本發(fā)明屬于控制實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種便攜式計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在自動(dòng)控制理論的學(xué)習(xí)與研究中，仿真和實(shí)驗(yàn)占據(jù)重要的地位。目前自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要分兩種類型：一種是基于DCS或PLC的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)功能強(qiáng)大、軟硬件資源齊全，控制算法編程靈活豐富；另一種是基于單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，這種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)價(jià)格相對(duì)便宜、使用方便，然而以上兩種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要么存在價(jià)格昂貴、體積笨重的缺點(diǎn)；要么需要開發(fā)人員進(jìn)行二次編程，導(dǎo)致了這種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在控制對(duì)象的建模與控制算法研究方面存在算法編寫復(fù)雜和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所便捷性差的嚴(yán)重不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種便攜式計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于DSP模型設(shè)計(jì)的原理，實(shí)現(xiàn)了MATLAB/Simulink仿真環(huán)境與硬件系統(tǒng)直接對(duì)接，將MATLAB/Simulink中的模型文件直接轉(zhuǎn)換成控制器所用的代碼文件，省去了算法的代碼編寫，通過CCS將代碼文件下載到控制器，利用MATLAB GUI編寫上位機(jī)界面代碼，使整個(gè)開發(fā)工作均在MATLAB的環(huán)境下完成，提高編程的便利化，無論是控制代碼還是上位機(jī)界面均是在matlab下完成，不需要跨平臺(tái)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行模型仿真和將仿真中的算法直接應(yīng)用于控制的目的。

一種便攜式計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括典型對(duì)象調(diào)控裝置、控制主板和上位機(jī)系統(tǒng)，且所述的典型對(duì)象調(diào)控裝置和控制主板放置于可攜帶的箱體內(nèi)部；

所述的控制主板，包括：USB通信模塊、DSP核心模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；

所述的典型對(duì)象調(diào)控裝置，包括：被控裝置、用于采集被控裝置輸出信號(hào)的信號(hào)采集裝置和用于干擾被控裝置輸出信號(hào)的負(fù)載裝置；

所述的上位機(jī)系統(tǒng)通過USB通信模塊連接DSP核心模塊，DSP核心模塊通過模數(shù)轉(zhuǎn)換或編碼器接口模塊連接典型對(duì)象調(diào)控裝置的信號(hào)采集裝置，DSP核心模塊通過驅(qū)動(dòng)模塊連接被控裝置。

所述的上位機(jī)系統(tǒng)，采用MATLAB/Simulink仿真環(huán)境，將MATLAB/Simulink中的模型文件直接轉(zhuǎn)換成DSP核心模塊所用的可執(zhí)行代碼文件，監(jiān)控界面代碼采用MATALB GUI設(shè)計(jì)，整個(gè)開發(fā)工作均在MATLAB環(huán)境下完成。

所述的典型對(duì)象調(diào)控裝置，采用直流電機(jī)調(diào)速裝置，具體包括：直流電機(jī)、光電編碼盤、電機(jī)基座、電機(jī)底座、彈簧、皮帶、旋轉(zhuǎn)手輪和傳動(dòng)輪；

所述的電機(jī)基座豎直設(shè)置于電機(jī)底座的上端，直流電機(jī)固定于電機(jī)基座的下部，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸穿過電機(jī)基座連接傳動(dòng)輪，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)軸設(shè)置有光電編碼盤；所述的旋轉(zhuǎn)手輪固定于電機(jī)基座的上部，且與傳動(dòng)輪同側(cè)；所述的彈簧設(shè)置于固定于電機(jī)基座的上部，且與旋轉(zhuǎn)手輪同側(cè)；所述的皮帶一端固定于彈簧，皮帶依次嵌入傳動(dòng)輪的凹槽和旋轉(zhuǎn)手輪的凹槽，皮帶一端固定于旋轉(zhuǎn)手輪；光電編碼盤的輸出端連接DSP核心模塊的編碼器接口，直流電機(jī)的輸入端連接驅(qū)動(dòng)模塊。

