可視化的快速設計與驗證控制教學實驗系統的製作方法

2023-04-28 02:07:11

專利名稱：可視化的快速設計與驗證控制教學實驗系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於自動化相關專業教學實驗技術領域，涉及一種可視化的快速設計與驗證控制 教學實驗系統。
背景技術：
本實驗系統是為控制類專業、機器人專業以及機電一體化等相關工科專業研究開發的一 套教學實驗系統。在中國高等教育中，自動化專業是一個融合了控制理論與技術、機械設計、 電子設計、軟體工程為一體的綜合性學科。當今，社會需求的自動化專業的人才要求有紮實 的理論基礎，較強的實際動手能力，這就需要學生在學校階段要有很好的理論設計和實際開 發的訓練。而目前，國內外的自動化專業的教學實驗系統很難滿足以上需求， 一個重要的原 因就是教學實驗系統的落後。
國內現有的自動化教學產品參差不齊，功能較單一且技術較落後，不能很好地將最新的 控制技術、計算機技術、軟體技術等融入到教學產品中。針對於這種情況，國內很多高校都 開始引進了國外較先進的實驗系統。這樣雖然設備都比較先進了，但是往往這些系統不符合 中國自動化學科教學實際情況(在國外是沒有自動化專業的，所謂的自動化專業都是隸屬於 某一特定學科的，如機械、化工等，而中國的自動化學科是一個獨立的專業)，很難滿足本科 生和研究生的實驗教學需求。此外由於這些系統一般都比較昂貴，所以通常變成了只有少數 研究生才可以使用的"貴重固定資產"。目前國內外比較著名的自動化教學產品系統主要有加 拿大Quanser系統、美國的ECP系統和英國的Feedback系統，國內的有深圳固高科技以等。 但是這些系統都不符合中國自動化學科的需求，不能很好地貼近中國自動化學科的實際教學， 只能完成某些固定的實驗或者用於理論研究，仍然不能很好地將機械、電子與控制相融合。 如Qimnser系統、ECP系統等，在國外廣泛應用於機械學院的控制專業，這些專業通常有較 好的機械設計基礎，可以對其機械以及控制進行研究學習，因此很適合於該專業。而國內很 多學校將其買過來用於控制教學，則只能完成某些控制算法的研究，而不能對其機械、電子
等技術進行研究，在一定程度上浪費了資源。這主要有兩個方面的原因 一是國內高校使用 不當，第二個重要的問題就是這些教學產品在設計的時候沒有考慮到中國的自動化實際情況， 產品的各個環節的聯繫不夠緊密，不能將控制器設計、機械設計、電子設計、軟體開發集成 到一個教學實驗系統中並且密切結合自動化教學的實際課程，這是目前現有教學產品共同存 在的問題。
一般來講，傳統的涉及到控制器設計、機械設計、電子設計和軟體設計的控制系統的開
發主要流程由如下幾個階段組成
(1) 機械設計階段在傳統的機電一體化系統設計過程中，學生要首先使用3D機械設計 軟體(如Solidworks、 Pro/E等)設計出被控對象的機械結構，然後再利用機械運動學 和動力學仿真軟體(如ADAMS)，利用腳本語言編寫控制命令來進行仿真分析。如果 結果可行，則可以進行機械加工。
(2) 控制算法設計階段如果第一步的仿真結果可行，則開始研究系統的控制模型建立。 這一部分通常要根據系統的物理特性來建立被控對象的控制模型，然後利用仿真分析 軟體(如Matlab/Simulink、 Lab View等)根據所建立的數學模型進行數值仿真，並通 過數據進行控制效果分析，如果仿真結果滿意則控制器設計結束。
