[发明专利]可视化的快速设计与验证控制教学实验系统

说明书

技术领域

本发明属于自动化相关专业教学实验技术领域，涉及一种可视化的快速设计与验证控制教学实验系统。

背景技术

本实验系统是为控制类专业、机器人专业以及机电一体化等相关工科专业研究开发的一套教学实验系统。在中国高等教育中，自动化专业是一个融合了控制理论与技术、机械设计、电子设计、软件工程为一体的综合性学科。当今，社会需求的自动化专业的人才要求有扎实的理论基础，较强的实际动手能力，这就需要学生在学校阶段要有很好的理论设计和实际开发的训练。而目前，国内外的自动化专业的教学实验系统很难满足以上需求，一个重要的原因就是教学实验系统的落后。

国内现有的自动化教学产品参差不齐，功能较单一且技术较落后，不能很好地将最新的控制技术、计算机技术、软件技术等融入到教学产品中。针对于这种情况，国内很多高校都开始引进了国外较先进的实验系统。这样虽然设备都比较先进了，但是往往这些系统不符合中国自动化学科教学实际情况(在国外是没有自动化专业的，所谓的自动化专业都是隶属于某一特定学科的，如机械、化工等，而中国的自动化学科是一个独立的专业)，很难满足本科生和研究生的实验教学需求。此外由于这些系统一般都比较昂贵，所以通常变成了只有少数研究生才可以使用的“贵重固定资产”。目前国内外比较著名的自动化教学产品系统主要有加拿大Quanser系统、美国的ECP系统和英国的Feedback系统，国内的有深圳固高科技以等。但是这些系统都不符合中国自动化学科的需求，不能很好地贴近中国自动化学科的实际教学，只能完成某些固定的实验或者用于理论研究，仍然不能很好地将机械、电子与控制相融合。如Quanser系统、ECP系统等，在国外广泛应用于机械学院的控制专业，这些专业通常有较好的机械设计基础，可以对其机械以及控制进行研究学习，因此很适合于该专业。而国内很多学校将其买过来用于控制教学，则只能完成某些控制算法的研究，而不能对其机械、电子等技术进行研究，在一定程度上浪费了资源。这主要有两个方面的原因：一是国内高校使用不当，第二个重要的问题就是这些教学产品在设计的时候没有考虑到中国的自动化实际情况，产品的各个环节的联系不够紧密，不能将控制器设计、机械设计、电子设计、软件开发集成到一个教学实验系统中并且密切结合自动化教学的实际课程，这是目前现有教学产品共同存在的问题。

一般来讲，传统的涉及到控制器设计、机械设计、电子设计和软件设计的控制系统的开发主要流程由如下几个阶段组成：

(1)机械设计阶段：在传统的机电一体化系统设计过程中，学生要首先使用3D机械设计软件(如Solidworks、Pro/E等)设计出被控对象的机械结构，然后再利用机械运动学和动力学仿真软件(如ADAMS)，利用脚本语言编写控制命令来进行仿真分析。如果结果可行，则可以进行机械加工。

(2)控制算法设计阶段：如果第一步的仿真结果可行，则开始研究系统的控制模型建立。这一部分通常要根据系统的物理特性来建立被控对象的控制模型，然后利用仿真分析软件(如Matlab/Simulink、LabView等)根据所建立的数学模型进行数值仿真，并通过数据进行控制效果分析，如果仿真结果满意则控制器设计结束。

(3)控制器硬件设计阶段：这一阶段主要是根据控制算法的实时性以及复杂程度来设计实际控制系统，如选用单片机或者其他高性能处理器等。

(4)系统整体调试阶段：当机械样品生产完成后，连接实际控制系统进行整机调试，学生往往需要重新将仿真用的控制算法(如Matlab/Simulink、LabView等编写的)变成硬件可执行的代码(如C代码)来进行实际系统控制，并利用源代码进行控制算法调试。

以上4个阶段基本上完成了传统的机电一体化设计与开发。但是，实际设计中如果发现上述的某一步设计存在问题，则会造成很多重复性的工作。比如，如果机械设计有问题，则会导致第二步的数学模型需要重新建立，需要重新做控制器仿真实验并且实际控制算法的程序也需要重新编写。此外，以上四个步骤涉及了机械、控制、电子、软件等好几个学科的知识，学生很难在短时间内掌握如此多的软件技能(如Solidworks，ADAMS，Simulink，C/C++)。由于存在以上原因，因此在目前的高等学校教学系统中还没有能提供如此综合的实验教学系统。然而，以上四步的技能又恰恰是社会对自动化学科复合型人才的基本需求。

总的来讲，目前教学实验系统存在的主要问题有：