技术领域
[0001] 本
发明涉及教学实验系统和方法，更具体的说是一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统和方法。
背景技术
[0002] 《
机电系统控制
基础》是机电结合类专业的一
门重要的基础课程，理论性很强、概念比较抽象，对于大部分学生来说，没有实物的教学实验装置来帮助理解理论知识，会对很多概念没有直观的认识，掌握这门课会有一定难度。同时，机电控制方向的学生应该通过这门课对
机电一体化系统的机械、
电子、控制三方面结合有进一步的理解，尤其是对实际系统中的机电参数有一定程度的认识；目前，自动控制类教学实验装置种类很多，比如常见的倒立摆实验装置、直流
电机控制教学实验系统等。但是，这些自动控制类实验大多数服务于电
力电子、自动化方向，突出了控制、电机等部分在系统中的应用，而弱化了机电结合这一部分；因此，开发一套机电控制教学实验系统，均衡结合机械、电子、控制三个方面，突出机电结合对实际系统的影响，
软件可编程、多机电参数可调、实验内容可扩展，是当前机电系统控制基础课程的研究重点之一。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统和方法，可以能够通过简洁的编程实现多种功能、具有友好的可设计的
人机交互界面、可以快速调整某些机电参数、具有全面的基础功能、可以拓展出多项不同的机电控制实验内容，克服了现有的教学实验装置弱化机电结合、操作复杂、形式单一、不利于扩展实验内容、不利于学生根据对机电控制系统的理解自主设计系统功能并验证课程理论的不足。
[0004] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：
[0005] 一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，包括计算机、
数据采集及伺服控制处理器、电机
驱动器、直流电机、线性模组、负载模
块、光栅位移
传感器、磁栅位移传感器和限位
开关传感器，所述计算机和数据采集及伺服控制处理器通信连接，数据采集及伺服控制处理器和电机驱动器通信连接，电机驱动器和直流电机通信连接，线性模组和直流电机的
输出轴连接，负载模块固定连接在线性模组上，线性模组和负载模块均直线运动，光栅位移传感器、磁栅位移传感器和限位开关传感器均位于负载模块直线运动的路径上，光栅位移传感器和磁栅位移传感器分别位于负载模块的两侧，光栅位移传感器、磁栅位移传感器和限位开关传感器均和数据采集及伺服控制处理器通信连接。
[0006] 作为本技术方案的进一步优化，本发明一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述磁栅位移传感器与光栅位移传感器
精度不同，光栅位移传感器的精度高，磁栅位移传感器的精度底。
[0007] 作为本技术方案的进一步优化，本发明一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述数据采集及伺服控制处理器包括数据采集模块、伺服驱动模块和
编码器计数模块，数据采集模块和限位开关传感器
信号连接，伺服驱动模块和直流电机信号连接，磁栅位移传感器和光栅位移传感器均与编码器计数模块信号连接，数据采集模块和编码器计数模块均与计算机信号连接。
[0008] 作为本技术方案的进一步优化，本发明一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述内容可扩展的直线位置控制教学实验系统还包括
铸铁底座、
挡板Ⅰ和挡板Ⅱ，
铸铁底座的两侧分别固定连接有挡板Ⅰ和挡板Ⅱ，直流电机固定连接在铸铁底座上。
[0009] 作为本技术方案的进一步优化，本发明一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述线性模组包括线性模组
基座、
