一种模拟PID控制的教学装置及使用方法与流程

本发明涉及教学仪器领域，特别涉及一种模拟PID控制的教学装置及使用方法。

背景技术：

PID控制的理论性很强，如果没有实验装置进行实验，很难让学生充分理解PID控制的方式和原理，而现有的教学方式，例如，通过PID控制方式控制固态继电器给电热板加热，并通过热电偶或热电阻作为反馈元件的PID调节过程的模拟方式，由于电阻丝容易烫手，而且需要220V电压，危险系数很大，不易于实现，严重影响了对PID控制教学的效果。

技术实现要素：

本发明的目的是，为了提高PID控制理论教学装置的安全性，提供了一种模拟PID控制的教学装置及使用方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种模拟PID控制的教学装置，包括：包括平衡杠杆、状态反馈装置和PID控制器，所述平衡杠杆的一端设置有扰动装置，所述平衡杠杆的另一端设置有平衡扰动装置，所述状态反馈装置与所述PID控制器信号连接，所述PID控制器与所述平衡扰动装置电连接，所述扰动装置用于施加扰动，所述平衡扰动装置用于平衡所述扰动装置施加的扰动。

可选的，所述扰动装置为托盘，所述托盘内设置有砝码。

可选的，所述平衡扰动装置为电风扇，所述电风扇的转速由所述PID控制器控制。

可选的，所述状态反馈装置为编码器，所述编码器位于所述平衡杠杆的中间位置，与所述平衡杠杆轴连接，用于将所述平衡杠杆的偏移角度反馈给所述PID控制器。

可选的，所述PID控制器包括触摸屏，用于调节PID控制器的参数。

发明还提供了一种模拟PID控制的教学装置的使用方法，所述方法应用于如权利要求1所述的教学装置，包括如下步骤：

S1，调节所述教学装置，使所述教学装置处于初始平衡状态；

S2，通过所述扰动装置对初始平衡状态施加扰动，使所述教学装置处于不平衡状态；通过PID控制器调节所述平衡扰动装置，使所述教学装置重新处于平衡状态；

S3，分别改变PID控制器的P参数、I参数和D参数，重复S2，观察PID控制器的P参数、I参数和D参数对PID控制过程的影响。

可选的，S1所述调节教学装置，使所述教学装置处于初始平衡状态的具体步骤包括：

S11、向所述托盘中放一个所述砝码，所述托盘和所述砝码为所述教学装置的扰动装置；

S12、给所述电风扇通上一定的电流，使所述电风扇转动；并调节电流使所述编码器的输出角度为0，使所述教学装置处于初始平衡状态；所述电风扇为所述教学装置的平衡扰动装置。

可选的，S2所述通过扰动装置对初始平衡状态施加扰动，使装置处于不平衡状态的具体方法为向所述托盘中添加所述砝码或从所述托盘中取出所述砝码，所述托盘和所述砝码为所述教学装置的扰动装置。

可选的，S2所述通过PID控制器的自动调节所述平衡扰动装置，使所述教学装置重新处于平衡状态的具体步骤包括：

S21、所述PID控制器接收所述编码器反馈的所述平衡杠杆的偏移角度；

S22、所述PID控制器根据所述平衡杠杆的偏移角度，改变所述电风扇的电流，进而改变电风扇的速度；

S23、重复S22，直到所述编码器反馈的所述平衡杠杆的偏移角度为0，所述实验装置处于新的平衡状态。

可选的，S3所述改变PID控制器的参数的具体步骤包括：

S31、通过所述触摸屏改变PID控制器的P参数，观察P参数的变化，对处于新的平衡状态时所述电风扇的速度变化量和所述编码器输出角差值关系的影响；

S32、通过所述触摸屏改变PID控制器的I参数，观察P参数的变化对平衡状态恢复时间的影响；

S33、通过所述触摸屏改变PID控制器的D参数，观察D参数的变化，对超调现象的影响。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

发明公开了一种模拟PID控制的教学装置及使用方法，采用平衡杠杆作为平衡状态观测装置，通过所述平衡杠杆一端的扰动装置，施加扰动，并通过所述状态反馈装置，反馈扰动产生的影响，平采用PID控制器调节平衡杠杆另一端的平衡扰动装置来平衡扰动，使平衡杠杆恢复到平衡状态，实现了PID控制的模拟实验，而且该装置结构简单、使用方便、安全可靠，使实验过程更加直观，将托盘和砝码作为扰动装置，将电风扇作为平衡扰动装置，通过砝码施加扰动，通过改变电风扇的转速来平衡扰动，实现简单，扰动施加和调节响应速度快，且没有危险性，通过PID控制器的触摸屏实现控制参数的改变和调节，使PID控制过程的参数的调节更加简单方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种模拟PID控制的教学装置的结构图。

