一种基于螺旋桨的机械圆周运动实验装置

本实用新型属于控制系统实验装置领域，涉及到一种机械圆周运动实验装置，尤其是一种基于螺旋桨的机械圆周运动实验装置。

背景技术：

工程教育是为国家经济建设提供工程技术与企业管理人才的主要渠道。已成为高等工程教育大国的中国，正以实施卓越工程师教育培养计划为突破点，加快高等工程教育改革创新。机械工程控制课程改革正是契合了工程教育改革的时机。在工程教育的大背景下，如何巩固和加强机械工程控制技术体系，在有限的时间内使学生在这个体系里循序渐进地学习和掌握机电系统控制理论和方法，在教学实践过程中培养他们的控制论知识实际应用能力，这是目前机械工程控制课程亟待解决的问题。

控制论本身就是一门理论性很强的科学，机械工程控制也不例外。针对“机械工程控制基础”课程教学侧重理论，与工程实践结合较少的不足，增设实物实验是教学效果提升的较好手段，尤其是对于机械工程控制等原理性强的课程，更要加强实验教学工作。实验包括仿真实验和实物实验两大类，仿真实验主要为matlab仿真实验，如单位脉冲响应、频率响应、系统传递函数等的实验确定；实物实验主要是对理论知识的验证过程。

以机电系统的具体案例及卓越工程师培养目标为导向，结合工科机械类本科学生的实际特点，本实用新型提出了一种基于螺旋桨的机械圆周运动实验装置。加强了机械工程控制课程和实践的紧密联系性，通过实物验证实验等方式，让学生在学习基础理论的基础上，能够将所学理论知识运用于实践系统，从而提升教学效果。

技术实现要素：

本实用新型为解决当前大学控制工程基础课程内容过于抽象，没有实物演示，学生理解困难的问题而提供的一种基于螺旋桨的机械圆周实验装置，该装置可以让学生更直观的理解系统的控制与分析过程。

为实现本实用新型所采用的技术方案是：

一种基于螺旋桨的机械圆周运动实验装置，其特征在于，包括拉杆式位移传感器、中心轴、拉簧、滑块板、螺旋桨动力装置、底座、中板，所述滑块板包括载物板、质量块、凹槽滑轮，所述底座包括轴承、导电滑环，所述中板包括支撑板、圆柱导轨、前限位开关、后限位开关，所述中板位于所述底座之上，所述拉杆式位移传感器、拉簧、滑块板位于所述中板之上，所述螺旋桨动力装置位于所述中板前侧。

所述螺旋桨动力装置工作时，带动所述中板以所述中心轴为中心圆周运动。

所述质量块大小、数量是可配置的。

所述拉杆式位移传感器的信号线、所述螺旋桨动力装置的动力线通过导电滑环与控制器连接，所述中板圆周运动时不会绕线。

所述拉簧一端连接所述拉杆式位移传感器，另一端连接滑块板，所述拉簧型号、长度是可配置的。

所述滑块板沿所述中板方向滑动，其移动范围在所述前限位开关、后限位开关之间。

本实用新型具有的优点和积极效果是：该基于螺旋桨的机械圆周运动实验装置，可满足经典控制理论中关于机械圆周运动系统实验的各项硬件要求。其底部支座通过轴承与中心轴相连，可以保证系统圆周运动的系统转动阻力很小，保证螺旋桨可以带动整个装置运动。其中心轴外接导电滑环，传递拉杆式位移传感器的信号线和螺旋桨电机的动力线，整个装置在进行圆周运动时不会产生绕线情况。其滑块板采用四个凹槽滑轮与圆周导轨配合，两者之间是滚动摩擦，阻力小，且导轨也保证了载物板的直线运动方向。装置中的拉簧、质量块都是可配置、更换的，这增大了系统参数配置的灵活性。限位开关的安装，可以保证实验装置运动时的系统安全性。

综上所述，本实用新型一种基于螺旋桨的机械圆周运动实验装置，使用圆周运动的新颖结构构建了二阶机械移动系统，装置结构简洁、拆装方便、关键部件可更换，完全可以满足二阶系统性质观察实验和pid位置控制实验的硬件需求。

