[實用新型]一種倒立擺系統

有效

• 申請號: 201420441579.0
• 申請日: 2014-08-06
• 公開（公告）號: CN204010508U
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 滿勇孝
• 申請（專利權）人: 滿勇孝
• 主分類號: G09B25/02
• 分類號: G09B25/02
• 代理公司: 上海申新律師事務所 31272
• 代理人: 周云

技術領域

本發明涉及教學教具領域，具體地說是一種倒立擺系統。

背景技術

本發明以機電工程為探究方向，以簡單的機電控制理論、物理知識為基礎，以中學生科技競賽為目標，以學生制作競賽為載體，培養學生動手能力和創新意識，提高學生的科學素養。

但在多年的科技制作實踐中我們也遇到很多困難和問題。主要是當前社會已進入信息時代，科學技術發展的日新月異，使知識淘汰的節奏也越來越快。同時現在學生接觸新知識、新技術的渠道越來越多，他們對新知識好奇心也越來越強，所以在日常工作中，時常會有學生來求教一些熱門的工程技術問題，如平衡車的控制問題、機器人的控制理論等。作為一名科技老師，要回答這些問題還真有一定的難度。另外當前新技術、新器件、新設備的應用導致科技制作水平越來越高，如機電類比賽項目中，機械結構制作日趨精致、靈巧，電子控制器件體積小、能耗低且穩定性好，自動控制程序編寫也越來越復雜。由于上述的原因，科技教師面臨的挑戰也越來越大。

發明內容

本發明的目的在于針對教學中的實際情況，更好地激發學生的對科技制作的興趣，我們根據學生年齡特點和知識結構，以機電自動控制為題材，利用PLC為核心控制器件，制作一種機電自動控制的直線一級倒立擺系統。

本發明的具體技術方案如下：

一種倒立擺系統，包括底座、導軌、滑塊、皮帶輪、皮帶、擺桿和控制系統，導軌固定在底座上，導軌上固定滑塊，兩個皮帶輪固定在底座兩端，皮帶固定在皮帶輪上，滑塊固定在皮帶上，擺桿頂端設置配重塊，擺桿底端通過軸承連接于滑塊上，軸承一端設有光電編碼器，所述兩個皮帶輪其中一個的一端設置有一光電編碼器，另一個一端設置帶動皮帶輪轉動的電動機，所述電動機由電動機驅動模塊控制，控制系統與電動機驅動模塊控制和兩個編碼器連接。

所述控制系統包括PLC主單元、D/A轉換模塊、2路波形整形電路、兩個高速計數器和電動機驅動模塊，2路波形整形電路分別與所述兩個光電編碼器連接，兩個光電編碼器的信號經過2路波形整形電路處理后分別通過兩個高速計數器輸入PLC主單元，與PLC主單元連接的D/A轉換模塊將PLC主單元的數字信號轉換為模擬信號輸入電動機驅動模塊。

本發明的主要原理為：由主動輪帶動皮帶拖動滑塊在導軌上左右移動，擺桿通過軸承與滑塊連接，擺桿可以自由轉動，通過控制系統使主動輪轉動帶動滑塊移動，使擺桿與垂直方向的夾角為零，從而使擺桿樹立并保持平衡。本發明的系統運行安全、穩定、可靠，充分體現了自動控制技術的魅力，具有較強的知識性、趣味性和技術性。

附圖說明

圖1為本發明的倒立擺系統的機械裝置部分的結構示意圖。

圖2為本發明的倒立擺系統的控制系統的電路框圖。

具體實施方式

實施例：

圖1所示為本發明的倒立擺機械裝置部分(不包括控制系統)，包括底座1、導軌2、滑塊3、皮帶輪4、皮帶5和擺桿6，導軌固定在底座上，導軌上固定滑塊，兩個皮帶輪固定在底座兩端，皮帶固定在皮帶輪上，滑塊固定在皮帶上，皮帶與帶輪之間無滑動，采用同步帶來帶動滑塊的移動。擺桿頂端設置配重塊7，擺桿底端通過軸承8連接于滑塊上，軸承一端設有光電編碼器9，兩個皮帶輪其中一個的一端的軸上設置有一光電編碼器10，另一個一端設置帶動皮帶輪轉動的電動機11，電動機由電動機驅動模塊控制，控制系統與電動機驅動模塊控制和兩個編碼器連接。

圖2為本發明的控制系統的電路框圖，包括PLC主單元、D/A轉換模塊、2路波形整形電路、兩個高速計數器，2路波形整形電路分別與兩個光電編碼器連接，兩個光電編碼器的信號經過2路波形整形電路處理后分別通過兩個高速計數器輸入PLC主單元，與PLC主單元連接的D/A轉換模塊將PLC主單元的數字信號轉換為模擬信號輸入電動機驅動模塊，驅動電動機使擺桿保持平衡；D/A轉換模塊選用三菱FX2N-5A模塊；高速計數器選用三菱高速計數器模塊FX2N-1HC分別通過光電編碼器來檢測擺桿的角度、角速度、滑塊的位置、速度等物理量。

通過本發明倒立擺系統的演示，可以增強學生對機電自動控制的了解，激發學習的興趣，特別是通過講解倒立擺穩擺原理和程序的流程，讓學生懂得理論知識在實踐中運用的重要性，可以在以下幾方面來開展探究學習：傳感器運用：光電編碼測速通過了解光電編碼器的原理，設計測量軸承旋轉角度和速度的程序；機械系統和傳動：了解同步帶的工作原理，了解倒立擺系統中使用同步帶的必要性；控制系統、PLC編程：初步了解梯形圖的編寫思路和PLC的程序編寫規則；D/A轉換系統：了解數字信號與模擬信號的區別，通過與正比例函數的對照，了解D/A轉換的原理和作用；恒值離散控制系統設計的基本思路：通過學習系統，了解離散系統采樣周期對于系統穩定的重要性和單個采樣周期的編寫思路。