本实用新型属于教具
技术领域：
，特别涉及一种基于PID控制系统的教具。
背景技术：
：自1969年由美国数字设备公司研制出世界第一台PLC之后，因其可靠性高、抗干扰能力强、采用模块化结构、编程语言简单和安装简单等特点，PLC已被广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。但是，目前高校在涉及机电传动控制、机器人控制和机械工程控制等课程教学过程中，仍然重理论教学轻实际操作能力，且不能有效地将自动化相关控制理论在教学过程中更加具象的表达，学生在学习过程中比较抽象，难以理解如何将书本中所学的相关控制理论知识应用于实际工程中，因此非常有必要在课程教学过程中加入相关实际控制对象平台，基于PLC、单片机等微处理器将控制理论相关知识应用于实际对象的控制，增强实践教学环节，提高学生的实际动手能力，为培养出具有“理论+实践”复合型能力的学生奠定教学基础。技术实现要素：为了克服现有技术中的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于PID控制系统的教具，实现基于学生编写的程序的PLC应用教学，能够使得学生在结构较为简单的PID控制系统教具中深入了解PLC在控制系统中的应用。本实用新型的目的是这样实现的：一种基于PID控制系统的教具，包括弹簧质量体系统、控制弹簧质量体系统运行的PLC控制电路模块以及与PLC控制电路模块连接的人机交互设备，弹簧质量体系统中设置有若干质量体及驱动质量体转动的电机，且质量体之间通过弹簧依次连接，弹簧质量体系统上设置有用于测量各个质量体转速的模拟量检测模块，模拟量检测模块将检测数据反馈到PLC控制电路模块中，并将处理后的检测数据在人机交互设备中显示。所述电机为直流电机，且PLC控制电路模块中设置有驱动直流电机的H桥驱动电路。所述弹簧质量体系统包括底板，底板上固定设置有支撑座，所述质量体通过两侧的支撑座转动设置在底板上，且模拟量检测模块固定设置在支撑座上。所述质量体的中心设置有可拆卸的安装轴，安装轴分别与质量体两侧的支撑座转动设置。所述支撑座上固定设置有支撑安装轴的轴承。所述弹簧可拆卸设置在两个相邻的安装轴之间。所述模拟量检测模块为空心轴旋转编码器，且空心轴旋转编码器固定设置在支撑座上。所述质量体为大小不一的圆柱体，质量体的中心轴线共线，且电机驱动质量体绕各自中心轴线转动。所述人机交互设备为触摸屏，且触摸屏上设置有三个输入数据按钮，三个数据按钮控制比例、积分和微分的原始参数值的输入。本实用新型相比现有技术突出且有益的技术效果是：1、本实用新型所述一种基于PID控制系统的教具，包括弹簧质量体系统、控制弹簧质量体系统运行的PLC控制电路模块以及与PLC控制电路模块连接的人机交互设备，通过PLC控制电路模块控制弹簧质量体系统，便于对弹簧质量体系统的精确控制，减少教具的误差，人机交互设备的设置便于使用者控制教具并调整PLC控制电路模块相关参数，操作方便，弹簧质量体系统中设置有若干质量体及驱动质量体转动的电机，且质量体之间通过弹簧依次连接，通过弹簧将相邻两质量体相连，使电机驱动所有质量体转动，且各个质量体转速不同，便于使用者同时获得多组数据，并对数据进行处理分析获得结论，弹簧质量体系统上设置有用于测量各个质量体转速的模拟量检测模块，模拟量检测模块将检测数据反馈到PLC控制电路模块中，并将处理后的检测数据在人机交互设备中显示，便于使用者直观的观察控制系统的控制效果，提高教学效果。2、本实用新型所述电机为直流电机，直流电机具有良好的启动特性和调速特性，且直流电机的转矩比较大，维修比较便宜；PLC控制电路模块中设置有驱动直流电机的H桥驱动电路，H桥驱动电路的设置便于对直流电机的控制；所述人机交互设备为触摸屏，且触摸屏上设置有三个输入数据按钮，三个数据按钮控制比例、积分和微分的原始参数值的输入，通过使用者输入不同的初始数值，控制电机不同转速运转，使使用者可以了解不同比例、积分和微分参数对电机转速的影响，加深对PID控制系统的了解，提高教学效果。3、本实用新型所述弹簧质量体系统包括底板，底板上固定设置有支撑座，所述质量体通过两侧的支撑座转动设置在底板上，通过支撑座将各个质量体支撑座底板上，避免质量体自身重力影响影响其转动，导致实验误差；所述质量体的中心设置有可拆卸的安装轴，安装轴分别与质量体两侧的支撑座转动设置，便于使用者更换不同的质量体进行实验，获得更多的数据，加深对控制系统的理解，所述弹簧可拆卸设置在两个相邻的安装轴之间，使用者可以更换不同弹簧进行实验；所述质量体为大小不一的圆柱体，质量体的中心轴线共线，且电机驱动质量体绕各自中心轴线转动，通过大小不一的质量体得出各个质量体的不同转速变化曲线，减小实验误差，提高教学效果。附图说明图1是本实用新型的结构示意图；图2是本实用新型弹簧质量体系统的力学示意图；图3是本实用新型PLC控制电路模块中PLC的程序流程图；图4是本实用新型弹簧质量体系统PID控制系统结构图图5是本实用新型中基于L298N的H桥驱动及电平转换电路原理图；图6是本实用新型PLC控制电路模块PID程序梯形图一；图7是本实用新型PLC控制电路模块PID程序梯形图二。