实验，以及对先进控制理论验证。

【技术实现步骤摘要】
质量-弹簧-阻尼多参数调谐实验方法
本专利技术属于调谐系统
，尤其涉及质量-弹簧-阻尼多参数调谐实验方法。
技术介绍
弹簧-质量-阻尼组成的谐振系统是控制理论教学与科研中最常见的二阶振荡系统，是控制理论与算法最直观的研究载体之一；由弹簧-质量-阻尼组成的系统也是最常见的机械振动系统，在生活中具有相当广泛的用途，缓冲器就是其中的一种。缓冲装置是吸收和耗散振动过程产生的能量的主要部件，其吸收耗散能量的能力大小直接关系到系统的安全与稳定。缓冲器在生活中处处可见，例如我们的汽车减震装置和用来消耗碰撞能量的缓冲器，其缓冲系统的性能直接影响着汽车的稳定与驾驶员安全；天宫一号在太空实现交会对接时缓冲系统的稳定与否直接影响着交会对接的成功，另外，质量弹簧阻尼系统是经典的自动控制原理教学模型。因此，对弹簧-质量-阻尼系统的研究有着非常深的现实意义。控制理论与技术和国计民生紧密相联，涉及军用、民用、航空、航天、航海、教育、科研等领域。控制理论与技术是智能时代各种技术的基础，是国家新工科建设的基础理论课程，是智能控制、人工智能、机器人等先进理论与技术的基础。然而，目前大中专院校的控制理论的教学实验设备大多采用Matlab仿真与RLC振荡电路系统。自动控制理论及其传统的电子式自动控制原理实验箱，对于初学者来说比较抽象，难以展示控制理论中的关键概念与原理，难以将理论与实践结合起来，直观性较差，教学手段落后，难以满足当前的技术发展与新工科教学。因此，研究一种适于控制理论技术教学与科研、能够贯穿控制理论从基础到前沿的实验的质量-弹簧-阻尼多参数调谐实验方法，对新工科和智能技术的教育和发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适于控制理论技术教学与科研、能够贯穿控制理论从基础到前沿的实验的质量-弹簧-阻尼多参数调谐实验方法。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：质量-弹簧-阻尼多参数调谐实验方法，所述实验方法基于质量弹簧阻尼多参数调谐实验系统进行，所述质量弹簧阻尼多参数调谐实验系统包括支撑框架及安装在所述支撑框架上的阻尼调节机构、质块-弹簧机构、正弦输入机构、脉冲发生机构、检测与伺服控制系统；所述阻尼调节机构包括左导电极板、右导电极板、强力磁铁；所述左导电极板、右导电极板对称分布在所述强力磁铁两侧，并可通过位移调节机构使得左导电极板、右导电极板远离或者接近所述强力磁铁，从而调节系统阻尼系数；所述正弦输入机构包括竖直光轴导轨、正弦输入杆、可调偏心距转盘；所述竖直光轴导轨一端固定于支撑框架的顶板上，正弦输入杆安装在竖直光轴导轨上，且其在可调偏心距转盘的驱动下可以沿竖直光轴导轨上下运动，形成正弦位移输入；所述质块-弹簧机构包括弹簧、连接板及连接杆，所述弹簧的两端分别与正弦输入杆、连接板固定连接，连接杆一端与连接板底面固定连接，另一端与强力磁铁固定连接；所述脉冲发生机构包括悬垂球、脉冲支杆、脉冲输入导杆；所述脉冲支杆竖直固定在顶板上，所述悬垂球安装脉冲支杆上且其相较于脉冲支杆可转动，所述脉冲输入导杆一端位于所述顶板上方，另一端依次穿过顶板、竖直光轴导轨并与连接板固定连接，通过悬垂球撞击脉冲输入导杆，可引起强力磁铁-弹簧-阻尼系统的振荡；所述检测与伺服控制系统包括上位机、伺服电机驱动器、激光位移传感器；所述激光位移传感器安装在所述顶板上，可检测连接板的位移；所述伺服电机驱动器、激光位移传感器通过输入输出接口板接入上位机，所述上位机接收所述激光位移传感器检测的信号，并可通过伺服电机驱动器控制所述伺服电机工作；所述实验方法包括：二阶振荡系统的脉冲响应实验：当正弦输入机构不进行正弦位移输入时，通过脉冲发生机构的悬垂球对脉冲输入导杆撞击，产生脉冲力，再通过激光位移传感器读检测连接板的实际位移，上传给上位机，可得到该二阶系统的实际脉冲响应曲线；通过调节左导电极板、右导电极板之间的距离，从而改变阻尼系数，可以得到不同的阻尼比，从而得到不同振幅、不同频率的脉冲响应曲线；二阶振荡系统的阶跃响应实验：当正弦输入机构不进行正弦位移输入时，通过对脉冲输入导杆施加一个阶跃力，通过激光位移传感器检测连接板的实际