一种便携式计算机控制实验系统的制作方法

本发明属于控制实验技术领域，具体涉及一种便携式计算机控制实验系统。

背景技术：

在自动控制理论的学习与研究中，仿真和实验占据重要的地位。目前自动控制原理实验系统主要分两种类型：一种是基于DCS或PLC的实验系统，这种系统功能强大、软硬件资源齐全，控制算法编程灵活丰富；另一种是基于单片机的实验系统，这种实验系统价格相对便宜、使用方便，然而以上两种实验系统要么存在价格昂贵、体积笨重的缺点；要么需要开发人员进行二次编程，导致了这种实验系统在控制对象的建模与控制算法研究方面存在算法编写复杂和实验场所便捷性差的严重不足。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种便携式计算机控制实验系统，实验平台基于DSP模型设计的原理，实现了MATLAB/Simulink仿真环境与硬件系统直接对接，将MATLAB/Simulink中的模型文件直接转换成控制器所用的代码文件，省去了算法的代码编写，通过CCS将代码文件下载到控制器，利用MATLAB GUI编写上位机界面代码，使整个开发工作均在MATLAB的环境下完成，提高编程的便利化，无论是控制代码还是上位机界面均是在matlab下完成，不需要跨平台开发，实现了在一个平台上进行模型仿真和将仿真中的算法直接应用于控制的目的。

一种便携式计算机控制实验系统，包括典型对象调控装置、控制主板和上位机系统，且所述的典型对象调控装置和控制主板放置于可携带的箱体内部；

所述的控制主板，包括：USB通信模块、DSP核心模块、驱动模块和模数转换模块；

所述的典型对象调控装置，包括：被控装置、用于采集被控装置输出信号的信号采集装置和用于干扰被控装置输出信号的负载装置；

所述的上位机系统通过USB通信模块连接DSP核心模块，DSP核心模块通过模数转换或编码器接口模块连接典型对象调控装置的信号采集装置，DSP核心模块通过驱动模块连接被控装置。

所述的上位机系统，采用MATLAB/Simulink仿真环境，将MATLAB/Simulink中的模型文件直接转换成DSP核心模块所用的可执行代码文件，监控界面代码采用MATALB GUI设计，整个开发工作均在MATLAB环境下完成。

所述的典型对象调控装置，采用直流电机调速装置，具体包括：直流电机、光电编码盘、电机基座、电机底座、弹簧、皮带、旋转手轮和传动轮；

所述的电机基座竖直设置于电机底座的上端，直流电机固定于电机基座的下部，直流电机的转轴穿过电机基座连接传动轮，直流电机的转轴设置有光电编码盘；所述的旋转手轮固定于电机基座的上部，且与传动轮同侧；所述的弹簧设置于固定于电机基座的上部，且与旋转手轮同侧；所述的皮带一端固定于弹簧，皮带依次嵌入传动轮的凹槽和旋转手轮的凹槽，皮带一端固定于旋转手轮；光电编码盘的输出端连接DSP核心模块的编码器接口，直流电机的输入端连接驱动模块。

所述的典型对象调控装置，采用温度加热控制装置，具体包括：加热垫片、加热铜块、热电阻、热绝缘挡板、热绝缘基座和变速风扇；

所述的热绝缘基座上端设置有凹槽，凹槽内设置有加热垫片，加热垫片上端竖直放置有加热铜块，且加热铜块通过热绝缘挡板固定于热绝缘基座上端的凹槽内，所述的加热铜块侧面设置有孔，热电阻放置于所述孔内；所述的变速风扇放置于热绝缘基座一侧，且面向加热铜块；所述热电阻的输出端连接模数转换模块，加热垫片的输入端连接驱动模块。

所述的弹簧，其阻尼系数为0.2～0.8N.s/m。

所述的电机基座采用铝制成，所述的电机底座采用钢制成。

所述的直流电机调速装置，还包括绝缘基座，绝缘基座上端设置有用于固定电机底座的磁铁。

所述的温度加热控制装置，还包括绝缘基座，绝缘基座上端通过螺钉固定热绝缘基座。

所述的变速风扇，其通过变电阻调节风速，且变电阻与DSP核心模块集成为一体。

所述的加热铜块，其厚度为7mm～8.5mm。

本发明优点：

本发明提出一种便携式计算机控制实验系统，选择的系统被控对象特点显明，与国内现行计算机控制教材重点实验相契合，体积、尺寸合理，均为直流驱动，符合便捷、安全的原则；利用MATLAB/Simulink即可以进行控制系统中建模与控制算法的仿真研究，也可以将仿真验证后的控制代码直接用于转化成实际系统的控制代码，无需二次编程，为控制算法的研究工作提供了极大便利，上位机软件亦采用MATLAB进行编写，使得整个开发工作均在同一工作环境下完成，避免了跨平台开发；充分利用了MATLAB环境中丰富的软件资源；USB通信接口技术，将采集的数据实时、连续地传输到上位机中；在1M/s的采样速率下，可以实现采集数据与上位机的连续、无丢失实时通信；被控对象与控制器均采用小巧设计理念，整个实验系统放置专门的手提式设备箱中，实现实验场所便利化；