(3) 控制器硬體設計階段這一階段主要是根據控制算法的實時性以及複雜程度來設計實 際控制系統，如選用單片機或者其他高性能處理器等。
(4) 系統整體調試階段當機械樣品生產完成後，連接實際控制系統進行整機調試，學生 往往需要重新將仿真用的控制算法(如Matlab/Simulink、 LabView等編寫的)變成硬 件可執行的代碼(如C代碼)來進行實際系統控制，並利用原始碼進行控制算法調試。
以上4個階段基本上完成了傳統的機電一體化設計與開發。但是，實際設計中如果發現 上述的某一步設計存在問題，則會造成很多重複性的工作。比如，如果機械設l十有問題，則 會導致第二步的數學模型需要重新建立，需要重新做控制器仿真實驗並且實際控制算法的程 序也需要重新編寫。此外，以上四個步驟涉及了機械、控制、電子、軟體等好幾個學科的知 識，學生很難在短時間內掌握如此多的軟體技能(如Solidworks， ADAMS， Simulink， C/C++)。 由於存在以上原因，因此在目前的高等學校教學系統中還沒有能提供如此綜合的實驗教學系 統。然而，以上四步的技能又恰恰是社會對自動化學科複合型人才的基本需求。
總的來講，目前教學實驗系統存在的主要問題有
(1) 在目前的控制算法仿真中，大多數集中在模型的數值方面，即僅僅是數值計算結果簡 單顯示。這樣仿真的結果給學生的印象不深，而且較枯燥，雖然目前有些系統提供了 將仿真結果三維可視化，但是只是簡單的考慮了三維可視，而沒有在3D環境中考慮 被控對象的物理特性，不是基於物理學仿真實體的算法仿真。
(2) 目前的實驗系統缺少一個友好的、開放的實驗系統操作界面，操作複雜；沒有豐富的、 全面的實驗解決方案，面向的最終用戶範圍小；可擴展性不好，無法添加新的實驗解 決方案；使用者無法製作符合自己需要的實驗解決方案；缺少符合中國自動化相關專 業教學實際的相關實驗設計。
(3) 算法建立困難，算法驗證困難，算法及參數調試周期長，通過需要編寫大量代碼才能
完成一個控制實驗或者仿真實驗，這對於一些理論研究者來講會大大降低研究的效率；
(4) 基本無法進行半實物仿真(硬體在迴路仿真)，即使能夠實現半實物仿真，也只是針對 某一固定的實驗設備，無法根據實驗的實際需要更換實驗設備，並且無法對全部的實 驗解決方案進行半實物仿真。
(5) 實驗系統各環節脫節，目前的教學實驗系統，不能將控制器設計、機械設計、電子設 計、軟體開發集成到一個軟體系統中，造成了各環節脫離。如果學生想完成整個系統 的設計，則需要自學許多相關的軟體和專業知識才行。因此，這些教學產品系統只能 完成其中的一部分實驗(如控制算法驗證、軟體編程等)，而無法為自動化相關專業學 生提供系統的訓練(加拿大的Quanser系統只用於控制理論的研究)。
因此，針對於以上存在的問題，設計一個綜合性的實驗教學系統是非常有研究意義和實 際應用價值的。

發明內容
本發明針對現有教學實驗系統的不足和缺陷，提出了一種由機械設計、3D可視化仿真、 半實物仿真、豐富實驗解決方案構成的教學實驗系統。利用該教學系統，可以快速地完成機 電系統聯合仿真以及機電系統快速成型與驗證，適合於自動化相關專業的教學實驗使用。