丝杠和滑块，丝杠固定连接在直流电机的输出轴上，丝杠的两端均转动连接有线性模组基座，两个线性模组基座均固定连接在铸铁底座上，丝杠通过
螺纹连接有滑块，滑块的下端与铸铁底座
接触。
[0010] 作为本技术方案的进一步优化，本发明一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述负载模块包括负载、负载安装台、拖链和限位开关传感器挡板，负载包括负载块、负载
螺纹孔和沉头
螺栓，负载块上设置有四个负载螺纹孔，负载块上通过
螺纹连接有四个沉头螺栓，负载设置有多个，多个负载块均通过四个负载螺纹孔和四个沉头螺栓相互连接，负载安装台通过内六
角螺栓与线性模组的滑块固定连接，螺纹孔采用沉头孔形式，节省空间；拖链和限位开关传感器挡板均固定连接在负载安装台的一侧，负载块固定连接在负载安装台上。
[0011] 作为本技术方案的进一步优化，本发明一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述光栅位移传感器包括光栅位移传感器固定端和光栅位移传感器移动端，光栅位移传感器固定端固定连接在铸铁底座上，光栅位移传感器移动端固定连接在负载安装台上，光栅位移传感器固定端和光栅位移传感器移动端位于同侧。
[0012] 作为本技术方案的进一步优化，本发明一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述磁栅位移传感器包括磁栅位移传感器固定端和磁栅位移传感器移动端，磁栅位移传感器固定端固定连接在铸铁底座上，磁栅位移传感器移动端固定连接在铸铁底座上，磁栅位移传感器固定端和磁栅位移传感器移动端位于同侧，磁栅位移传感器移动端和拖链位于同侧。
[0013] 作为本技术方案的进一步优化，本发明一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统，所述限位开关传感器设置有三个，三个限位开关传感器分别位于位于负载安装台直线运动路径的两端和中端，限位开关传感器均固定连接在铸铁底座上，三个限位开关传感器均与磁栅位移传感器固定端位于同侧。
[0014] 一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统的方法，所述内容可扩展的直线位置控制教学实验系统的方法包括以下步骤：
[0015] 步骤一：通过负载块的数量变化控制负载的重量，调整负载安装台的负载；
[0016] 步骤二：通过编码器计数模块的倍频数来改变光栅位移传感器和磁栅位移传感器的检测精度；
[0017] 步骤三：以离散逼近的方式向伺服控
制模块输入相同幅值、不同
频率的余弦
电压控制信号，设置离散时间间隔来改变
采样频率；
[0018] 步骤四：计数模块接收负载的正弦位移响应信号，分析所述正弦位移响应信号的幅值和
相位差，得到系统的幅频特性，拟合得到系统的频率特性和开环传递函数；
[0019] 步骤五：计算机根据直线位置
输入信号和传感器反馈的位移量进行位置PID控制，所述PID控制中的比例、积分、微分环节控制参数通过编程调节，通过设置控制参数可以选择P、PI、PD、PID校正方法；
[0020] 步骤六：计算机绘制系统时域响应曲线，通过分析时域响应曲线中参数的变化，分析系统PID校正中比例、积分、微分环节控制参数对系统动态性能和稳态性能的影响；
[0021] 步骤七：计算机接收精度较低的磁栅位移传感器反馈的位移量，进行PI校正，达到稳态后再由精度更高的光栅位移传感器检测出系统稳态误差，分析改变系统机电参数和比例校正系数对系统稳态误差的影响。
[0022] 本发明一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统和方法的有益效果为：
[0023] 本发明一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统和方法，可以本发明所述的教学实验系统使用计算机的C#软件编写控制程序，可以使用数据采集及伺服控制处理器的基础功能函数，自主设计预期的机电系统控制功能，并且在计算机中实时显示测试参数的变化及测试结果。