附图说明

图1为本实用新型一种基于螺旋桨的机械圆周运动实验装置的结构示意图；

图2为本实用新型一种基于螺旋桨的机械圆周运动实验装置的前视示意图；

图3为本实用新型一种基于螺旋桨的机械圆周运动实验装置的左视示意图。

附图标号：1、拉杆式位移传感器；2、中心轴；3、拉簧；4、滑块板；4-1、载物板；4-2、质量块；4-3、凹槽滑轮；5、螺旋桨动力装置；5-1、电机及支架；5-2、螺旋桨；6、底座；6-1、轴承；6-2、导电滑环；7、中板；7-1、支撑板；7-2、圆柱导轨；7-3、后限位开关；7-4、前限位开关。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1、图2、图3，一种基于螺旋桨的机械圆周运动实验装置，其特征在于，包括拉杆式位移传感器1、中心轴2、拉簧3、滑块板4、螺旋桨动力装置5、底座6、中板7，所述滑块板4包括载物板4-1、质量块4-2、凹槽滑轮4-3，所述底座6包括轴承6-1、导电滑环6-2，所述中板7包括支撑板7-1、圆柱导轨7-2、后限位开关7-3、前限位开关7-4，所述中板7位于所述底座6之上，所述拉杆式位移传感器1、拉簧3、滑块板4位于所述中板7之上，所述螺旋桨动力装置5位于所述中板7前侧。

在本实施例中，所述螺旋桨动力装置5工作时，带动所述中板7以所述中心轴2为中心圆周运动。所述质量块4-2大小、数量是可配置的。所述拉杆式位移传感器1的信号线、所述螺旋桨动力装置5的动力线通过导电滑环6-2与控制器连接，所述中板7圆周运动时不会绕线。所述拉簧3一端连接所述拉杆式位移传感器1，另一端连接滑块板4，所述拉簧3型号、长度是可配置的。所述滑块板4沿所述中板7方向滑动，其移动范围在所述后限位开关7-3、前限位开关7-4之间。

采用上述实验装置可进行二阶振荡系统阶跃输入的时域响应实验，实验步骤如下：

1)如图2所示，实验装置水平放置；

2)挂载拉簧3，移动滑块板4，使拉簧3处于初始状态，此时拉力恰好为零，此时为系统的初始位置；

3)启动螺旋桨动力装置5，使螺旋桨维持一个转速，中板7绕中心轴2进行近似匀速圆周运动；

4)滑块板4带动拉杆式位移传感器1移动，控制器记录位移传感器的位置数据；

5)根据实验数据绘制时间、位置实际值的时域图，并计算系统参数；

6)依次调整拉簧3型号、质量块4-2数量和型号、螺旋桨动力装置5恒定转速，重复步骤3)-5)，进行二阶系统阶跃输入的时域响应实验。

上述实验的实验原理是：如图2所示，实验装置水平放置，构成质量-弹簧-阻尼二阶机械平移系统。系统通过恒定的螺旋桨动力装置5转速，对质量-弹簧-阻尼系统施加固定的阶跃力，通过记录时间、位置实际值的时域图，测出最大超调量和峰值时间，引用二阶振荡环节的时域响应指标，可计算出二阶系统的数学模型。

采用上述实验装置进行质量-弹簧-阻尼二阶机械平移系统位置控制实验，实验步骤如下：

1)如图2所示，实验装置水平放置；

2)挂载拉簧3，移动滑块板4，使拉簧3处于初始状态，此时拉力恰好为零，此时为系统的初始位置；

3)设定一个从初始位置到前限位开关7-4之间的位置为系统目标值(输入值)，拉杆式位移传感器1的实际位置值为实际值(输出值)，系统可以实时读取、计算偏差值；

4)使用pid算法，改变螺旋桨动力装置5的转速，带动滑块板4在水平方向移动，将步骤3)的偏差值变为零；

5)调整p、i、d参数，观察不同参数对系统的影响；

6)控制器记录实际位置，并绘制目标值、实际值的时域图；

7)依次调整拉簧3型号、质量块4-2数量和型号，重复步骤3)-6)，进行pid位置控制实验。

上述实验的实验原理是：如图2所示，实验装置水平放置，构成质量-弹簧-阻尼二阶机械平移系统。改变拉簧3型号，可以改变系统综合弹性刚度系数；调整质量块4-2数量和型号，可以改变系统整体质量。本实验可以直观地验证二阶振荡系统的时域响应及控制性质。

尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。