本發明提出了從三維機械設計到控制算法的圖形/代碼化快速實現、高可信度3D仿真算 法驗證、半實物仿真算法驗證、實物在線/離線算法驗證的完整實驗系統的技術解決方案。實 驗系統主要包括機械設計子系統、集成開發環境子系統、3D可視化仿真子系統、實驗解決 方案子系統、運動控制子系統和被控對象子系統，其中機械設計子系統、3D可視化仿真子系 統、實驗解決方案子系統和集成開發環境子系統構成了機電聯合仿真系統，實驗解決方案子 系統、集成開發環境子系統、運動控制子系統以及被控對象子系統組成了控制系統快速成型 與驗證系統。
機械設計子系統的主要是採用學生易於使用的3D機械設計軟體(如Solidworks)，可以 進行零件建模、部件裝配和整機裝配，並且還可以進行簡單運動學、動力學以及應力應變分 析等，為基於物理模型的3D仿真奠定基礎。
集成開發環境子系統主要包含如下功能模塊
a、 代碼編輯器模塊，進行代碼的編寫、編譯、調試以及智能糾錯；
b、 基本數學庫模塊，提供了基本的數學函數的API函數；
c、 控制算法庫模塊，提供了控制算法，包括PID算法，LQR算法，神經網絡控制算法;
d、代碼化通訊接口模塊，提供代碼化的與虛擬3D被控對象進行通訊的仿真驅動接口和 與實際被控對象的硬體系統進行通訊的實時驅動接口；
代碼編輯器模塊可以進行代碼的編寫、編譯、調試以及智能糾錯等。基本數學庫模塊主 要提供了基本的數學函數的API函數，如矩陣運算，優化算法等。控制算法庫模塊主要提供 了大量的控制算法，如PID算法，LQR算法，祌經網絡控制算法等。代碼化通訊接口模塊主 要提供了與虛擬3D被控對象進行通訊的仿真驅動接口和與實際被控對象的硬體系統進行通 訊的實時驅動接口。集成開發環境子系統主要提供了代碼化(如 <:《++語言)的編輯環境、 基本數學庫和算法庫，能夠以在線和離線的方式進行實物對象實驗和虛擬仿真實驗。集成開 發環境提供的基本數學庫模塊和算法庫模塊方便終端用戶快速的實現算法；通過相應的驅動 接口實現仿真對象和實物對象的在線和離線實驗，程序可直接下載到實驗對象或進行遠程控 制；通過半實物仿真技術實現算法在所選實驗設備上的快速驗證。
3D可視化仿真子系統主要有3D視覺渲染引擎模塊、物理引擎模塊、模型在線編輯模塊 組成。3D視覺渲染引擎模塊，其主要功能是利用渲染引擎為虛擬被控對象建立3D的視覺渲 染模型。物理引擎模塊，其主要功能是利用物理引擎為虛擬被控對象建立精確的物理計算模 型。模型在線編輯模塊，實現仿真模型的實時編輯和參數修改；3D可視化仿真子系統的主要 功能是提供高仿真度的可視化虛擬仿真系統，可以完成虛擬對象的3D模型在線編輯、物理 模型建模、實體參數實時調整(如長度、高度、質量等)等，。3D可視化仿真子系統的渲染 引擎可以是常用的OpenGL， OSG等等，而物理引擎可以是PhysX, ODE等。3D仿真子系 統可以採用C， C++, Python等語言結合相應的渲染引擎和物理引擎來開發，也可以採用集 成渲染引擎和物理引擎的開發平臺進行開發，如Microsoft Robotics Studio等。3D可視化仿真 子系統可以直接導入通用3D設計軟體(Solidworks, Pro/E等)模型文件，用於渲染引擎的 3D渲染，同時根據模型文件生成精確的物理模型，用於物理引擎的動力學運算並生成仿真接 口 ； 3D可視化仿真子系統提供了模型編輯環境和基本的物理形體來實現仿真模型的實時編輯 和參數修改以及實時的交互；3D可視化仿真子系統通過物理引擎和渲染引擎的訪問接口來調 整3D仿真系統的相關參數，從而使3D可視化仿真的子系統具有較高的仿真可信度和仿真相 似度。目前在教學中用到的虛擬仿真實驗，很多是沒有物理引擎的虛擬實境，需要在控制算 法的編寫過程中加入系統的模型來設計控制器，而本3D仿真系統則是基於真實的物理引擎 實現的，可以很好地展現剛性物體的連接、碰撞、摩擦等等特性，仿真相似度遠遠高於一般 的虛擬實境系統。