[0024] 利用本发明所述的教学实验系统，可以实施一种表征机电参数与控制性能映射关系的实验方法。
[0025] 本发明所述的教学实验系统可以快速改变系统某一部分的机电参数，例如，可以选择输出力矩不同的直流电机、选择
刚度不同的
联轴器、选择
质量不同的负载、在计算机中编程，设置编码器计数模块的倍频数以改变光栅位移传感器和磁栅位移传感器的检测精度、在计算机中编程，以离散逼近的方式向伺服
控制模块输入控制信号，设置离散时间间隔来改变
采样频率等。
[0026] 本发明所述的教学实验系统可以在计算机中设计简单的交互界面和控制功能，输入相同幅值、不同频率的余弦电压控制信号，数据采集及伺服控制处理器将该
信号传输给电机驱动器，电机驱动器根据该控制电压信号转
化成高频率、大
电流的脉冲信号，传递给直流电机，以驱动直流电机的输出轴转速与在计算机中输入的控制电压成线性对应关系，光栅位移传感器和磁栅位移传感器检测负载的位置，转换成负载的正弦位移响应信号传递给计算机，在计算机中进一步编程处理，分析所述正弦位移响应信号的幅值和
相位差，得到系统的幅频特性，拟合得到系统的开环传递函数，最后测试出不同机电参数的改变对控制系统性能的影响。
[0027] 本发明所述教学实验系统可以通过
计算机编程，根据输入的预期直线位置信号和光栅位移传感器反馈的位移量进行位置PID校正，所述PID校正中的比例、积分、微分环节控制参数可以通过编程调节，根据计算机显示的系统时域响应曲线分析系统PID校正中各参数对系统动态性能和稳态性能的影响。
[0028] 本发明所述教学实验系统可以通过所述磁栅位移传感器反馈的位移量进行PI校正，达到稳态后再由所述光栅位移传感器检测出系统稳态误差，可以分析出改变系统机电参数和比例校正系数对系统稳态误差的影响。
[0029] 本发明所述教学实验系统可以对线性模组的行程进行限位，当负载模块移动到行程起点和终点的限位开关传感器的位置时，限位开关传感器挡板触发限位开关传感器发送信号给数据采集及伺服控制处理器，计算机接收该信号后使直流电机停止，可以防止直流电机堵转烧坏。
[0030] 本发明所述教学实验系统可以作为机电控制方向的开放性实验平台，拓展很多相关实验内容，如机电系统驱动控制实验、典型输入信号的时域响应实验、系统的频率特性及开环传递函数测试实验、位置PID控制实验、系统
稳定性测试实验等，可以有效帮助学生理解机电一体化系统的控制过程，学习机电系统控制基础理论，培养学生理论结合实践的能力。
附图说明
[0031] 下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
[0032] 在阐述具体实施方式前，为避免重复性语言，解释说明以下所述“固定连接”可以是：通过螺栓连接、
焊接和
铆钉连接等方式进行固定，本领域技术人员可以根据不同的应用场景选择不同的固定连接方式，主要目的是将两件零件进行固定。
[0033] 图1是本发明的内容可扩展的直线位置控制教学实验系统结构
框图一；
[0034] 图2是本发明的内容可扩展的直线位置控制教学实验系统结构框图二；
[0035] 图3是本发明的内容可扩展的直线位置控制教学实验系统机械部分结构示意图；
[0036] 图4是本发明的内容可扩展的直线位置控制教学实验系统机械部分结构示意图；
[0037] 图5是本发明的负载模块结构示意图一；
[0038] 图6是本发明的负载模块结构示意图二。
[0039] 图中：计算机1；数据采集及伺服控制处理器2；数据采集模块2-1、伺服驱动模块2-2；编码器计数模块2-3；电机驱动器3；直流电机4；线性模组5；线性模组基座5-1；丝杠5-2；
滑块5-3；负载模块6；负载6-1；负载块6-1-1；负载螺纹孔6-1-2；沉头螺栓6-1-3；负载安装台6-2；拖链6-3；限位开关传感器挡板6-4；光栅位移传感器7；光栅位移传感器固定端7-1；