所述的典型對(duì)象調(diào)控裝置，采用溫度加熱控制裝置，具體包括：加熱墊片、加熱銅塊、熱電阻、熱絕緣擋板、熱絕緣基座和變速風(fēng)扇；

所述的熱絕緣基座上端設(shè)置有凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)置有加熱墊片，加熱墊片上端豎直放置有加熱銅塊，且加熱銅塊通過熱絕緣擋板固定于熱絕緣基座上端的凹槽內(nèi)，所述的加熱銅塊側(cè)面設(shè)置有孔，熱電阻放置于所述孔內(nèi)；所述的變速風(fēng)扇放置于熱絕緣基座一側(cè)，且面向加熱銅塊；所述熱電阻的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，加熱墊片的輸入端連接驅(qū)動(dòng)模塊。

所述的彈簧，其阻尼系數(shù)為0.2～0.8N.s/m。

所述的電機(jī)基座采用鋁制成，所述的電機(jī)底座采用鋼制成。

所述的直流電機(jī)調(diào)速裝置，還包括絕緣基座，絕緣基座上端設(shè)置有用于固定電機(jī)底座的磁鐵。

所述的溫度加熱控制裝置，還包括絕緣基座，絕緣基座上端通過螺釘固定熱絕緣基座。

所述的變速風(fēng)扇，其通過變電阻調(diào)節(jié)風(fēng)速，且變電阻與DSP核心模塊集成為一體。

所述的加熱銅塊，其厚度為7mm～8.5mm。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提出一種便攜式計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，選擇的系統(tǒng)被控對(duì)象特點(diǎn)顯明，與國(guó)內(nèi)現(xiàn)行計(jì)算機(jī)控制教材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)相契合，體積、尺寸合理，均為直流驅(qū)動(dòng)，符合便捷、安全的原則；利用MATLAB/Simulink即可以進(jìn)行控制系統(tǒng)中建模與控制算法的仿真研究，也可以將仿真驗(yàn)證后的控制代碼直接用于轉(zhuǎn)化成實(shí)際系統(tǒng)的控制代碼，無需二次編程，為控制算法的研究工作提供了極大便利，上位機(jī)軟件亦采用MATLAB進(jìn)行編寫，使得整個(gè)開發(fā)工作均在同一工作環(huán)境下完成，避免了跨平臺(tái)開發(fā)；充分利用了MATLAB環(huán)境中豐富的軟件資源；USB通信接口技術(shù)，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、連續(xù)地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中；在1M/s的采樣速率下，可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與上位機(jī)的連續(xù)、無丟失實(shí)時(shí)通信；被控對(duì)象與控制器均采用小巧設(shè)計(jì)理念，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)放置專門的手提式設(shè)備箱中，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所便利化；

直流電機(jī)調(diào)速裝置，采用立式電機(jī)基座作為固定電機(jī)的裝置，外形小巧但質(zhì)量大，防止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程產(chǎn)生抖動(dòng)；測(cè)速光電編碼盤為轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊，將直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖，操作簡(jiǎn)單，計(jì)數(shù)精準(zhǔn)；柔性彈簧作為負(fù)載，通過旋轉(zhuǎn)手輪調(diào)節(jié)負(fù)載，負(fù)載給定方便易操作；

溫度加熱控制裝置，銅塊由厚度為2.5mm～3mm的熱絕緣隔板固定在加熱墊片的中間位置，保證加熱均勻；加熱銅塊采取豎直放置的方式，便于溫度的控制，使得滯后現(xiàn)象明顯，典型特征突出；熱絕緣基座采用低熱導(dǎo)材料制成，減小了環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響；使用直流變速小風(fēng)扇，既可提供溫度擾動(dòng)亦便于實(shí)驗(yàn)結(jié)束冷卻銅塊。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的便攜式計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明一種實(shí)施方式的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明一種實(shí)施方式的直流電機(jī)調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明一種實(shí)施方式的直流電機(jī)調(diào)速裝置和溫度加熱控制裝置組合主視圖；