通過以上4部分，可以快速地完成被控對象的機械系統設計、模型仿真驗證以及控制器
仿真驗證，並且用於仿真研究的代碼無需任何修改就可以直接應用於下一步的系統快速成型 與驗證，大大地提高了研究效率。因此，利用本實驗系統時，即使沒有很深機械設計背景的 學生也能快速地掌握被控對象設計以及模型驗證與仿真驗證的知識，這是現有教學產品所不 具備的。
實驗解決方案子系統主要包括如下功能模塊可擴展的實驗案例模塊、算法開發模版模 塊、控制工具箱模塊和圖形化通訊接口模塊。其中可擴展的實驗案例模塊提供了自動化專業 的基本課程的主要實驗案例，包括了自動控制原理、現代控制理論、計算機控制系統等課程。 用戶可以在此開放式結構之上自己添加其他課程的案例。算法開發模版模塊主要是為用戶進 行二次算法開發提供一個模版，用戶可以在此模版上進行修改或者重建來建立自己的控制算 法。該算法開發模版可以基於不同的開發語言，如採用Simulink或者Labview等。控制工具 箱模塊主要是提供可擴展的控制算法工具，如模糊控制工具箱，神經網絡控制工具箱等。本 實驗系統提供的圖形化、模塊化算法建立環境保證了建模的快速性、模型的直觀性，便於最 終用戶建立模型，便於非建模用戶理解模型。圖形化通訊接口模塊，主要是提供圖形化的與 虛擬3D被控對象進行通訊的仿真驅動接口和與實際被控對象的硬體系統進行通訊的實時驅 動接口。實驗解決方案子系統的主要功能是為終端用戶提供一個實驗案例系統以及圖形化的 二次開發環境。該子系統採用開放的存儲結構及實驗操作界面，提供面向最終用戶的實驗解 決方案開發環境，提供豐富的模板、模塊庫和實驗解決方案，終端用戶可以以此開發自己的 模板、模塊庫和實驗解決方案。圖形化的實時驅動接口是實驗解決方案系統的實時實驗接口 軟體，它無縫地集成了實驗解決方案子系統的實時內核和I/O硬體模型，實現由控制算法模 型到控制系統實時代碼的自動生成、編譯、連接、下載和執行。該實時驅動接口模塊還可以 根據信號和參數產生一個變量文件，由相應的試驗工具軟體對變量進行實時訪問和在線參數 調整。
運動控制子系統有兩種實現方式第一種實現方式包括PC、數據採集卡、放大/驅動電路、 採樣電路和被控對象系統，其中、PC機的功能為監控和控制算法執行。第二種實現方式包括 PC、嵌入式控制器、放大/驅動電路、採樣電路和被控對象系統，其中、PC機功能為監控控 制過程，而嵌入式控制器執行實時控制算法。採用第一種方式的時候，所有的控制程序都是 運行在PC機上的，其控制系統的實時性有基於PC機的實時控制內核來保證，而採用第二種 方式的時候，在PC機上利用圖形化編程環境建立控制算法然後自動生成實時代碼並進行編 譯、連接，然後下載到嵌入式控制中運行。
實驗解決方案子系統、集成開發環境子系統和運動控制子系統組成了機電快速成型與驗
證系統。通過該系統，可與終端用戶所使用的實驗設備相連接，實現半實物仿真。應用於研 究實驗時，以本實驗解決方案系統提供的豐富模板、模塊庫和實驗解決方案為基礎，能夠加 速算法的建立和參數調試，為最終用戶提供直觀的實驗效果，便於得到滿意的實驗數據。應 用於教學實驗時，依託本實驗系統提供的豐富的實驗解決方案，為最終用戶提供了一個深入 了解學科知識的途徑，將抽象的理論知識轉化為直觀的實驗數據和實驗效果，實現學科教學
