一种四旋翼机械旋转系统实验装置

本实用新型属于控制系统实验装置领域，涉及到一种机械旋转系统实验装置，尤其是一种四旋翼机械旋转系统实验装置。

背景技术：

随着机械设计制造智能化及自动化程度的提高，“机械工程控制基础”已经成为机械专业本科生的专业核心课程。本课程的主要目的是培养学生从动态、连续的角度分析机械系统，主要内容包括建立数学模型，分析模型的瞬态响应、频域响应，判断系统的稳定性，并据此对系统进行设计和校正，是使用数学知识解决工程问题的核心基础知识。机械旋转系统是经典控制理论在机械工程领域的典型应用之一，比如齿轮传动模型、单摆系统模型等都属于机械旋转系统。

当前对于机械旋转系统分析的教学方式主要是理论课与仿真课结合，缺少一种直观、有效的教学实验装置。为了丰富经典控制理论机械旋转系统分析教学部分的教学手段，让学生能够更容易地理解和学习相关知识，本实用新型结合四旋翼动力装置，提出了一种机械旋转系统实验装置，并开展相关实验教学工作。

技术实现要素：

本实用新型为机械旋转系统的实验教学提供了一种直观、有效的教学实验装置。

为实现本实用新型所采用的技术方案是：

一种四旋翼机械旋转系统实验装置，其特征在于，包括壳体、主轴、扭簧、螺旋桨动力装置、角度指示装置、编码器、编码器支架、控制面板、控制板收纳仓、滑环，所述壳体包括上壳体、下壳体、后挡板，所述螺旋桨动力装置包括连接器、前挡板、风车轴、空心环电机及外壳、螺旋桨，所述角度指示装置包括刻度盘、指针，所述控制面板包括显示屏、按键，所述主轴、扭簧、螺旋桨动力装置、滑环位于所述上壳体前侧，所述控制面板位于所述下壳体前侧，所述编码器、编码器支架、角度指示装置位于所述上壳体后侧，所述控制板收纳仓位于所述下壳体右侧。

所述壳体中的上壳体部分，其各面采用榫卯方式连接，可实现实验装置的快速拆装。

所述扭簧一端与所述壳体的后挡板接触，另一端与所述螺旋桨动力装置的前挡板接触，所述扭簧可安装或不安装，且其型号是可配置的。

所述螺旋桨动力装置运动时与下壳体无干涉。

所述角度指示装置的指针与所述主轴同步转动，所述刻度盘上有圆周角度示数。

所述滑环传输所述螺旋桨动力装置的动力线，实验装置工作时不会产生绕线情况。

所述编码器位于角度指示装置后侧，通过所述编码器支架与所述上壳体相连，编码器转子与所述主轴同步转动。

本实用新型具有的优点和积极效果是：该周向四旋翼电机控制实验装置，上壳体采用六块互不相接的铝板，使用插入式的方法使其相互连接，易于学生拆解与安装。滑环的使用满足了主轴在转动时电机线不会与主轴产生缠绕，传输信号更稳定。扭簧的设计，满足了装置在安装扭簧时，可为开展pid位置控制实验，为系统提供阻尼力，同时，在卸去扭簧后，可已进行pid速度控制实验。动力部分选用空心环电机，重量轻，可以减小电机使用时造成的噪音。刻度盘采用亚克力材质，寿命高且易于清理维修。显示屏采用lcd液晶显示屏，更加纤薄轻巧。控制板收纳仓的设计，可以随时打开观察控制板及内部连接。综上所述，本实用新型主要用于机械旋转系统的综合、分析教育实验开展，包括恒转速机械旋转系统的角度位置响应实验、基于pid的机械旋转系统角度位置控制实验和基于pid的机械旋转系统转速控制实验等。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的前视示意图；

图3为本实用新型的后视示意图；

图4为本实用新型的轴侧示意图。

图中：1、壳体；1-1、上壳体；1-2、下壳体；1-3、后挡板；2、主轴；3、扭簧；4、螺旋桨动力装置；4-1、连接器；4-2、前挡板；4-3、风车轴；4-4、空心环电机及外壳；4-5、螺旋桨；5、角度指示装置；5-1、刻度盘；5-2、指针；6、编码器；7、编码器支架；8、控制面板；8-1、显示屏；8-2、按键；9、控制板收纳仓；10、滑环。

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：

如图1、2、3、4所示，一种四旋翼机械旋转系统实验装置，包括壳体1、主轴2、扭簧3、螺旋桨动力装置4、角度指示装置5、编码器6、编码器支架7、控制面板8、控制板收纳仓9、滑环10，所述壳体1包括上壳体1-1、下壳体1-2、后挡板1-3，所述螺旋桨动力装置4包括连接器4-1、前挡板4-2、风车轴4-3、空心环电机及外壳4-4、螺旋桨4-5，所述角度指示装置5包括刻度盘5-1、指针5-2，所述控制面板8包括显示屏8-1、按键8-2，所述主轴2、扭簧3、螺旋桨动力装置4、滑环10位于所述上壳体1-1前侧，所述控制面板8位于所述下壳体1-2前侧，所述编码器6、编码器支架7、角度指示装置5位于所述上壳体1-1后侧，所述控制板收纳仓9位于所述下壳体1-2右侧。