光栅位移传感器移动端7-2；磁栅位移传感器8；磁栅位移传感器固定端8-1；磁栅位移传感器移动端8-2；限位开关传感器9；铸铁底座10；挡板Ⅰ11；挡板Ⅱ12。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0041] 具体实施方式一：
[0042] 下面结合图1-6说明本实施方式，一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统法，包括计算机1、数据采集及伺服控制处理器2、电机驱动器3、直流电机4、线性模组5、负载模块6、光栅位移传感器7、磁栅位移传感器8和限位开关传感器9，电机驱动器3可以使用ADVANCED MOTION CONTROLS公司的ADVANCED-12A8驱动器，计算机1使用C#软件编程和制作交互界面，与数据采集及伺服控制处理器2通信连接，利用数据采集及伺服控制处理器2的基础功能函数设计需要的控制功能，所述数据采集及伺服控制处理器2将控制信号传递给电机驱动器3，所述电机驱动器3根据控制信号使直流电机4转动，所述直流电机4的转动带动线性模组5与负载模块6按控制信号直线运动；所述光栅位移传感器7和磁栅位移传感器8将检测到的负载位移量信号传递给数据采集及伺服控制处理器2，所述限位开关传感器9将检测到的特殊位置触发状态信号传递给数据采集及伺服控制处理器2，所述计算机1通过编程接收检测信号，可以利用检测信号进一步控制直线运动；计算机1使用C#软件编写控制程序，可以使用数据采集及伺服控制处理器各模块的基础功能函数，来自主设计预期的机电系统控制功能，并根据预期功能设计人机交互界面，实时显示测试参数的变化及测试结果，可以实现很多可扩展的机电控制实验内容。
[0043] 具体实施方式二：
[0044] 下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述磁栅位移传感器8与光栅位移传感器7精度不同，光栅位移传感器7的精度高，磁栅位移传感器8的精度底；光栅位移传感器7可以使用新天光电科技公司的JCXF光栅位移传感器，磁栅位移传感器8可以使用德国希控SIKO公司的MSK200磁栅位移传感器。
[0045] 具体实施方式三：
[0046] 下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述数据采集及伺服控制处理器2与计算机1连接，包括数据采集模块2-1、伺服驱动模块2-2和编码器计数模块2-3，数据采集模块2-1与限位开关传感器9连接，用于接收限位开关传感器9的特殊位置触发状态信号并传输给计算机1；伺服驱动模块2-2与直流电机4连接，用于接收计算机1的模拟量电压控制信号，并传输给电机驱动器3；编码器计数模块2-3与光栅位移传感器7和磁栅位移传感器8连接，用于接收光栅位移传感器7和磁栅位移传感器8检测到的负载位移量信号，并传输给计算机1。因此，数据采集模块2-1和编码器计数模块2-3是将信号传输给计算机1，伺服驱动模块2-2是接收来自计算机1的信号；所述编码器计数模块2-3采用一块市面上可以买到的编码器计数卡，这些板卡内部自带基础功能函数，可以通过合理地组合编程实现上述控制处理功能，数据采集卡和编码器计数卡通过
PCI总线与计算机1通信连接；数据采集及伺服控制处理器2可以使用一块阿尔泰公司的PCI8620数据采集卡，包含数据采集模块2-1和伺服驱动模块2-2，使用一块雷赛智能控制股份有限公司的ENC7480编码器计数卡，包含编码器计数模块2-3。
[0047] 具体实施方式四：
[0048] 下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述内容可扩展的直线位置控制教学实验系统还包括铸铁底座10、挡板Ⅰ11和挡板Ⅱ12，铸铁底座10的两侧分别固定连接有挡板Ⅰ11和挡板Ⅱ12，直流电机4固定连接在铸铁底座10上。
[0049] 具体实施方式五：
