[发明专利]可视化的快速设计与验证控制教学实验系统

权利要求书

1、一种可视化的快速设计与验证控制教学实验系统，其特征在于该系统由机电联合仿真系统和控制系统快速成型与验证系统组成，所述的机电联合仿真系统，包括机械设计子系统、3D可视化仿真子系统、实验解决方案子系统和集成开发环境子系统，其中3D可视化仿真子系统包括；

a、3D视觉渲染引擎模块，利用渲染引擎为虚拟被控对象建立3D的视觉渲染模型；

b、物理引擎模块，利用物理引擎为虚拟被控对象建立精确的物理计算模型；

c、模型在线编辑模块，实现仿真模型的实时编辑和参数修改；

集成开发环境子系统包括：

a、代码编辑器模块，进行代码的编写、编译、调试以及智能纠错；

b、基本数学库模块，提供了基本的数学函数的API函数；

c、控制算法库模块，提供了控制算法，包括PID算法，LQR算法，神经网络控制算法；

d、代码化通讯接口模块，提供代码化的与虚拟3D被控对象进行通讯的仿真驱动接口和与实际被控对象的硬件系统进行通讯的实时驱动接口；

实验解决方案子系统包括：

a、可扩展的实验案例模块，提供了自动化专业的基本课程的实验案例，包括了自动控制原理、现代控制理论和计算机控制系统课程；

b、算法开发模版模块，在此模版上进行修改或者重建来建立控制算法；

c、控制工具箱模块，提供可扩展的控制算法工具，包括模糊控制工具箱和神经网络控制工具箱；

d、图形化通讯接口模块，提供图形化的与虚拟3D被控对象进行通讯的仿真驱动接口和与实际被控对象的硬件系统进行通讯的实时驱动接口；

所述的控制系统快速成型与验证系统，包括运动控制子系统、实验解决方案子系统和集成开发环境子系统；

所述的运动控制子系统有两种实现方式：第一种实现方式包括PC、数据采集卡、放大/驱动电路、采样电路和被控对象系统，其中PC机的功能为监控和控制算法执行；第二种实现方式包括PC、嵌入式控制器、放大/驱动电路、采样电路和被控对象系统，其中PC机功能为监控控制过程，而嵌入式控制器执行实时控制算法；采用第一种方式的时候，所有的控制程序都是运行在PC机上的，其控制系统的实时性有基于PC机的实时控制内核来保证，而采用第二种方式的时候，在PC机上利用图形化编程环境建立控制算法然后自动生成实时代码并进行编译、连接，然后下载到嵌入式控制中运行。

2、按照权利要求1所述的一种可视化的快速设计与验证控制教学实验系统，其特征在于该教学实验系统的过程如下：首先利用机械设计子系统建立3D模型，然后导入到3D可视化仿真子系统并生成物理模型，接下来在集成开发环境子系统选择图形化的编程环境还是高级语言编程环境，如果是高级语言，则利用所提供的基本数学库模块和控制算法库模块进行控制器设计，如果是图形化编程环境，则利用控制工具箱模块完成控制器的设计；在控制器设计完成之后，在实验解决方案子系统选择实验方式，如果是虚拟对象仿真实验，则选择图形化通讯接口模块的仿真驱动接口进行虚拟仿真实验，通过调节控制器参数来观察控制效果；如果是实物对象实验，则将仿真驱动接口替换成实时驱动接口进行实物实验，进行代码自动下载并实时控制来观察控制效果；如果效果不满意，则修改控制器并调节参数，直到获得满意控制效果，实验结束为止。

3、按照权利要求1所述的一种可视化的快速设计与验证控制教学实验系统，其特征在于所述的机电联合仿真系统的工作流程如下：

步骤一：

机械设计软件环境中建立实验对象的视觉模型，存储为标准渲染模型文件；

步骤二：

3D仿真环境子系统根据渲染模型文件生成精确的物理模型用于物理引擎的动力学运算，并渲染其视觉模型；

步骤三：

通过3D可视化仿真环境子系统的物理引擎和渲染引擎的访问接口来调整虚拟样机的相关参数，使其物理特性与实物样机的一致；

步骤四：

设计仿真对象的仿真驱动接口模块实现与3D可视化仿真的虚拟被控对象连接；

步骤五：

设计控制器，并利用图形化编程语言或者高级语言编写控制算法，对整个机电系统进行联合仿真，在线调整控制器参数，并在3D环境中直观感受控制效果。

4、按照权利要求1所述的一种可视化的快速设计与验证控制教学实验系统，其特征在于所述的控制系统快速成型与验证系统的工作流程如下：

步骤一：

首先进行实验分析，根据实验需求选择实验解决方案或自定义实验算法；

步骤二：

根据实验方案进行算法设计，并在集成开发环境子系统或者实验解决方案子系统中以图形模块或代码搭建实验算法，并进行实时驱动接口系统连接和设置；

步骤三：

连接运动控制系统和实物被控对象，进行实验验证，监控并存储实验数据和曲线，对不理想的实验结果进行分析，并进一步通过在线调整控制器设计或调节控制参数；

步骤四：

确定控制系统，定型机械系统和控制系统。