一种基于螺旋桨的机械平移系统实验装置

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

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”已经成为机械类专业本科生的专业核心课程。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。从机械工程控制的知识体系来看，其主要教学内容有系统的数学模型、系统的时间响应分析、系统的频率特性分析、系统的稳定性、系统的性能指标与校正等，这些内容的理论性都很强。尽管在建立系统数学模型阶段，可能是针对具体的机电系统，但是后续的时间响应分析、频率特性分析等都是基于理论分析，学生在学习过程中，不清楚这些理论分析的依据和作用所在，脱离了工程实践，只知道套公式，影响了教学效果。

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，本实用新型提出了一种基于螺旋桨的机械平移系统实验装置。机械平移系统是经典控制理论在机械工程领域的典型应用之一，比如机床进给轴、跳伞缓冲、汽车加速、汽车制动等模型等都属于机械平移系统。同时，该实验装置也可以克服传统仿真实验直观性差、学生参与度小等不足，实物实验可以充分调动学生的学习积极性，提高学生独立分析问题和解决问题的能力，让学生更好的理论联系实际，进一步提升学生学习兴趣、提高教学质量。

技术实现要素：

本实用新型提供一种基于螺旋桨的机械平移系统实验装置，该装置可以调动学生的积极性，让学生更好地将经典控制理论与实际相联系，在经典控制理论的教学中具有重要意义。

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平移系统实验装置，其特征在于，包括底部支架、动力模块、滑块式直线位移传感器、轴承支撑架、移动支撑架、弹簧、质量块、中轴、开口滑块轴承，所述底部支架包括上支撑、下支撑、缓冲块，所述动力模块包括螺旋桨和电机及外壳，所述轴承支撑架和所述滑块式直线位移传感器固定于所述底部支架上，所述移动支撑架位于所述滑块式直线位移传感器之上，所述中轴一端与所述移动支撑架相连，另一端与所述动力模块相连。

所述底部支架的上支撑与下支撑分别与底面垂直，实验装置可在螺旋桨向上、向下时竖直放置。

所述弹簧放置于所述轴承支撑架与所述移动支撑架之间，弹簧数量、种类、位置是可配置的。

所述开口滑块轴承固定于所述轴承支撑架上，开口滑块轴承预紧力是可调的。

所述中轴穿过所述开口滑块轴承，中轴中心线与所述滑块式直线位移传感器平行。

所述质量块放置于所述移动支撑架上，质量块数量、种类、位置是可配置的。

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平移系统实验装置，可满足经典控制理论中关于机械平移系统实验的各项硬件要求。其底部支架的垂直上支撑、下支撑设计，可以满足水平运动机械平移二阶振荡系统的实验场景，也可以满足螺旋桨向上的质量-阻尼垂直运动机械平移一阶系统的实验要求，同时，可以满足螺旋桨向下的质量-弹簧垂直运动机械平移一阶系统的实验条件。其弹簧部件是用轴承支撑架和移动支撑架上的对向凸起压缩固定，由于使用弹簧时为水平运动和螺旋桨向下运动的工况，故弹簧会受压缩力，不会脱落，且该结构可以保证弹簧数量、种类、位置的任意配置，构建不同的等效弹簧刚度，形成不同参数的数学模型。其开口滑块轴承预紧力是可调的，当预紧力为零时，即中轴与轴承间隙配合，则可认为系统阻尼力为零，变化预紧力，系统阻尼力随之改变，同样增加了系统参数配置的灵活性。同理，其数量、种类、位置可配置的质量块同样增加了系统的可配置性。综上所述，本实用新型完全可以满足机械水平移动二阶系统分析实验、机械垂直移动一阶质量-弹簧系统分析实验、机械垂直移动一阶质量-阻尼系统分析实验，并进行相关系统参数计算。

附图说明

图1为本实用新型一种基于螺旋桨的机械平移系统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平移系统实验装置的水平移动示意图；

图3为本实用新型一种基于螺旋桨的机械平移系统实验装置的螺旋桨向上移动示意图；

图4为本实用新型一种基于螺旋桨的机械平移系统实验装置的螺旋桨向下移动示意图。

附图标号：1、底部支架；1-1、上支撑；1-2、下支撑；1-3、缓冲块；2、动力模块；2-1、螺旋桨；2-2、电机及外壳；3、滑块式直线位移传感器；3-1、滑块；3-2、传感器固定件；4、轴承支撑架；5、移动支撑架；6、弹簧；7、质量块；8、中轴；9、开口滑块轴承。

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1，一种基于螺旋桨的机械平移系统实验装置，其特征在于，包括底部支架1、动力模块2、滑块式直线位移传感器3、轴承支撑架4、移动支撑架5、弹簧6、质量块7、中轴8、开口滑块轴承9，所述底部支架1包括上支撑1-1、下支撑1-2、缓冲块1-3，所述动力模块2包括螺旋桨2-1和电机及外壳2-2，所述轴承支撑架4和所述滑块式直线位移传感器3固定于所述底部支架1上，所述移动支撑架5位于所述滑块式直线位移传感器3之上，所述中轴8一端与所述移动支撑架5相连，另一端与所述动力模块2相连。

在本实施例中，所述底部支架1的上支撑1-1与下支撑1-2分别与底面垂直，实验装置可在螺旋桨向上、向下时竖直放置。所述弹簧6放置于所述轴承支撑架4与所述移动支撑架5之间，弹簧数量、种类、位置是可配置的。所述开口滑块轴承9固定于所述轴承支撑架4上，开口滑块轴承预紧力是可调的。所述中轴8穿过所述开口滑块轴承9，中轴中心线与所述滑块式直线位移传感器3平行。所述质量块7放置于所述移动支撑架5上，质量块数量、种类、位置是可配置的。