實驗的最終目的。依託本實驗系統提供的豐富模板、模塊庫和實驗解決方案，最終用戶可以 針對不同的實驗設備，在不同模板上對不同的已提供的實驗解決方案的相關參數及相關設置 進行調整，也可以在選取的模板上根據自己的需要建立自己的實驗解決方案。通過實驗設備 提供的通訊方式將實驗解決方案的控制信息傳送或下載到指定實驗設備上的控制對象中，在 實驗中對實驗設備進行控制及信息反饋，記錄及比較實驗數據，調整實驗模型的參數，最終 獲得滿意的實驗數據和實驗效果，實現研究實驗或教學實驗的目標。
各子系統之間的連接關係描述如下機械設計子系統設計後的3D模型可以保存為一個裝 配體文件，此裝配體文件通過3D仿真子系統的"導入"菜單可以很方便地生成仿真子系統 3D模型文件供仿真用。3D仿真子系統與實驗解決方案子系統和集成開發環境子系統通過通 訊接口——仿真驅動接口模塊進行數據信息交換。同時，實驗解決方案子系統和集成開發環 境子系統可以通過實時驅動接口模塊與硬體設備運動控制子系統進行物理數據信息交換。運 動控制子系統與被控對象通過數據線進行電信號連接。
整個系統的運行過程如下首先利用機械設計子系統建立3D模型，然後導入到3D可視 化仿真子系統並生成物理模型，接下來在集成開發環境子系統選擇圖形化的編程環境還是高 級語言編程環境，如果是高級語言，則利用所提供的基本數學庫模塊和控制算法庫模塊進行 控制器設計，如果是圖形化編程環境，則利用控制工具箱模塊完成控制器的設計；在控制器 設計完成之後，在實驗解決方案子系統選擇實驗方式，如果是虛擬對象仿真實驗，則選擇圖 形化通訊接口模塊的仿真驅動接口進行虛擬仿真實驗，通過調節控制器參數來觀察控制效果； 如果是實物對象實驗，則將仿真驅動接口替換成實時驅動接口進行實物實驗，進行代碼自動 下載並實時控制來觀察控制效果；如果效果不滿意，則修改控制器並調節參數，直到獲得滿 意控制效果，實驗結束為止。其特徵在於可以先利用虛擬對象進行控制算法設計，在算法設 計時採用易於控制學科人員快速設計的圖形化程式語言，進行虛擬仿真實驗。虛擬仿真實驗 結束後，可以僅修改控制算法的驅動接口，就可以實現實時C語言控制代碼的自動生成、下 載並進行實時控制，大大提高了控制實驗的效率。
本發明具有實質性的特點和顯著進步，其優越性在於虛擬實物仿真與半實物仿真相結合，
提供快速直接的虛擬仿真對象建模方法。經過虛擬實驗仿真驗證的算法，利用圖形化的編輯 環境替換相應接口模塊後，可自動生成實時代碼並進行編譯、連接、下載和自動運行。無需 任何額外工作即可直接進行實物對象實時控制實驗。在利用本實驗系統教學的時候，老師可 以先給學生安排在虛擬被控對象，讓學生設計控制器進行機電聯合仿真的控制算法研究。如 果控制算法的控制效果滿意，則再進行實物實驗。這樣一方面保證了實際實驗的安全性，另 一方面也極大地提高了設備的利用率，同時也提高了研究和實驗的效率。此外，還拓展了學 生的實驗場所和實驗時間，學生可以在任意時間先在虛擬對象上做算法研究，然後程序無需 任何修改就可以在設備可利用的時間再進行實際物理實驗來檢驗實際控制效果，極大地拓展 了傳統實驗的概念。


圖l是本發明系統架構圖，
圖2是3D可視化仿真子系統結構圖，