圖5為本發(fā)明一種實(shí)施方式的直流電機(jī)調(diào)速裝置和溫度加熱控制裝置組合俯視圖；

圖6為本發(fā)明一種實(shí)施方式的直流電機(jī)調(diào)速裝置中單神經(jīng)元PID調(diào)速過程流程圖；

圖7為本發(fā)明一種實(shí)施方式的直流電機(jī)調(diào)速裝置中單神經(jīng)元模塊示意圖；

圖8為本發(fā)明一種實(shí)施方式的直流電機(jī)調(diào)速裝置中單神經(jīng)元PID模型文件圖；

圖9為本發(fā)明一種實(shí)施方式的溫度加熱控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明一種實(shí)施方式的溫度加熱控制裝置中Smith調(diào)溫過程流程圖；

圖11為本發(fā)明一種實(shí)施方式的溫度加熱控制裝置中Smith算法模塊圖；

圖12為本發(fā)明一種實(shí)施方式的上位機(jī)軟件操作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明一種實(shí)施例做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明實(shí)施例中，如圖1所示，便攜式計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括典型對(duì)象調(diào)控裝置、控制主板和上位機(jī)系統(tǒng)，且所述的典型對(duì)象調(diào)控裝置和控制主板放置于可攜帶的箱體內(nèi)部；所述典型對(duì)象調(diào)控裝置采用直流電機(jī)調(diào)速裝置和溫度加熱控制裝置；包括：被控裝置(直流電機(jī)或加熱銅塊)、用于采集被控裝置輸出信號(hào)的信號(hào)采集裝置(光電編碼盤或熱電阻)和用于干擾被控裝置輸出信號(hào)的調(diào)節(jié)裝置(彈黃負(fù)載或變速風(fēng)扇)；

本發(fā)明實(shí)施例中，所述控制主板是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理中心，包括DSP核心模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(A/D)和USB通信接口模塊、脈沖寬度調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)模塊；控制主板用于控制量的計(jì)算、電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖計(jì)數(shù)采集(光電編碼盤將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù))、加熱銅塊的溫度值的A/D數(shù)據(jù)采集和與上位機(jī)系統(tǒng)的高速實(shí)時(shí)通信；

本發(fā)明實(shí)施例中，如圖2所示；在JTAG電路中，使用仿真器通過JTAG接口將在MATLAB中的編譯好的文件代碼下載到DSP中，同時(shí)通過該接口傳輸上位機(jī)設(shè)定的指令；在USB通信電路中，采用CH340系列的USB通信芯片，不再需要USB轉(zhuǎn)串口的數(shù)據(jù)線，方便的同時(shí)節(jié)省成本。芯片的工作時(shí)鐘為12M，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)中；在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，利用DSP自身的ADC引腳，外加ADC保護(hù)電路，防止電壓過大造成DSP損壞。將熱電阻傳感器采集的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，然后傳遞給上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值；在脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路中，選用典型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，其自帶4路PWM輸入，其中2路用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，2路用于控制加熱墊片的升溫。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述上位機(jī)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件，使用MATLAB GUI編寫監(jiān)控界面用于進(jìn)行轉(zhuǎn)速、溫度的設(shè)定，以及電機(jī)運(yùn)行狀況和銅塊溫度變化情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控；另一方面，可以應(yīng)用MATLAB/Simulink軟件完成對(duì)控制系統(tǒng)的模型仿真，利用Embedded Code工具箱，將MATLAB/Simulink中的模型文件直接轉(zhuǎn)換成DSP所用的代碼文件，直接應(yīng)用于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

本發(fā)明實(shí)施例中，直流電機(jī)在驅(qū)動(dòng)模塊輸出的電壓作用下平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度由光電編碼盤轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的脈沖，送給控制主板中的編碼器接口，其中電機(jī)的負(fù)載由阻尼系數(shù)0.2～0.8N.s/m的柔性彈簧提供，其負(fù)載大小通過旋輪進(jìn)行調(diào)節(jié)；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將熱電阻傳感器送來的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送給DSP核心模塊；DSP核心模塊一方面進(jìn)行控制算法運(yùn)算，輸出的PWM控制信號(hào)，作用于驅(qū)動(dòng)模塊，由驅(qū)動(dòng)模塊輸出驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)和加熱銅塊的溫度變化；另一方面，DSP核心模塊將所采集的數(shù)據(jù)信息傳送給USB通信接口模塊，由USB通信接口模塊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高速通信給上位機(jī)系統(tǒng)。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述的典型對(duì)象調(diào)控裝置，采用直流電機(jī)調(diào)速裝置和溫度加熱控制裝置；