位移，并上传给上位机，可得到该二阶系统的实际阶跃响应曲线；通过调节左导电极板、右导电极板之间的距离，从而改变阻尼系数，可以得到不同的阻尼比，从而得到不同振幅、不同频率的阶跃响应曲线；二阶振荡系统的频率响应实验：当正弦输入机构进行正弦位移输入时，通过正弦输入杆对弹簧上端输入正弦变化的位移，当输入信号的频率ω不变时，通过调节左导电极板、右导电极板之间的距离，从而改变阻尼系数，可以得到不同的阻尼比，从而得到不同的频率响应曲线；当固定左导电极板、右导电极板之间的距离，系统的阻尼比不变时，通过改变正弦变化信号的频率，可得到不同频率下的频率响应曲线。进一步的，所述位移调节机构包括正反螺杆、与正反螺杆平行且分布于正反螺杆两侧的第一导轨、第二导轨，所述左导电极板、右导电极板分别穿过所述正反螺杆、第一导轨、第二导轨的两端，并与所述正反螺杆螺纹连接。进一步的，所述可调偏心距转盘一侧与伺服电机同轴连接，可调偏心距转盘的输出端的偏心轴通过偏心调节机构可调节其与转盘圆心的距离，所述偏心轴末端固定连接滑动块，所述正弦输入杆沿其轴向方向形成滑轨，所述滑动块位于所述滑轨上并可沿其移动，当可调偏心距转盘在伺服电机的驱动下旋转时，偏心轴带动滑动块在所述滑轨上移动并带动所述正弦输入杆沿竖直导轨形成正弦上下运动。进一步的，所述偏心调节机构包括调节螺杆，所述调节螺杆被限位在所述可调偏心距转盘表面的滑槽中，所述调节螺杆上螺纹连接调节滑块螺母，所述偏心轴一端固定在调节滑块螺母上，通过旋转调节螺杆，可使得所述调节滑块螺母相较于所述调节螺杆移动，从而调节偏心轴的偏心距。进一步的，所述调节螺杆两端通过第一调节螺杆支座、第二调节螺杆支座被限位，所述调节滑块螺母与调节螺杆通过螺纹配合嵌入可调偏心距转盘的滑槽中，在调节螺杆的驱动下调节滑块螺母可沿可调偏心距转盘的滑槽滑动。进一步的，所述连接板两侧均穿过固定导杆，所述固定导杆竖直固定在所述支撑框架内部，使得所述连接板只能沿所述固定导杆方向移动。进一步的，所述支撑框架包括构成口字型框架结构的底板、左侧板、右侧板和顶板。本专利技术的优点和积极效果是：1.本专利技术作为自动控制一体化实验平台可以实现从建模到控制系统设计，从基础到前沿的各种合适的控制系统实验，以及对先进控制理论验证；其中包括：典型二阶系统的建模与分析实验、二阶振荡系统的脉冲响应实验、二阶振荡系统的阶跃响应实验、二阶振荡系统阻尼系数测量实验、基于变参数根轨迹特性实验、二阶振荡系统频率响应特性实验、PID校正实验、以及基于模糊控制、自抗扰控制、滤波、系统辨识等先进控制理论与控制系统设计相关实验；2.本专利技术的质块-弹簧机构与阻尼调节机构串联组成一个阻尼可调节的质块-弹簧-阻尼二阶振荡系统，该系统的输入可以为脉冲力、阶跃位移、正弦谐波位移；系统的输出为质块输入信号作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.质量-弹簧-阻尼多参数调谐实验方法，其特征在于：所述实验方法基于质量弹簧阻尼多参数调谐实验系统进行，所述质量弹簧阻尼多参数调谐实验系统包括支撑框架及安装在所述支撑框架上的阻尼调节机构、质块-弹簧机构、正弦输入机构、脉冲发生机构、检测与伺服控制系统；/n所述阻尼调节机构包括左导电极板、右导电极板、强力磁铁；所述左导电极板、右导电极板对称分布在所述强力磁铁两侧，并可通过位移调节机构使得左导电极板、右导电极板远离或者接近所述强力磁铁，从而调节系统阻尼系数；/n所述正弦输入机构包括竖直光轴导轨、正弦输入杆、可调偏心距转盘；所述竖直光轴导轨一端固定于支撑框架的顶板上，正弦输入杆安装在竖直光轴导轨上，且其在可调偏心距转盘的驱动下可以沿竖直光轴导轨上下运动，形成正弦位移输入；/n所述质块-弹簧机构包括弹簧、连接板及连接杆，所述弹簧的两端分别与正弦输入杆、连接板固定连接，连接杆一端与连接板底面固定连接，另一端与强力磁铁固定连接；所述脉冲发生机构包括悬垂球、脉冲支杆、脉冲输入导杆；所述脉冲支杆竖直固定在顶板上，所述悬垂球安装脉冲支杆上且其相较于脉冲支杆可转动，所述脉冲输入导杆一端位于所述顶板上方，另一端依次穿过顶板、竖直光轴导轨并与连接板固定连接，通过悬垂球撞击脉冲输入导杆，可引起强力磁铁-弹簧-阻尼系统的振荡；/n所述检测与伺服控制系统