圖3是集成開發環境子系統結構圖，
圖4是實驗解決方案子系統結構圖，
圖5是機電聯合仿真流程圖，
圖6是快速原型控制流程圖，
圖7是本發明的-個實例圖形化代碼化編程建立控制算法圖， 圖8是本發明的一般實驗過程的總體流程圖。
具體實施例方式
本發明公開的是許多不同形式的實施方案。在附圖中顯示的以及在下文中詳細描述的都 是本發明的優選實施例。然而，下面公開的實施例是本發明原理的範例，並不是將本發明限 定到該實施例。圖1為本發明的系統架構圖，如圖1所示本發明架構由機電系統聯合仿真以 及機電系統快速成型與驗證兩部分組成，其中機械設計子系統、3D可視化仿真子系統、實驗 解決方案子系統和集成開發環境子系統構成了機電聯合仿真系統，實驗解決方案子系統、集 成開發環境子系統、運動控制子系統以及被控對象子系統組成了控制系統快速成型與驗證系 統，而控制工具箱、控制算法庫和基本數學庫為對實驗解決方案子系統和集成開發環境子系 統的擴展。從圖中可以看到機電系統聯合仿真和機電系統快速成型與驗證系統採用相同的實 驗解決方案子系統和集成開發環境子系統，這樣仿真和實際實驗系統就可以在同一平臺下使
用相同的控制軟體，可以解決當前仿真和實際系統採用不同開發平臺，需要進行重複勞動的
問題，使開發人員和學生可以將更多的精力關注到實驗方案的設計與驗證上。
下面結合本發明的具體實施例，對本發明作進一步的說明。下面以學生如何進行倒立擺 系統的被控對象設計、控制算法設計以及實時控制實驗驗證為例，來說明本系統的具體應用 方法。整個倒立擺系統的設計、開發與驗證大致可以分為以下兩階段完成
(1) 第一階段機械設計以及被控對象虛擬仿真階段。如圖5所示，以倒立擺為實驗對象的機 電系統的聯合仿真過程為
步驟一-
機械設計軟體(如Solidworks、 Pro/E等)環境3中建立實驗對象(倒立擺)的視覺模型， 存儲為標準渲染模型文件；
步驟_
3D仿真環境子系統根據渲染模型文件生成精確的物理模型用於物理引擎的動力學運算， 並渲染其視覺模型； 步驟三
通過3D可視化仿真環境子系統的物理引擎和渲染引擎的訪問接口來調整虛擬樣機(倒立 擺)的相關參數，使其物理特性與實物樣機的一致； 步驟四
設計仿真對象的仿真驅動接口模塊(圖形化/代碼化)實現與3D可視化仿真的虛擬被控 對象(倒立擺)連接。 步驟五
設計控制器，並利用圖形化程式語言(如Simulink)或者高級語言(如C/C++)編寫控 制算法，對整個機電系統進行聯合仿真。在線調整控制器參數，直到控制器性能滿足設計要 求為止，並可以在3D環境中直觀感受控制效果。
到此為止，虛擬仿真實驗完成，並且完成了基於模型的控制器設計。
(2) 第二階段控制系統快速成型與驗證階段，如圖6所示，以倒立擺為實驗對象進行快速
實驗驗證，其步驟為 步驟一
首先進行實驗分析，根據實驗需求選擇實驗解決方案或自定義實驗算法；比如選擇《自 動控制原理》中的"二階系統閉環控制"實驗方案，則點擊相應的目錄樹會彈出該實驗的相
關介紹，包括實驗目的、所需設備，並且給出Demo版的控制程序。學生可以根據此演示程 序進行修改來設計自己的控制器，也可以完全重新設計自己的控制算法。 步驟二