在本实施例中，所述上壳体1-1各面采用榫卯方式连接，可实现实验装置的快速拆装。所述扭簧3一端与所述壳体1的后挡板1-3接触，另一端与所述螺旋桨动力装置4的前挡板4-2接触，所述扭簧3可安装或不安装，且其型号是可配置的。所述螺旋桨动力装置4运动时与下壳体1-2无干涉。所述角度指示装置5的指针5-2与所述主轴2同步转动，所述刻度盘上5-1有圆周角度示数。所述滑环10传输所述螺旋桨动力装置4的动力线，实验装置工作时不会产生绕线情况。所述编码器6位于角度指示装置5后侧，通过所述编码器支架7与所述上壳体1-1相连，编码器转子与所述主轴2同步转动。

采用上述装置可以进行螺旋桨动力装置4恒定转速作用下，机械旋转系统的角度位置响应实验，实验步骤如下：

1)将扭簧3放置于后挡板1-3和前挡板4-2之间；

2)启动螺旋桨动力装置4，并维持一个恒定转速；

3)与步骤2)同时开始记录编码器6的实时数据，并换算成角度值，记录时间及对应角度值；

4)绘制系统时间-角度值关系曲线，计算系统数学模型；

5)更换不同参数的扭簧3，重复步骤1)-4)，建立不同扭簧作用下的系统数学模型；

6)在扭簧承受范围内，变换不同的恒定转速，重复步骤1)-4)，建立不同转速作用下的系统数学模型。

上述实验的原理是：装置整体与扭簧3形成一个近似二阶振荡系统，恒定转速相当于对系统施加阶跃输入，在系统工作范围内，记录的系统时间-角度值关系曲线近似符合二阶振荡系统的时域响应曲线，所以可以使用相关性质计算出二阶振荡系统的系统参数，从而得到系统的数学模型。

采用上述装置也可以进行基于pid的机械旋转系统角度位置控制实验，实验步骤如下：

1)将扭簧3放置于后挡板1-3和前挡板4-2之间，并使两端刚好接触；

2)记录角度指示装置5中指针5-2所指向的角度值a，将装置运动目标值设置为大于该角度的一个值b；

3)启动螺旋桨动力装置4，调整控制系统pid参数，让指针5-2指向刻度b；

4)与步骤3)同时开始记录编码器6的实时数据，并换算成角度值，记录时间及对应角度值；

5)绘制系统时间-角度值关系曲线，观察当前pid参数对系统的影响；

6)更换目标刻度b的值，重复步骤1)-5)，观察并分析的系统响应特征；

7)更换不同参数的扭簧3，重复步骤1)-5)，观察并分析不同扭簧作用下的系统响应；

8)在系统工作范围内，变换不同的pid参数，重复步骤1)-5)，观察并分析pid参数对系统稳定性、准确性、快速性的影响。

上述实验的原理是：装置整体与扭簧3形成一个近似二阶振荡系统，此时指针5-2的实际指示角度为系统输出，指针5-2的目标刻度b为系统输入，pid算法的实质就是通过调整螺旋桨4-5转速，使系统输出无限接近系统输入，而不同的pid参数对系统稳定性、准确性、快速性的影响是不同的，通过本实验可以直观地观测到。

采用上述装置还可以进行基于pid的机械旋转系统指定转速控制实验，实验步骤如下：

1)将扭簧3取下；

2)设定一个主轴2的目标转速c；

3)启动螺旋桨动力装置4，调整控制系统pid参数，让主轴2转速接近c；

4)与步骤3)同时开始记录编码器6的实时数据，并换算成角速度值，记录时间及对应角度值；

5)绘制系统时间-角速度值关系曲线，观察当前pid参数对系统的影响；

6)更换目标转速c的值，重复步骤2)-5)，观察并分析的系统响应特征；

7)在系统工作范围内，变换不同的pid参数，重复步骤2)-5)，观察并分析pid参数对系统稳定性、准确性、快速性的影响。

上述实验的原理是：由于扭簧3取下，装置整体形成一个近似一阶惯性系统，此时编码器6换算得到的角速度实际值为系统输出，目标转速c为系统输入，pid算法的实质就是通过调整螺旋桨4-5转速，使装置实际转速无限接近目标转速c，而不同的pid参数对系统稳定性、准确性、快速性的影响是不同的，通过本实验可以直观地观测到。

以上对本实用新型的一个实例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。