包括上位机、伺服电机驱动器、激光位移传感器；所述激光位移传感器安装在所述顶板上，可检测连接板的位移；所述伺服电机驱动器、激光位移传感器通过输入输出接口板接入上位机，所述上位机接收所述激光位移传感器检测的信号，并可通过伺服电机驱动器控制所述伺服电机工作；/n所述实验方法包括：/n二阶振荡系统的脉冲响应实验：当正弦输入机构不进行正弦位移输入时，通过脉冲发生机构的悬垂球对脉冲输入导杆撞击，产生脉冲力，再通过激光位移传感器读检测连接板的实际位移，上传给上位机，可得到该二阶系统的实际脉冲响应曲线；通过调节左导电极板、右导电极板之间的距离，从而改变阻尼系数，可以得到不同的阻尼比，从而得到不同振幅、不同频率的脉冲响应曲线；/n二阶振荡系统的阶跃响应实验：当正弦输入机构不进行正弦位移输入时，通过对脉冲输入导杆施加一个阶跃力，通过激光位移传感器检测连接板的实际位移，并上传给上位机，可得到该二阶系统的实际阶跃响应曲线；通过调节左导电极板、右导电极板之间的距离，从而改变阻尼系数，可以得到不同的阻尼比，从而得到不同振幅、不同频率的阶跃响应曲线；/n二阶振荡系统的频率响应实验：当正弦输入机构进行正弦位移输入时，通过正弦输入杆对弹簧上端输入正弦变化的位移，当输入信号的频率ω不变时，通过调节左导电极板、右导电极板之间的距离，从而改变阻尼系数，可以得到不同的阻尼比，从而得到不同的频率响应曲线；当固定左导电极板、右导电极板之间的距离，系统的阻尼比不变时，通过改变正弦变化信号的频率，可得到不同频率下的频率响应曲线。/n...

【技术特征摘要】
20200907 CN 20201092999401.质量-弹簧-阻尼多参数调谐实验方法，其特征在于：所述实验方法基于质量弹簧阻尼多参数调谐实验系统进行，所述质量弹簧阻尼多参数调谐实验系统包括支撑框架及安装在所述支撑框架上的阻尼调节机构、质块-弹簧机构、正弦输入机构、脉冲发生机构、检测与伺服控制系统；
所述阻尼调节机构包括左导电极板、右导电极板、强力磁铁；所述左导电极板、右导电极板对称分布在所述强力磁铁两侧，并可通过位移调节机构使得左导电极板、右导电极板远离或者接近所述强力磁铁，从而调节系统阻尼系数；
所述正弦输入机构包括竖直光轴导轨、正弦输入杆、可调偏心距转盘；所述竖直光轴导轨一端固定于支撑框架的顶板上，正弦输入杆安装在竖直光轴导轨上，且其在可调偏心距转盘的驱动下可以沿竖直光轴导轨上下运动，形成正弦位移输入；
所述质块-弹簧机构包括弹簧、连接板及连接杆，所述弹簧的两端分别与正弦输入杆、连接板固定连接，连接杆一端与连接板底面固定连接，另一端与强力磁铁固定连接；所述脉冲发生机构包括悬垂球、脉冲支杆、脉冲输入导杆；所述脉冲支杆竖直固定在顶板上，所述悬垂球安装脉冲支杆上且其相较于脉冲支杆可转动，所述脉冲输入导杆一端位于所述顶板上方，另一端依次穿过顶板、竖直光轴导轨并与连接板固定连接，通过悬垂球撞击脉冲输入导杆，可引起强力磁铁-弹簧-阻尼系统的振荡；
所述检测与伺服控制系统包括上位机、伺服电机驱动器、激光位移传感器；所述激光位移传感器安装在所述顶板上，可检测连接板的位移；所述伺服电机驱动器、激光位移传感器通过输入输出接口板接入上位机，所述上位机接收所述激光位移传感器检测的信号，并可通过伺服电机驱动器控制所述伺服电机工作；
所述实验方法包括：
二阶振荡系统的脉冲响应实验：当正弦输入机构不进行正弦位移输入时，通过脉冲发生机构的悬垂球对脉冲输入导杆撞击，产生脉冲力，再通过激光位移传感器读检测连接板的实际位移，上传给上位机，可得到该二阶系统的实际脉冲响应曲线；通过调节左导电极板、右导电极板之间的距离，从而改变阻尼系数，可以得到不同的阻尼比，从而得到不同振幅、不同频率的脉冲响应曲线；
二阶振荡系统的阶跃响应实验：当正弦输入机构不进行正弦位移输入时，通过对脉冲输入导杆施加一个阶跃力，通过激光位移传感器检测连接板的实际位移，并上传给上位机，可得到该二阶系统的实际阶跃响应曲线；通过调节左导电极板、右导电极板之间的距离，从而改变阻尼系数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永立，段海龙，苏秉华，李洪兴，易国荣，
申请(专利权)人：北京理工大学珠海学院，
类型：发明
国别省市：广东;44