根據實驗方案進行算法設計，並在集成開發環境或者實驗解決方案中以圖形模塊(或代 碼)搭建實驗算法，並進行實時驅動接口 (圖形化/代碼化)系統連接和設置，這裡的連接設 置主要包括軟體上的連接設置和硬體上的連接設置。軟體上的連接設置步驟主要是在程序圖 中刪除仿真驅動接口模塊，然後替換為相應的實時驅動接口 (圖形化/代碼化)模塊，並設置 相應的通道號以及控制參數等，最後保存程序即可。硬體上的連接設置包括連接相應的接口 連線到被控對象和運動控制卡，如電機驅動線，編碼器信號線等；(如果在此之前，已經進行 過機電系統的聯合仿真，則不必進行控制算法的設計與實現，只是將聯合仿真過程中的控制 算法中的仿真驅動接口替換為實時驅動接口即可)。 步驟三
連接運動控制系統和實物被控對象，進行實驗驗證，監控並存儲實驗數據和曲線，這裡 可以利用Simulink的示波器可以監控任一參數的變化曲線；對不理想的實驗結果進行分析， 並進一步通過在線調整控制器設計或調節控制參數，直到獲得滿意控制效果為止。 步驟四
如果實驗效果達到設計要求，說明機械設計和控制算法設計正確，那麼就可以定型機械 系統和控制算法，學生可以進一步開發控制系統實際硬體系統。
綜上所述，利用本發明可以實現由機械設計、3D可視化仿真、控制器設計到控制系統快 速實現與驗證的機電一體化快速設計與成型實驗，可以將機械設計、控制算法設計、虛擬實 驗和實際實驗等無縫地連接起來，減少了重複勞動，提高了實驗效率，非常適合於自動化相 關學科的本科生和研究生的實驗教學和課程設計等，有著非常廣泛的應用前景。
權利要求
1、一種可視化的快速設計與驗證控制教學實驗系統，其特徵在於該系統由機電聯合仿真系統和控制系統快速成型與驗證系統組成，所述的機電聯合仿真系統，包括機械設計子系統、3D可視化仿真子系統、實驗解決方案子系統和集成開發環境子系統，其中3D可視化仿真子系統包括；a、3D視覺渲染引擎模塊，利用渲染引擎為虛擬被控對象建立3D的視覺渲染模型；b、物理引擎模塊，利用物理引擎為虛擬被控對象建立精確的物理計算模型；c、模型在線編輯模塊，實現仿真模型的實時編輯和參數修改；集成開發環境子系統包括a、代碼編輯器模塊，進行代碼的編寫、編譯、調試以及智能糾錯；b、基本數學庫模塊，提供了基本的數學函數的API函數；c、控制算法庫模塊，提供了控制算法，包括PID算法，LQR算法，神經網絡控制算法；d、代碼化通訊接口模塊，提供代碼化的與虛擬3D被控對象進行通訊的仿真驅動接口和與實際被控對象的硬體系統進行通訊的實時驅動接口；實驗解決方案子系統包括a、可擴展的實驗案例模塊，提供了自動化專業的基本課程的實驗案例，包括了自動控制原理、現代控制理論和計算機控制系統課程；b、算法開發模版模塊，可以在此模版上進行修改或者重建來建立控制算法；c、控制工具箱模塊，提供可擴展的控制算法工具，包括模糊控制工具箱和神經網絡控制工具箱；d、圖形化通訊接口模塊，提供圖形化的與虛擬3D被控對象進行通訊的仿真驅動接口和與實際被控對象的硬體系統進行通訊的實時驅動接口；所述的控制系統快速成型與驗證系統，包括運動控制子系統、實驗解決方案子系統和集成開發環境子系統。
2、 按照權利要求1所述的一種可視化的快速設計與驗證控制教學實驗系統，其特徵在於該教 學實驗系統的過程如下首先利用機械設計子系統建立3D模型，然後導入到3D可視化 仿真子系統並生成物理模型，接下來在集成開發環境子系統選擇圖形化的編程環境還是高 級語言編程環境，如果是高級語言，則利用所提供的基本數學庫模塊和控制算法庫模塊進 行控制器設計，如果是圖形化編程環境，則利用控制工具箱模塊完成控制器的設計；在控 制器設計完成之後，在實驗解決方案子系統選擇實驗方式，如果是虛擬對象仿真實驗，則 選擇圖形化通訊接口模塊的仿真驅動接口進行虛擬仿真實驗，通過調節控制器參數來觀察 控制效果；如果是實物對象實驗，則將仿真驅動接口替換成實時驅動接口進行實物實驗， 進行代碼自動下載並實時控制來觀察控制效果；如果效果不滿意，則修改控制器並調節參 數，直到獲得滿意控制效果，實驗結束為止。