直流电机调速装置，采用立式电机基座作为固定电机的装置，外形小巧但质量大，防止电机转动过程产生抖动；测速光电编码盘为转速检测模块，将直流伺服电机的转速转换成脉冲，操作简单，计数精准；柔性弹簧作为负载，通过旋转手轮调节负载，负载给定方便易操作；

温度加热控制装置，铜块由厚度为2.5mm～3mm的热绝缘隔板固定在加热垫片的中间位置，保证加热均匀；加热铜块采取竖直放置的方式，便于温度的控制，使得滞后现象明显，典型特征突出；热绝缘基座采用低热导材料制成，减小了环境对实验的影响；使用直流变速小风扇，既可提供温度扰动亦便于实验结束冷却铜块。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的便携式计算机控制实验系统结构框图；

图2为本发明一种实施方式的电路结构图；

图3为本发明一种实施方式的直流电机调速装置结构示意图；

图4为本发明一种实施方式的直流电机调速装置和温度加热控制装置组合主视图；

图5为本发明一种实施方式的直流电机调速装置和温度加热控制装置组合俯视图；

图6为本发明一种实施方式的直流电机调速装置中单神经元PID调速过程流程图；

图7为本发明一种实施方式的直流电机调速装置中单神经元模块示意图；

图8为本发明一种实施方式的直流电机调速装置中单神经元PID模型文件图；

图9为本发明一种实施方式的温度加热控制装置结构示意图；

图10为本发明一种实施方式的温度加热控制装置中Smith调温过程流程图；

图11为本发明一种实施方式的温度加热控制装置中Smith算法模块图；

图12为本发明一种实施方式的上位机软件操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，如图1所示，便携式计算机控制实验系统，包括典型对象调控装置、控制主板和上位机系统，且所述的典型对象调控装置和控制主板放置于可携带的箱体内部；所述典型对象调控装置采用直流电机调速装置和温度加热控制装置；包括：被控装置(直流电机或加热铜块)、用于采集被控装置输出信号的信号采集装置(光电编码盘或热电阻)和用于干扰被控装置输出信号的调节装置(弹黄负载或变速风扇)；

本发明实施例中，所述控制主板是系统的数据采集与处理中心，包括DSP核心模块、模数转换模块(A/D)和USB通信接口模块、脉冲宽度调制(PWM)驱动模块；控制主板用于控制量的计算、电机转速的脉冲计数采集(光电编码盘将转速转换成对应的脉冲数)、加热铜块的温度值的A/D数据采集和与上位机系统的高速实时通信；

本发明实施例中，如图2所示；在JTAG电路中，使用仿真器通过JTAG接口将在MATLAB中的编译好的文件代码下载到DSP中，同时通过该接口传输上位机设定的指令；在USB通信电路中，采用CH340系列的USB通信芯片，不再需要USB转串口的数据线，方便的同时节省成本。芯片的工作时钟为12M，将采集的数据实时传输到上位机系统中；在模数转换电路中，利用DSP自身的ADC引脚，外加ADC保护电路，防止电压过大造成DSP损坏。将热电阻传感器采集的电压值转换成数字值，然后传递给上位机系统，实时显示当前温度值；在脉冲宽度调制(PWM)电路中，选用典型直流电机驱动芯片L298N，其自带4路PWM输入，其中2路用于控制电机的转动，2路用于控制加热垫片的升温。

本发明实施例中，所述上位机系统包括计算机和应用软件，使用MATLAB GUI编写监控界面用于进行转速、温度的设定，以及电机运行状况和铜块温度变化情况的实时监控；另一方面，可以应用MATLAB/Simulink软件完成对控制系统的模型仿真，利用Embedded Code工具箱，将MATLAB/Simulink中的模型文件直接转换成DSP所用的代码文件，直接应用于系统的实时控制。

本发明实施例中，直流电机在驱动模块输出的电压作用下平稳旋转，其旋转速度由光电编码盘转化成对应的脉冲，送给控制主板中的编码器接口，其中电机的负载由阻尼系数0.2～0.8N.s/m的柔性弹簧提供，其负载大小通过旋轮进行调节；模数转换模块将热电阻传感器送来的电压信号转换成数字信号，送给DSP核心模块；DSP核心模块一方面进行控制算法运算，输出的PWM控制信号，作用于驱动模块，由驱动模块输出驱动直流电机旋转和加热铜块的温度变化；另一方面，DSP核心模块将所采集的数据信息传送给USB通信接口模块，由USB通信接口模块将实时数据高速通信给上位机系统。

本发明实施例中，所述的典型对象调控装置，采用直流电机调速装置和温度加热控制装置；

(1)以直流电机调速装置为例，进行阐述：

本发明实施例中，如图3所示，直流电机调速装置包括：直流电机1、光电编码盘2、50系列铝材切割而成的电机基座3、Q345系钢材切割而成的电机底座4(保证了基座尺寸合理的同时质量足够，避免了电机转动过程中带来的抖动影响)、阻尼系数为0.2～0.8N.s/m的柔性弹黄5、皮带6、旋转手轮7、传动轮8和绝缘基座9(如图4和图5所示，直流电机调速装置的绝缘基座与温度加热控制装置放置在同一个绝缘基座，绝缘基座采用新型绝缘材料制成，出于便捷、小巧的原则，基座的长度尺寸在13～14cm，宽度尺寸在12～13cm之间，高度尺寸在1～1.2cm之间)；

