一种倒立摆系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种倒立摆系统，其特征在于，包括底座、导轨、滑块、皮带轮、皮带、摆杆和控制系统，导轨固定在底座上，导轨上固定滑块，两个皮带轮固定在底座两端，皮带固定在皮带轮上，滑块固定在皮带上，摆杆顶端设置配重块，摆杆底端通过轴承连接于滑块上，轴承一端设有光电编码器，所述两个皮带轮其中一个的一端的轴上设置有一光电编码器，另一个一端设置带动皮带轮转动的电动机，所述电动机由电动机驱动模块控制，控制系统与电动机驱动模块控制和两个编码器连接。本实用新型的系统运行安全、稳定、可靠，充分体现了自动控制技术的魅力，具有较强的知识性、趣味性和技术性。
【专利说明】一种倒立摆系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及教学教具领域，具体地说是一种倒立摆系统。
【背景技术】
[0002]本发明以机电工程为探究方向，以简单的机电控制理论、物理知识为基础，以中学生科技竞赛为目标，以学生制作竞赛为载体，培养学生动手能力和创新意识，提高学生的科学素养。
[0003]但在多年的科技制作实践中我们也遇到很多困难和问题。主要是当前社会已进入信息时代，科学技术发展的日新月异，使知识淘汰的节奏也越来越快。同时现在学生接触新知识、新技术的渠道越来越多，他们对新知识好奇心也越来越强，所以在日常工作中，时常会有学生来求教一些热门的工程技术问题，如平衡车的控制问题、机器人的控制理论等。作为一名科技老师，要回答这些问题还真有一定的难度。另外当前新技术、新器件、新设备的应用导致科技制作水平越来越高，如机电类比赛项目中，机械结构制作日趋精致、灵巧，电子控制器件体积小、能耗低且稳定性好，自动控制程序编写也越来越复杂。由于上述的原因，科技教师面临的挑战也越来越大。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对教学中的实际情况，更好地激发学生的对科技制作的兴趣，我们根据学生年龄特点和知识结构，以机电自动控制为题材，利用PLC为核心控制器件，制作一种机电自动控制的直线一级倒立摆系统。
[0005]本发明的具体技术方案如下:
[0006]一种倒立摆系统，包括底座、导轨、滑块、皮带轮、皮带、摆杆和控制系统，导轨固定在底座上，导轨上固定滑块，两个皮带轮固定在底座两端，皮带固定在皮带轮上，滑块固定在皮带上，摆杆顶端设置配重块，摆杆底端通过轴承连接于滑块上，轴承一端设有光电编码器，所述两个皮带轮其中一个的一端设置有一光电编码器，另一个一端设置带动皮带轮转动的电动机，所述电动机由电动机驱动模块控制，控制系统与电动机驱动模块控制和两个编码器连接。
[0007]所述控制系统包括PLC主单元、D/A转换模块、2路波形整形电路、两个高速计数器和电动机驱动模块，2路波形整形电路分别与所述两个光电编码器连接，两个光电编码器的信号经过2路波形整形电路处理后分别通过两个高速计数器输入PLC主单元，与PLC主单元连接的D/A转换模块将PLC主单元的数字信号转换为模拟信号输入电动机驱动模块。
[0008]本发明的主要原理为:由主动轮带动皮带拖动滑块在导轨上左右移动，摆杆通过轴承与滑块连接，摆杆可以自由转动，通过控制系统使主动轮转动带动滑块移动，使摆杆与垂直方向的夹角为零，从而使摆杆树立并保持平衡。本发明的系统运行安全、稳定、可靠，充分体现了自动控制技术的魅力，具有较强的知识性、趣味性和技术性。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本发明的倒立摆系统的机械装置部分的结构示意图。
[0010]图2为本发明的倒立摆系统的控制系统的电路框图。
【具体实施方式】
[0011]实施例:
[0012]图1所示为本发明的倒立摆机械装置部分(不包括控制系统)，包括底座1、导轨
2、滑块3、皮带轮4、皮带5和摆杆6，导轨固定在底座上，导轨上固定滑块，两个皮带轮固定在底座两端，皮带固定在皮带轮上，滑块固定在皮带上，皮带与带轮之间无滑动，采用同步带来带动滑块的移动。摆杆顶端设置配重块7，摆杆底端通过轴承8连接于滑块上，轴承一端设有光电编码器9,两个皮带轮其中一个的一端的轴上设置有一光电编码器10,另一个一端设置带动皮带轮转动的电动机11，电动机由电动机驱动模块控制，控制系统与电动机驱动模块控制和两个编码器连接。
[0013]图2为本发明的控制系统的电路框图，包括PLC主单元、D/A转换模块、2路波形整形电路、两个高速计数器，2路波形整形电路分别与两个光电编码器连接，两个光电编码器的信号经过2路波形整形电路处理后分别通过两个高速计数器输入PLC主单元，与PLC主单元连接的D/A转换模块将PLC主单元的数字信号转换为模拟信号输入电动机驱动模块，驱动电动机使摆杆保持平衡；D/A转换模块选用三菱FX2N-5A模块；高速计数器选用三菱高速计数器模块FX2N-1HC分别通过光电编码器来检测摆杆的角度、角速度、滑块的位置、速度等物理量。
[0014]通过本发明倒立摆系统的演示，可以增强学生对机电自动控制的了解，激发学习的兴趣，特别是通过讲解倒立摆稳摆原理和程序的流程，让学生懂得理论知识在实践中运用的重要性，可以在以下几方面来开展探究学习:传感器运用:光电编码测速通过了解光电编码器的原理，设计测量轴承旋转角度和速度的程序；机械系统和传动:了解同步带的工作原理，了解倒立摆系统中使用同步带的必要性；控制系统、PLC编程:初步了解梯形图的编写思路和PLC的程序编写规则；D/A转换系统:了解数字信号与模拟信号的区别，通过与正比例函数的对照，了解D/A转换的原理和作用；恒值离散控制系统设计的基本思路:通过学习系统，了解离散系统采样周期对于系统稳定的重要性和单个采样周期的编写思路。
【权利要求】
1.一种倒立摆系统，其特征在于，包括底座、导轨、滑块、皮带轮、皮带、摆杆和控制系统，导轨固定在底座上，导轨上固定滑块，两个皮带轮固定在底座两端，皮带固定在皮带轮上，滑块固定在皮带上，摆杆顶端设置配重块，摆杆底端通过轴承连接于滑块上，轴承一端设有光电编码器，所述两个皮带轮其中一个的一端的轴上设置有一光电编码器，另一个一端设置带动皮带轮转动的电动机，所述电动机由电动机驱动模块控制，控制系统与电动机驱动模块控制和两个编码器连接。
2.根据权利要求1所述的倒立摆系统，其特征在于，所述控制系统包括PLC主单元、D/A转换模块、2路波形整形电路、两个高速计数器和电动机驱动模块，2路波形整形电路分别与所述两个光电编码器连接，两个光电编码器的信号经过2路波形整形电路处理后分别通过两个高速计数器输入PLC主单元，与PLC主单元连接的D/A转换模块将PLC主单元的数字信号转换为模拟信号输入电动机驱动模块。
【文档编号】G09B25/02GK204010508SQ201420441579
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】满勇孝 申请人:满勇孝