3、 按照權利要求1所述的一種可視化的快速設計與驗證控制教學實驗系統，其特徵在於所述 的運動控制子系統有兩種實現方式第一種實現方式包括PC機、數據採集卡、放大/驅動 電路、採樣電路和被控對象系統，其中PC機的功能為監控和控制算法執行；第二種實現 方式包括PC、嵌入式控制器、放大/驅動電路、採樣電路和被控對象系統，其中PC機功 能為監控控制過程，而嵌入式控制器執行實時控制算法，採用第一種方式的吋候，所有的 控制程序都是運行在PC機上的，其控制系統的實時性有基於PC機的實時控制內核來保 證，而採用第二種方式的時候，在PC機上利用圖形化編程環境建立控制算法然後自動生 成實時代碼並進行編譯、連接，然後下載到嵌入式控制中運行。
4、 按照權利要求1所述的一種可視化的快速設計與驗證控制教學實驗系統，其特徵在於所述 的機電聯合仿真系統的工作流程如下-步驟一機械設計軟體環境中建立實驗對象的視覺模型，存儲為標準渲染模型文件； 步驟二-3D仿真環境子系統根據渲染模型文件生成精確的物理模型用於物理引擎的動力學運算， 並渲染其視覺模型； 步驟三通過3D可視化仿真環境子系統的物理引擎和渲染引擎的訪問接口來調整虛擬樣機的相 關參數，使其物理特性與實物樣機的一致； 歩驟四設計仿真對象的仿真驅動接口模塊實現與3D可視化仿真的虛擬被控對象連接； 步驟五設計控制器，並利用圖形化程式語言或者高級語言編寫控制算法，對整個機電系統進行 聯合仿真，在線調整控制器參數，並可以在3D環境中直觀感受控制效果。
5、按照權利要求1所述的一種可視化的快速設計與驗證控制教學實驗系統，其特徵在於所述的控制系統快速成型與驗證系統的工作流程如下 步驟一首先進行實驗分析，根據實驗需求選擇實驗解決方案或自定義實驗算法； 步驟二根據實驗方案進行算法設計，並在集成開發環境子系統或者實驗解決方案子系統中以圖 形模塊或代碼搭建實驗算法，並進行實時驅動接口系統連接和設置；步驟二連接運動控制系統和實物被控對象，進行實驗驗證，監控並存儲實驗數據和曲線，對不理想的實驗結果進行分析，並進一步通過在線調整控制器設計或調節控制參數； 步驟四確定控制系統，定型機械系統和控制系統。
全文摘要
一種可視化的快速設計與驗證控制教學實驗系統，屬於自動化專業教學實驗技術領域，該系統由機電聯合仿真系統和控制系統快速成型與驗證系統組成，機電聯合仿真系統包括機械設計子系統、3D可視化仿真子系統、實驗解決方案子系統和集成開發環境子系統，所述的控制系統快速成型與驗證系統，包括運動控制子系統、實驗解決方案子系統和集成開發環境子系統。本發明採用虛擬實驗仿真驗證的算法，利用圖形化的編輯環境替換相應接口模塊後，自動生成實時代碼並進行編譯、連接、下載和自動運行。
文檔編號G06T17/05GK101350146SQ20081001293
公開日2009年1月21日 申請日期2008年8月26日 優先權日2008年8月26日
發明者何洪生, 海 呂, 正 方, 李志偉, 柴天佑, 王良勇, 葛樹志 申請人:東北大學