图2为本发明提供的一种模拟PID控制的教学装置使用方法的装置的流程图。

其中，1为平衡杠杆，2为状态反馈装置，3为扰动装置，31为托盘，32为砝码，4为平衡扰动装置。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种模拟PID控制的教学装置及使用方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种模拟PID控制的教学装置，包括平衡杠杆1、状态反馈装置2和PID控制器，所述平衡杠杆1的一端设置有扰动装置3，所述平衡杠杆的另一端设置有平衡扰动装置4，所述状态反馈装置2与所述PID控制器信号连接，所述PID控制器与所述平衡扰动装置4电连接，所述扰动装置3用于施加扰动，所述平衡扰动装置4用于平衡所述扰动装置施加的扰动。

可选的，所述扰动装置3为托盘31，所述托盘内设置有砝码32。

可选的，所述平衡扰动装置4为电风扇，所述电风扇的转速由所述PID控制器控制。

可选的，所述状态反馈装置2为编码器，所述编码器位于所述平衡杠杆的中间位置，与所述平衡杠杆轴连接，用于将所述平衡杠杆的偏移角度反馈给所述PID控制器。

可选的，所述PID控制器包括触摸屏，用于调节PID控制器的参数。

如图2所示，一种模拟PID控制的教学装置，所述方法应用于如权利要求1所述的教学装置，包括如下步骤：

S1，调节所述教学装置，使所述教学装置处于初始平衡状态；

S2，通过所述扰动装置对初始平衡状态施加扰动，使所述教学装置处于不平衡状态；通过PID控制器调节所述平衡扰动装置，使所述教学装置重新处于平衡状态；在调节所述平衡扰动装置的过程中，所述PID控制器的P参数、I参数和D参数是固定的；

S3，分别改变PID控制器的P参数、I参数和D参数，重复S2，观察PID控制器的P参数、I参数和D参数对PID控制过程的影响。

可选的，S1所述调节教学装置，使所述教学装置处于初始平衡状态的步骤具体包括：

S11、向所述托盘中放一个所述砝码，所述托盘和所述砝码为所述教学装置的扰动装置；

S12、给所述电风扇通上一定的电流，使所述电风扇转动；并调节电流使所述编码器的输出角度为0，使所述教学装置处于初始平衡状态；所述电风扇为所述教学装置的平衡扰动装置。

具体的，在所述托盘中放一个所述砝码，按下启动开关，给所述电风扇通上一定的电流，使电风扇转动，风向上吹，使平衡杠杆为平衡状态，中间的编码器的输出角度为0.

可选的，S2所述通过扰动装置对初始平衡状态施加扰动，使装置处于不平衡状态的具体方法为向所述托盘中添加所述砝码或从所述托盘中取出所述砝码，所述托盘和所述砝码为所述教学装置的扰动装置。

具体的，在平衡状态下，若在所述托盘里再加入一只砝码，给一个扰动，此时系统平衡被打破，托盘一端突然降低，所述编码器的轴连着平衡杠杆的轴，向托盘一端旋转，输出给所述PID控制器偏移角度的脉冲信号，若从所述托盘中取出所述砝码，给一个扰动，此时系统平衡被打破，托盘一端突然升高，所述编码器的轴连着平衡杠杆的轴，向电风扇一端旋转，输出给所述PID控制器偏移角度的脉冲信号。

可选的，S2所述通过PID控制器的自动调节所述平衡扰动装置，使所述教学装置重新处于平衡状态的具体步骤包括：

S21、所述PID控制器接收所述编码器反馈的所述平衡杠杆的偏移角度；

S22、所述PID控制器根据所述平衡杠杆的偏移角度，改变所述电风扇的电流，进而改变电风扇的速度；

S23、重复S22，直到所述编码器反馈的所述平衡杠杆的偏移角度为0，所述实验装置处于新的平衡状态。

具体的，当通过向所述托盘里再加入一只砝码来施加扰动时，所述PID控制器收到所述编码器输出的脉冲信号，计算脉冲的数量，按PID的模式给出增大的电流，使风扇速度加大，托盘一端抬起，电风扇一端降低，编码器的轴连着平衡杠杆的轴旋转，当编码器的输出角度为0，恢复到新的平衡，维持到新的平衡；当通过从所述托盘中取出所述砝码来施加扰动时，所述PID控制器收到所述编码器输出的脉冲信号，计算脉冲的数量，按PID的模式给出减小的电流，使风扇速度减小，托盘一端降低，电风扇一端抬起，编码器的轴连着平衡杠杆的轴旋转，当编码器的输出角度为0，恢复到新的平衡，维持到新的平衡。

可选的，S3所述改变PID控制器的参数的具体步骤包括：

S31、通过所述触摸屏改变PID控制器的P参数，观察P参数的变化，对处于新的平衡状态时所述电风扇的速度变化量和所述编码器输出角差值关系的影响；

S32、通过所述触摸屏改变PID控制器的I参数，观察P参数的变化对平衡状态恢复时间的影响；

S33、通过所述触摸屏改变PID控制器的D参数，观察D参数的变化，对超调现象的影响。

具体的，通过P参数的变化，可以发现被扰动后恢复平衡状态时的电风扇的速度变化量与所述编码器的输出角度差值成正比例；

通过I参数的改变，可以发现在相同的扰动下，平衡状态的恢复时间与所述积分比例时间的反比例关系；

通过D参数的变化，可以发现在相同的扰动下，可以实现对平衡扰动装置的预超调。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。