[發明專利]一種模擬PID控制的教學裝置及使用方法

在審

• 申請號: 201710321225.0
• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN106910378A
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 朱俊;陳志明;鄭玉柱;嵇明軍
• 申請（專利權）人: 常州信息職業技術學院
• 主分類號: G09B5/02
• 分類號: G09B5/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務所11569
• 代理人: 王加貴

技術領域

本發明涉及教學儀器領域，特別涉及一種模擬PID控制的教學裝置及使用方法。

背景技術

PID控制的理論性很強，如果沒有實驗裝置進行實驗，很難讓學生充分理解PID控制的方式和原理，而現有的教學方式，例如，通過PID控制方式控制固態繼電器給電熱板加熱，并通過熱電偶或熱電阻作為反饋元件的PID調節過程的模擬方式，由于電阻絲容易燙手，而且需要220V電壓，危險系數很大，不易于實現，嚴重影響了對PID控制教學的效果。

發明內容

本發明的目的是，為了提高PID控制理論教學裝置的安全性，提供了一種模擬PID控制的教學裝置及使用方法。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種模擬PID控制的教學裝置，包括：包括平衡杠桿、狀態反饋裝置和PID控制器，所述平衡杠桿的一端設置有擾動裝置，所述平衡杠桿的另一端設置有平衡擾動裝置，所述狀態反饋裝置與所述PID控制器信號連接，所述PID控制器與所述平衡擾動裝置電連接，所述擾動裝置用于施加擾動，所述平衡擾動裝置用于平衡所述擾動裝置施加的擾動。

可選的，所述擾動裝置為托盤，所述托盤內設置有砝碼。

可選的，所述平衡擾動裝置為電風扇，所述電風扇的轉速由所述PID控制器控制。

可選的，所述狀態反饋裝置為編碼器，所述編碼器位于所述平衡杠桿的中間位置，與所述平衡杠桿軸連接，用于將所述平衡杠桿的偏移角度反饋給所述PID控制器。

可選的，所述PID控制器包括觸摸屏，用于調節PID控制器的參數。

發明還提供了一種模擬PID控制的教學裝置的使用方法，所述方法應用于如權利要求1所述的教學裝置，包括如下步驟：

S1，調節所述教學裝置，使所述教學裝置處于初始平衡狀態；

S2，通過所述擾動裝置對初始平衡狀態施加擾動，使所述教學裝置處于不平衡狀態；通過PID控制器調節所述平衡擾動裝置，使所述教學裝置重新處于平衡狀態；

S3，分別改變PID控制器的P參數、I參數和D參數，重復S2，觀察PID控制器的P參數、I參數和D參數對PID控制過程的影響。

可選的，S1所述調節教學裝置，使所述教學裝置處于初始平衡狀態的具體步驟包括：

S11、向所述托盤中放一個所述砝碼，所述托盤和所述砝碼為所述教學裝置的擾動裝置；

S12、給所述電風扇通上一定的電流，使所述電風扇轉動；并調節電流使所述編碼器的輸出角度為0，使所述教學裝置處于初始平衡狀態；所述電風扇為所述教學裝置的平衡擾動裝置。

可選的，S2所述通過擾動裝置對初始平衡狀態施加擾動，使裝置處于不平衡狀態的具體方法為向所述托盤中添加所述砝碼或從所述托盤中取出所述砝碼，所述托盤和所述砝碼為所述教學裝置的擾動裝置。

可選的，S2所述通過PID控制器的自動調節所述平衡擾動裝置，使所述教學裝置重新處于平衡狀態的具體步驟包括：

S21、所述PID控制器接收所述編碼器反饋的所述平衡杠桿的偏移角度；

S22、所述PID控制器根據所述平衡杠桿的偏移角度，改變所述電風扇的電流，進而改變電風扇的速度；

S23、重復S22，直到所述編碼器反饋的所述平衡杠桿的偏移角度為0，所述實驗裝置處于新的平衡狀態。

可選的，S3所述改變PID控制器的參數的具體步驟包括：

S31、通過所述觸摸屏改變PID控制器的P參數，觀察P參數的變化，對處于新的平衡狀態時所述電風扇的速度變化量和所述編碼器輸出角差值關系的影響；

S32、通過所述觸摸屏改變PID控制器的I參數，觀察P參數的變化對平衡狀態恢復時間的影響；

S33、通過所述觸摸屏改變PID控制器的D參數，觀察D參數的變化，對超調現象的影響。

根據本發明提供的具體實施例，本發明公開了以下技術效果：

發明公開了一種模擬PID控制的教學裝置及使用方法，采用平衡杠桿作為平衡狀態觀測裝置，通過所述平衡杠桿一端的擾動裝置，施加擾動，并通過所述狀態反饋裝置，反饋擾動產生的影響，平采用PID控制器調節平衡杠桿另一端的平衡擾動裝置來平衡擾動，使平衡杠桿恢復到平衡狀態，實現了PID控制的模擬實驗，而且該裝置結構簡單、使用方便、安全可靠，使實驗過程更加直觀，將托盤和砝碼作為擾動裝置，將電風扇作為平衡擾動裝置，通過砝碼施加擾動，通過改變電風扇的轉速來平衡擾動，實現簡單，擾動施加和調節響應速度快，且沒有危險性，通過PID控制器的觸摸屏實現控制參數的改變和調節，使PID控制過程的參數的調節更加簡單方便。