(1)以直流電機(jī)調(diào)速裝置為例，進(jìn)行闡述：

本發(fā)明實(shí)施例中，如圖3所示，直流電機(jī)調(diào)速裝置包括：直流電機(jī)1、光電編碼盤2、50系列鋁材切割而成的電機(jī)基座3、Q345系鋼材切割而成的電機(jī)底座4(保證了基座尺寸合理的同時(shí)質(zhì)量足夠，避免了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中帶來的抖動(dòng)影響)、阻尼系數(shù)為0.2～0.8N.s/m的柔性彈黃5、皮帶6、旋轉(zhuǎn)手輪7、傳動(dòng)輪8和絕緣基座9(如圖4和圖5所示，直流電機(jī)調(diào)速裝置的絕緣基座與溫度加熱控制裝置放置在同一個(gè)絕緣基座，絕緣基座采用新型絕緣材料制成，出于便捷、小巧的原則，基座的長(zhǎng)度尺寸在13～14cm，寬度尺寸在12～13cm之間，高度尺寸在1～1.2cm之間)；

本發(fā)明實(shí)施例中，電機(jī)基座3豎直設(shè)置于電機(jī)底座4的上端(可拆卸)，直流電機(jī)1固定在電機(jī)基座2下部通孔中，過孔尺寸與電機(jī)直徑相互契合，直流電機(jī)1的轉(zhuǎn)軸穿過電機(jī)基座2連接傳動(dòng)輪8(通過塑料榫卯固定連接)，直流電機(jī)1的轉(zhuǎn)軸設(shè)置有光電編碼盤2；所述的旋轉(zhuǎn)手輪7固定于電機(jī)基座3的上部，且與傳動(dòng)輪8同側(cè)；手動(dòng)旋輪7通過銅質(zhì)螺柱固定到電機(jī)基座3上部，皮帶6一端固定在手動(dòng)旋輪7上，繞過傳動(dòng)輪8與彈簧5相連，彈簧5固定孔高度與旋轉(zhuǎn)手輪7的高度相差-5～+5mm；光電編碼盤2的輸出端連接DSP核心模塊上的編碼器接口，直流電機(jī)的輸入端連接驅(qū)動(dòng)模塊，絕緣基座9上表面中心線位置開一直徑為3cm，深度為0.3～0.4cm的凹槽，放置圓形磁鐵10，磁鐵10與基座9之間通過黏力膠固定；磁鐵10用于吸合直流電機(jī)1裝置，方便隨時(shí)卸載裝入設(shè)備箱；

本發(fā)明實(shí)施例中，在實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)手動(dòng)旋輪7給定電機(jī)負(fù)載，轉(zhuǎn)動(dòng)旋輪，最多轉(zhuǎn)動(dòng)450度；改變皮帶的松緊，從而改變負(fù)載的大??；使用阻尼系數(shù)0.2～0.8N.s/m柔性彈簧消除抖動(dòng)同時(shí)避免因負(fù)載過大導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)造成的損害。

本發(fā)明實(shí)施例中，如圖6所示，所述神經(jīng)元PID控制算法對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，包括如下步驟：

步驟1：確定單神經(jīng)元PID控制學(xué)習(xí)算法公式；

式中x₁(k)＝e(k)、x₂(k)＝Δe(k)、x₃(k)＝Δ²e(k)＝e(k)-2e(k-1)+e(k-2)、z(k)＝e(k)、η_i、η_p、η_d-積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率，e(k)是偏差；

步驟2：在MATLAB/Smiulink環(huán)境下利用工具箱，根據(jù)電機(jī)模型，搭建單神經(jīng)元PID仿真模塊圖，具體模塊圖如圖7所示；依據(jù)仿真曲線調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，得到理想仿真參數(shù)；