图中标号含义：1-底板；2-支撑座；3-电机；4-PLC控制电路模块；5-质量体；6-弹簧；7-模拟量检测模块；8-轴承；9-安装轴；10-联轴器；11-人机交互设备；m1，m2，m3-质量块质量；k1,k2-弹簧弹性系数。具体实施方式下面结合附图以具体实施例对本实用新型作进一步描述：参见图1至图7所示，一种基于PID控制系统的教具，包括弹簧质量体系统、控制弹簧质量体系统运行的PLC控制电路模块4以及与PLC控制电路模块4连接的人机交互设备11，通过人机交互设备11将参数输入到PLC控制电路模块4中，并通过PLC控制电路模块4控制弹簧质量体系统，实现对弹簧质量体系统的调节控制，本实用实施例中PLC控制电路模块4优选使用FX3UPLC，人机交互设备11优选为触摸屏，且触摸屏上设置有三个输入数据按钮，三个数据按钮控制比例、积分和微分的原始参数值的输入，通过使用者输入不同的初始数值，所述弹簧质量体系统中设置有若干质量体5及驱动质量体5转动的电机3，控制电机3不同转速运转，使使用者可以了解不同比例、积分和微分参数对电机3转速的影响，加深对PID控制系统的了解，提高教学效果。所述电机3为直流电机，且PLC控制电路模块4中设置有驱动直流电机的H桥驱动电路，便于使用者对直流电机的驱动，本实用新型中选用型号为L298N的H桥电机驱动芯片，优选直流电机为空心杯直流电机，空心板直流电机具有能量转换效率很高，起动、制动迅速，响应极快，运行稳定性十分可靠，转速的波动很小等优点，便于使用者使用。所述质量体5之间通过弹簧6依次连接，本实用新型优选设置三组圆柱形且大小不一的质量体5，质量体5的中心轴线共线，且电机3驱动质量体5绕各自中心轴线转动，通过电机3驱动各个质量体5转动，并根据各个质量体5的转速变化规律，便于使用者分析了解PID控制系统对，弹簧质量体系统上设置有用于测量各个质量体5转速的模拟量检测模块7，模拟量检测模块7将检测数据反馈到PLC控制电路模块4中，并将处理后的检测数据在人机交互设备11中显示，所述模拟量检测模块7优选为旋转编码器。所述弹簧质量体系统包括底板1，底板1上固定设置有支撑座2，所述质量体5通过两侧的支撑座2转动设置在底板1上，且旋转编码器固定设置在支撑座2上，通过支撑座2将质量体5支撑座2底板1上，避免了弹簧质量体系统内部应力影响教具检测结果，影响正常教学；本实用新型优选质量体5中心设置有可拆卸的安装轴9，安装轴9分别与质量体5两侧的支撑座2转动设置，且支撑座2上设置有轴承8，减少支撑座2与安装轴9之间的摩擦，优选电机3通过联轴器10与安装轴9固定连接驱动质量体5转动，该结构便于使用者更换不同的质量体5进行多组实验的进行，加深使用者对控制系统的了解，提高教学质量；所述弹簧6可拆卸设置在两个相邻的安装轴9之间，使用者可以更换不同弹簧进行实验。根据上述基于PID控制系统的教具可得如图2弹簧质量体系统力学示意图，已知直流电机减速箱传动比n，可得忽略功率损耗，根据功率变换不变性，可得即：Tm＝nτm(1)根据基尔霍夫定律，可得直流电机的电压平衡方程：式中，反电势kd为反电势常数。当励磁磁通不变时，可得直流电机电磁转矩τe＝kei，其中ke为力矩常数。根据力矩平衡原理，可得：根据机械旋转系统的动力学建模原理，可得弹簧质量体系统旋转部分的微分方程：其中m1～3为质量块质量，R1～3为质量块外直径，d为质量块内直径，J1～3质量块的转动惯量。由(2)～(4)组成的系统方程经过拉普拉斯变换后：根据传递函数的定义，通过上式得到系统各个环节的传递函数如下：根据以上对弹簧质量体系统旋转系统的动力学分析，加入PID控制系统对其进行转速控制的控制结构图如图4。基于PLC的PID控制器通过目标转速与实际转速的偏差，对直流电机的电压输入进行自适应调节，达到控制转速的目的。本实用新型中PLC端口分配及功能如下述表1所示：表1——PLC端口分配及功能表FX3U组件功能说明FX3U组件功能说明X003编码器1(电平转换)Y000L298N(EA使能端)X004编码器2(电平转换)Y002L298N(In1)X005编码器3(电平转换)Y003L298N(In2)0V(Com)PLC输入公共端Com1PLC输出公共端本实用新型PLC程序参见图6和图7。由于弹簧质量体系统的三块大小不一的质量体5分别通过中心轴固定在立式支撑座9上，三个质量体5的中心轴线处在一条水平线上，质量体5之间通过具有一定柔性的弹簧6连接，直流电机输出轴通过联轴器10驱动质量体5连接，直流电机转动则可以驱动三块质量体5转动，每个质量体5均设置有相应的反馈检测装置，能实时检测不同位置的转速信号。该控制系统中PLC可以实时检测三个位置信号，并与目标转速做比较，对三个转速进行PID跟踪目标转速控制，克服弹簧6连接造成的系统柔性扰动以及三个不同质量块引起的转速不同步。且利用触摸屏对PID控制系统三个参数进行实时调节并显示三个位置转速的实时曲线，实现在线PID三个参数的调整和可视化。上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。当前第1页1 2 3