[0050] 下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述线性模组5包括线性模组基座5-1、丝杠5-2和滑块5-3，丝杠5-2固定连接在直流电机4的输出轴上，丝杠5-2的两端均转动连接有线性模组基座5-1，两个线性模组基座5-1均固定连接在铸铁底座10上，丝杠5-2通过螺纹连接有滑块5-3，滑块5-3的下端与铸铁底座13接触；丝杠5-2以自身轴线为中心进行转动时，丝杠5-2带动滑块5-3在丝杠5-2的轴线方向上进行运动，直流电机4按某一
角速度转动，带动丝杠5-1按该角速度转动，转化为滑块5-3按某一速度直线运动。
[0051] 具体实施方式六：
[0052] 下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述负载模块6包括负载6-1、负载安装台6-2、拖链6-3和限位开关传感器挡板6-4，负载6-1包括负载块6-1-1、负载螺纹孔6-1-2和沉头螺栓6-1-3，负载块6-1-1上设置有四个负载螺纹孔6-1-2，负载块6-1-1上通过螺纹连接有四个沉头螺栓6-1-3，负载6-1设置有多个，多个负载块
6-1-1均通过四个负载螺纹孔6-1-2和四个沉头螺栓6-1-3相互连接，负载安装台6-2通过内六角螺栓与线性模组5的滑块5-3固定连接，螺纹孔采用沉头孔形式，节省空间，拖链6-3和限位开关传感器挡板6-4均固定连接在负载安装台6-2的一侧，负载块6-1-1固定连接在负载安装台6-2上；可以通过增减负载块6-1-1的数量改变负载6-1的质量，每个负载块6-1-1结构相同，便于加工，通过四个负载螺纹孔6-1-2和四个沉头螺栓6-1-3相互连接，最底层的增减负载块6-1-1通过四个沉头螺栓6-1-3与负载安装台6-2固定连接，上面一层的负载块
6-1-1与下面一层的负载块6-1-1方向相差90°，通过上层的四个沉头螺栓6-1-3与位于下层的四个负载螺纹孔6-1-2连接实现两个负载块6-1-1的相互连接，负载块6-1-1设置有多个，多个负载块6-1-1均如此连接，便于通过增减负载块6-1-1的数量来改变负载6-1的质量，且节省空间。
[0053] 具体实施方式七：
[0054] 下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，所述光栅位移传感器7包括光栅位移传感器固定端7-1和光栅位移传感器移动端7-2，光栅位移传感器固定端7-1固定连接在铸铁底座10上，光栅位移传感器移动端7-2固定连接在负载安装台6-2上，光栅位移传感器固定端7-1和光栅位移传感器移动端7-2位于同侧。
[0055] 具体实施方式八：
[0056] 下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，所述磁栅位移传感器8包括磁栅位移传感器固定端8-1和磁栅位移传感器移动端8-2，磁栅位移传感器固定端8-1固定连接在铸铁底座10上，磁栅位移传感器移动端8-2固定连接在铸铁底座10上，磁栅位移传感器固定端8-1和磁栅位移传感器移动端8-2位于同侧，磁栅位移传感器移动端8-2和拖链6-3位于同侧；负载6-1通过内六角螺栓连接固定在负载安装台6-2上面，通过此连接方式，负载模块6、光栅位移传感器移动端7-2和磁栅位移传感器移动端8-2可以作为一个整体固定在线性模组5的滑块5-3上，与滑块5-3保持同步运动。
[0057] 具体实施方式九：
[0058] 下面结合图1-6说明本实施方式，本实施方式对实施方式八作进一步说明，所述限位开关传感器9设置有三个，三个限位开关传感器9分别位于位于负载安装台6-2直线运动路径的两端和中端，限位开关传感器9均固定连接在铸铁底座10上，三个限位开关传感器9均与磁栅位移传感器固定端8-1位于同侧；当负载6运动到三个限位开关传感器9对应的位置时，相应限位开关传感器9将开关量信号发送给数据采集模块2-1，再通过计算机1编程，可以设置当负载6到达线性模组5的极限位置时，使直流电机4停止，可以有效防止直流电机4堵转烧毁；限位开关传感器9可以使用松下电器Panasonic公司的GX-F12A。