步驟3：根據(jù)模型設(shè)計(jì)的原理，使用Embedded Code工具箱搭建DSP外圍模型圖，如圖8所示；將步驟2中搭建好的仿真圖封裝成子模塊，嵌入到模塊圖中；

步驟4：將完整的模型圖轉(zhuǎn)化成代碼下載到目標(biāo)板中。

(2)以溫度加熱控制裝置為例，進(jìn)行闡述：

本發(fā)明實(shí)施例中，如圖9和圖5所示，溫度加熱控制裝置，具體包括：PWM驅(qū)動(dòng)型加熱墊片11、加熱銅塊12、熱電阻13、熱絕緣擋板14、熱絕緣基座15、變速風(fēng)扇16和絕緣基座10；

本發(fā)明實(shí)施例中，熱絕緣基座使用新型復(fù)合材料制成，減小了熱量的散失，克服了環(huán)境因素的干擾；

本發(fā)明實(shí)施例中，所述的熱絕緣基座上端設(shè)置有凹槽(尺寸與加熱墊片相同)，凹槽內(nèi)設(shè)置有加熱墊片，加熱墊片上端放置有加熱銅塊，且加熱銅塊通過熱絕緣擋板固定于熱絕緣基座上端的凹槽內(nèi)(減小了熱量的散失，采用豎直放置的方式使溫度上升時(shí)間合理，滯后現(xiàn)象明顯)，所述的加熱銅塊側(cè)面設(shè)置有孔，熱電阻放置于所述孔內(nèi)；所述的變速風(fēng)扇放置于熱絕緣基座一側(cè)，且面向加熱銅塊；所述熱電阻的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，加熱墊片的輸入端連接驅(qū)動(dòng)模塊，絕緣基座上表面右側(cè)開兩個(gè)間距為4～5cm的直徑為4mm、深度為6～8mm的孔，通過六角螺釘將加熱裝置固定在絕緣基座上；所述的變速風(fēng)扇，其通過變電阻調(diào)節(jié)風(fēng)速，且變電阻與DSP核心模塊集成為一體，改變干擾量的大小，操作簡(jiǎn)單高效；

本發(fā)明實(shí)施例中，如圖10所示，所述Smith溫度控制算法對(duì)加熱銅塊進(jìn)行控制，包括如下步驟：

步驟a：在MATLAB/Smiulink環(huán)境下利用工具箱，利用加熱銅塊模型，根據(jù)Smith原理，搭建溫度Smith仿真模塊圖，依據(jù)仿真曲線調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，得到理想仿真參數(shù)；

步驟b：根據(jù)模型設(shè)計(jì)的原理，使用Embedded Code工具箱搭建DSP外圍模型圖；將步驟1中搭建好的仿真圖封裝成子模塊，子模塊如圖11所示，嵌入到模塊圖中；

步驟c：將完整的模型圖轉(zhuǎn)化成代碼下載到目標(biāo)板中。

本發(fā)明實(shí)施例中，使用上位機(jī)軟件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的流程如圖12所示，包括如下步驟：

步驟A：打開CCS軟件，檢測(cè)控制板是否鏈接成功，將模型文件編譯下載到控制板中；

步驟B：依據(jù)對(duì)應(yīng)的模型文件，選擇對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)名稱，從而調(diào)整坐標(biāo)軸的刻度；

步驟C：輸入轉(zhuǎn)速(或溫度)設(shè)定值，點(diǎn)擊開始鍵；依據(jù)當(dāng)前使用的算法，經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)PWM值，通過驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或者加熱銅塊溫度上升；

步驟D：將當(dāng)前數(shù)據(jù)通過USB通信接口模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件，在顯示框中實(shí)時(shí)繪制速度或溫度曲線，給定不同的負(fù)載得到不同的曲線；

步驟E：使用保存數(shù)據(jù)功能，將采集到的數(shù)據(jù)保存在當(dāng)前計(jì)算機(jī)中；以便于使用MATLAB對(duì)當(dāng)前算法進(jìn)行進(jìn)一步的研究。