采用上述实验装置可进行质量-阻尼机械平移系统位置控制实验，实验步骤如下：

1)如图3所示，实验装置竖直放置，螺旋桨2-1向上，不放置弹簧6，移动支撑架5处于最低位置，为系统初始位置；

2)开口滑块轴承9施加较小的预紧力，取下移动支撑架5上所有质量块7；

3)设定一个从初始位置到轴承支撑架4之间的位置为系统目标值(输入值)，滑块式直线位移传感器3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，改变螺旋桨电机2-2的转速，通过中轴8带动移动支撑架5在竖直方向移动，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)依次调整开口滑块轴承9预紧力、增减质量块7，重复步骤3)-6)，进行pid位置控制实验。

上述实验的原理是：实验装置竖直放置，螺旋桨2-1向上，不放置弹簧6，构成近似质量-阻尼机械平移一阶惯性系统。改变开口滑块轴承9预紧力可以改变系统粘性阻尼系数；在移动支撑架5的空心处放置、取下质量块7，可以改变系统整体质量。本实验可以直观地验证一阶惯性系统的时域响应及控制性质。

采用上述实验装置进行质量-弹簧机械平移系统位置控制实验，实验步骤如下：

1)如图4所示，实验装置竖直放置，螺旋桨2-1向下，开口滑块轴承9预紧力调整为零，移动支撑架5与轴承支撑架4之间放置一个弹簧6，动力模块2不通电，此时为系统的初始位置；

2)取下移动支撑架5上所有质量块7；

3)设定一个从初始位置到轴承支撑架4之间的位置为系统目标值(输入值)，滑块式直线位移传感器3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，改变螺旋桨电机2-2的转速，通过中轴8带动移动支撑架5在竖直方向移动，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)依次调整移动支撑架5与轴承支撑架4中间之间的弹簧6数量和种类、增减质量块7，重复步骤3)-6)，进行pid位置控制实验。

上述实验的原理是：实验装置竖直放置，螺旋桨2-1向下，开口滑块轴承9预紧力调整为零，即中轴8与开口滑块轴承9间隙配合，在移动支撑架5与轴承支撑架4中间放置弹簧6，此时系统的阻尼力只剩下空气阻力和滑块式直线位移传感器3阻尼，可以近似为零，构成近似质量-弹簧机械平移系统。改变移动支撑架5与轴承支撑架4之间的弹簧6类型和数量，可以改变系统综合弹性刚度系数；在移动支撑架5的空心处放置、取下质量块7，可以改变系统整体质量。本实验可以直观地验证质量-弹簧机械平移系统的时域响应及控制性质。

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)移动支撑架5与轴承支撑架4之间放置一个弹簧6，开口滑块轴承9施加较小的预紧力，取下移动支撑架5上所有质量块7，动力模块2不通电不通电，弹簧6压力为零，此时为系统的初始位置；

3)设定一个从初始位置到轴承支撑架4之间的位置为系统目标值(输入值)，滑块式直线位移传感器3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，改变螺旋桨电机2-2的转速，通过中轴8带动移动支撑架5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)依次调整开口滑块轴承9预紧力、移动支撑架5和轴承支撑架4中间之间的弹簧6数量和种类、增减质量块7，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。改变开口滑块轴承9预紧力可以改变系统粘性阻尼系数；改变移动支撑架5与轴承支撑架4之间的弹簧6类型和数量，可以改变系统综合弹性刚度系数；在移动支撑架5的空心处放置、取下质量块7，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。

采用上述实验装置进行质量-弹簧-阻尼二阶机械平移系统物理属性计算实验，由于本实验需要系统通过固定的螺旋桨2-1转速，对质量-弹簧-阻尼系统施加固定的阶跃力，所以需要建立螺旋桨转速与拉力的映射关系，计算方法如下：

实验装置竖直放置，螺旋桨2-1向下，移动支撑架5上端连接测力计，开口滑块轴承9与中轴8间隙配合(预紧力为零)，动力模块2不通电，此时为初始状态，测力计示数f0为系统重力。将螺旋桨2-1转速稳定为v1，测力计示数为f1，则力f1-f0为转速v1产生的拉力。依次改变转速，可构建螺旋桨转速-拉力映射表。

由此可以进行二阶机械平移系统物理属性计算实验，实验步骤如下：

1)如图2所示，连接实验装置，水平放置；

2)移动支撑架5与轴承支撑架4之间放置一个弹簧6，开口滑块轴承9施加较小的预紧力，取下移动支撑架5上所有质量块7，动力模块2不通电不通电，弹簧6压力为零，此时为系统的初始位置；

3)启动螺旋桨2-1，给定一个恒定转速v1，通过中轴8带动移动支撑架5在水平方向移动；

4)控制器记录实际位置，并绘制目标值、实际值的数据表，并绘制时域响应图；

5)分析时域响应图的最大超调量、峰值时间，利用螺旋桨转速-拉力映射表和终值定理，可以列出关于质量、弹簧、阻尼的三个方程，可以计算出该系统的物理属性数值；

6)依次调整开口滑块轴承9预紧力、移动支撑架5与轴承支撑架4中间之间的弹簧6数量和种类、增减质量块7，构建不同物理参数的二阶系统，对系统施加不同的螺旋桨转速(阶跃拉力)，重复步骤3)-5)，进行系统物理属性计算实验。

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。系统通过固定的螺旋桨2-1转速，对质量-弹簧-阻尼系统施加固定的阶跃力，借助螺旋桨转速-拉力映射表，可引用二阶振荡环节的时域响应指标和终值定理，求解系统的质量、弹簧、阻尼的属性值。

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。