本发明实施例中，电机基座3竖直设置于电机底座4的上端(可拆卸)，直流电机1固定在电机基座2下部通孔中，过孔尺寸与电机直径相互契合，直流电机1的转轴穿过电机基座2连接传动轮8(通过塑料榫卯固定连接)，直流电机1的转轴设置有光电编码盘2；所述的旋转手轮7固定于电机基座3的上部，且与传动轮8同侧；手动旋轮7通过铜质螺柱固定到电机基座3上部，皮带6一端固定在手动旋轮7上，绕过传动轮8与弹簧5相连，弹簧5固定孔高度与旋转手轮7的高度相差-5～+5mm；光电编码盘2的输出端连接DSP核心模块上的编码器接口，直流电机的输入端连接驱动模块，绝缘基座9上表面中心线位置开一直径为3cm，深度为0.3～0.4cm的凹槽，放置圆形磁铁10，磁铁10与基座9之间通过黏力胶固定；磁铁10用于吸合直流电机1装置，方便随时卸载装入设备箱；

本发明实施例中，在实验过程中通过调节手动旋轮7给定电机负载，转动旋轮，最多转动450度；改变皮带的松紧，从而改变负载的大小；使用阻尼系数0.2～0.8N.s/m柔性弹簧消除抖动同时避免因负载过大导致电机堵转造成的损害。

本发明实施例中，如图6所示，所述神经元PID控制算法对直流电机进行调速，包括如下步骤：

步骤1：确定单神经元PID控制学习算法公式；

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-积分、比例、微分的学习速率，e(k)是偏差；

步骤2：在MATLAB/Smiulink环境下利用工具箱，根据电机模型，搭建单神经元PID仿真模块图，具体模块图如图7所示；依据仿真曲线调节相应的参数，得到理想仿真参数；

步骤3：根据模型设计的原理，使用Embedded Code工具箱搭建DSP外围模型图，如图8所示；将步骤2中搭建好的仿真图封装成子模块，嵌入到模块图中；

步骤4：将完整的模型图转化成代码下载到目标板中。

(2)以温度加热控制装置为例，进行阐述：

本发明实施例中，如图9和图5所示，温度加热控制装置，具体包括：PWM驱动型加热垫片11、加热铜块12、热电阻13、热绝缘挡板14、热绝缘基座15、变速风扇16和绝缘基座10；

本发明实施例中，热绝缘基座使用新型复合材料制成，减小了热量的散失，克服了环境因素的干扰；

本发明实施例中，所述的热绝缘基座上端设置有凹槽(尺寸与加热垫片相同)，凹槽内设置有加热垫片，加热垫片上端放置有加热铜块，且加热铜块通过热绝缘挡板固定于热绝缘基座上端的凹槽内(减小了热量的散失，采用竖直放置的方式使温度上升时间合理，滞后现象明显)，所述的加热铜块侧面设置有孔，热电阻放置于所述孔内；所述的变速风扇放置于热绝缘基座一侧，且面向加热铜块；所述热电阻的输出端连接模数转换模块，加热垫片的输入端连接驱动模块，绝缘基座上表面右侧开两个间距为4～5cm的直径为4mm、深度为6～8mm的孔，通过六角螺钉将加热装置固定在绝缘基座上；所述的变速风扇，其通过变电阻调节风速，且变电阻与DSP核心模块集成为一体，改变干扰量的大小，操作简单高效；

本发明实施例中，如图10所示，所述Smith温度控制算法对加热铜块进行控制，包括如下步骤：

步骤a：在MATLAB/Smiulink环境下利用工具箱，利用加热铜块模型，根据Smith原理，搭建温度Smith仿真模块图，依据仿真曲线调节相应的参数，得到理想仿真参数；

步骤b：根据模型设计的原理，使用Embedded Code工具箱搭建DSP外围模型图；将步骤1中搭建好的仿真图封装成子模块，子模块如图11所示，嵌入到模块图中；

步骤c：将完整的模型图转化成代码下载到目标板中。

本发明实施例中，使用上位机软件进行状态监测的流程如图12所示，包括如下步骤：

步骤A：打开CCS软件，检测控制板是否链接成功，将模型文件编译下载到控制板中；

步骤B：依据对应的模型文件，选择对应的实验名称，从而调整坐标轴的刻度；

步骤C：输入转速(或温度)设定值，点击开始键；依据当前使用的算法，经计算转化成对应PWM值，通过驱动模块控制电机转动或者加热铜块温度上升；

步骤D：将当前数据通过USB通信接口模块传输到上位机软件，在显示框中实时绘制速度或温度曲线，给定不同的负载得到不同的曲线；

步骤E：使用保存数据功能，将采集到的数据保存在当前计算机中；以便于使用MATLAB对当前算法进行进一步的研究。