[0059] 一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统的方法，所述内容可扩展的直线位置控制教学实验系统的方法包括以下步骤：
[0060] 步骤一：通过负载块6-1-1的数量变化控制负载6-1的重量，调整负载安装台6-2的负载；
[0061] 步骤二：通过编码器计数模块2-3的倍频数来改变光栅位移传感器7和磁栅位移传感器8的检测精度；
[0062] 步骤三：通过设计简单的交互界面和控制功能，以离散逼近的方式向伺服控制模块2-2输入相同幅值、不同频率的余弦电压控制信号，设置离散时间间隔来改变采样频率；
[0063] 步骤四：对编码器计数模块2-3编程，接收负载6-1的正弦位移响应信号，分析所述正弦位移响应信号的幅值和相位差，得到系统的幅频特性，拟合得到系统的频率特性和开环传递函数；
[0064] 步骤五：通过计算机1编程，根据直线位置输入信号和传感器反馈的位移量进行位置PID控制，所述PID控制中的比例、积分、微分环节控制参数可以通过编程调节，通过设置这些控制参数可以选择P、PI、PD、PID等校正方法；
[0065] 步骤六：通过计算机1编程设计人机交互界面，绘制系统时域响应曲线，通过分析时域响应曲线中参数的变化，分析系统PID校正中各参数对系统动态性能和稳态性能的影响；
[0066] 步骤七：通过计算机1编程，接收精度较低的磁栅位移传感器8反馈的位移量，进行PI校正，达到稳态后再由精度更高的光栅位移传感器7检测出系统稳态误差，可以分析改变系统机电参数和比例校正系数对系统稳态误差的影响。
[0067] 本发明的一种内容可扩展的直线位置控制教学实验系统和方法，其工作原理为：
[0068] 配置本发明的机械部分时选择输出力矩不同的直流电机4、选择刚度不同的联轴器和控制负载块6-1-1数量的变化来控制负载6-1质量的变化，启动直流电机4，直流电机4的输出轴通过不同刚性的联轴器带动丝杠5-2以自身轴线为中心进行转动，丝杠5-2通过螺纹带动滑块5-3在丝杠5-2轴线方向上进行运动，丝杠5-2带动负载安装台6-2在丝杠5-2轴线方向上进行运动，负载安装台6-2带动负载6-1、光栅位移传感器移动端7-2和磁栅位移传感器移动端8-2在丝杠5-2轴线方向上进行运动，负载安装台6-2运动到三个限位开关传感器9对应的位置时，相应限位开关传感器9将开关量信号发送给数据采集模块2-1，再通过计算机1编程，可以设置当负载6到达线性模组5的极限位置时，使直流电机4停止，可以有效防止直流电机4堵转烧毁；通过编码器计数模块2-3的倍频数来改变光栅位移传感器7和磁栅位移传感器8的检测精度；通过设计简单的交互界面和控制功能，以离散逼近的方式向伺服控制模块2-2输入相同幅值、不同频率的余弦电压控制信号，设置离散时间间隔来改变采样频率；对编码器计数模块2-3编程，接收负载6-1的正弦位移响应信号，分析所述正弦位移响应信号的幅值和相位差，得到系统的幅频特性，拟合得到系统的频率特性和开环传递函数；通过计算机1编程，根据直线位置输入信号和传感器反馈的位移量进行位置PID控制，所述PID控制中的比例、积分、微分环节控制参数可以通过编程调节，通过设置这些控制参数可以选择P、PI、PD、PID等校正方法；通过计算机1编程设计人机交互界面，绘制系统时域响应曲线，通过分析时域响应曲线中参数的变化，分析系统PID校正中各参数对系统动态性能和稳态性能的影响；通过计算机1编程，接收精度较低的磁栅位移传感器8反馈的位移量，进行PI校正，达到稳态后再由精度更高的光栅位移传感器7检测出系统稳态误差，可以分析改变系统机电参数和比例校正系数对系统稳态误差的影响。
[0069] 当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
