本發明屬于控制實驗技術領域，具體涉及一種便攜式計算機控制實驗系統。

背景技術：

在自動控制理論的學習與研究中，仿真和實驗占據重要的地位。目前自動控制原理實驗系統主要分兩種類型：一種是基于DCS或PLC的實驗系統，這種系統功能強大、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的實驗系統，這種實驗系統價格相對便宜、使用方便，然而以上兩種實驗系統要么存在價格昂貴、體積笨重的缺點；要么需要開發人員進行二次編程，導致了這種實驗系統在控制對象的建模與控制算法研究方面存在算法編寫復雜和實驗場所便捷性差的嚴重不足。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提出一種便攜式計算機控制實驗系統，實驗平臺基于DSP模型設計的原理，實現了MATLAB/Simulink仿真環境與硬件系統直接對接，將MATLAB/Simulink中的模型文件直接轉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編寫上位機界面代碼，使整個開發工作均在MATLAB的環境下完成，提高編程的便利化，無論是控制代碼還是上位機界面均是在matlab下完成，不需要跨平臺開發，實現了在一個平臺上進行模型仿真和將仿真中的算法直接應用于控制的目的。

一種便攜式計算機控制實驗系統，包括典型對象調控裝置、控制主板和上位機系統，且所述的典型對象調控裝置和控制主板放置于可攜帶的箱體內部；

所述的控制主板，包括：USB通信模塊、DSP核心模塊、驅動模塊和模數轉換模塊；

所述的典型對象調控裝置，包括：被控裝置、用于采集被控裝置輸出信號的信號采集裝置和用于干擾被控裝置輸出信號的負載裝置；

所述的上位機系統通過USB通信模塊連接DSP核心模塊，DSP核心模塊通過模數轉換或編碼器接口模塊連接典型對象調控裝置的信號采集裝置，DSP核心模塊通過驅動模塊連接被控裝置。

所述的上位機系統，采用MATLAB/Simulink仿真環境，將MATLAB/Simulink中的模型文件直接轉換成DSP核心模塊所用的可執行代碼文件，監控界面代碼采用MATALB GUI設計，整個開發工作均在MATLAB環境下完成。

所述的典型對象調控裝置，采用直流電機調速裝置，具體包括：直流電機、光電編碼盤、電機基座、電機底座、彈簧、皮帶、旋轉手輪和傳動輪；

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

所述的典型對象調控裝置，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扇；

所述的熱絕緣基座上端設置有凹槽，凹槽內設置有加熱墊片，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，所述的加熱銅塊側面設置有孔，熱電阻放置于所述孔內；所述的變速風扇放置于熱絕緣基座一側，且面向加熱銅塊；所述熱電阻的輸出端連接模數轉換模塊，加熱墊片的輸入端連接驅動模塊。

所述的彈簧，其阻尼系數為0.2～0.8N.s/m。

所述的電機基座采用鋁制成，所述的電機底座采用鋼制成。

所述的直流電機調速裝置，還包括絕緣基座，絕緣基座上端設置有用于固定電機底座的磁鐵。

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。

所述的變速風扇，其通過變電阻調節風速，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。

本發明優點：

本發明提出一種便攜式計算機控制實驗系統，選擇的系統被控對象特點顯明，與國內現行計算機控制教材重點實驗相契合，體積、尺寸合理，均為直流驅動，符合便捷、安全的原則；利用MATLAB/Simulink即可以進行控制系統中建模與控制算法的仿真研究，也可以將仿真驗證后的控制代碼直接用于轉化成實際系統的控制代碼，無需二次編程，為控制算法的研究工作提供了極大便利，上位機軟件亦采用MATLAB進行編寫，使得整個開發工作均在同一工作環境下完成，避免了跨平臺開發；充分利用了MATLAB環境中豐富的軟件資源；USB通信接口技術，將采集的數據實時、連續地傳輸到上位機中；在1M/s的采樣速率下，可以實現采集數據與上位機的連續、無丟失實時通信；被控對象與控制器均采用小巧設計理念，整個實驗系統放置專門的手提式設備箱中，實現實驗場所便利化；

直流電機調速裝置，采用立式電機基座作為固定電機的裝置，外形小巧但質量大，防止電機轉動過程產生抖動；測速光電編碼盤為轉速檢測模塊，將直流伺服電機的轉速轉換成脈沖，操作簡單，計數精準；柔性彈簧作為負載，通過旋轉手輪調節負載，負載給定方便易操作；

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，使得滯后現象明顯，典型特征突出；熱絕緣基座采用低熱導材料制成，減小了環境對實驗的影響；使用直流變速小風扇，既可提供溫度擾動亦便于實驗結束冷卻銅塊。

附圖說明

圖1為本發明一種實施方式的便攜式計算機控制實驗系統結構框圖；

圖2為本發明一種實施方式的電路結構圖；

圖3為本發明一種實施方式的直流電機調速裝置結構示意圖；

圖4為本發明一種實施方式的直流電機調速裝置和溫度加熱控制裝置組合主視圖；

圖5為本發明一種實施方式的直流電機調速裝置和溫度加熱控制裝置組合俯視圖；

圖6為本發明一種實施方式的直流電機調速裝置中單神經元PID調速過程流程圖；

圖7為本發明一種實施方式的直流電機調速裝置中單神經元模塊示意圖；

圖8為本發明一種實施方式的直流電機調速裝置中單神經元PID模型文件圖；

圖9為本發明一種實施方式的溫度加熱控制裝置結構示意圖；

圖10為本發明一種實施方式的溫度加熱控制裝置中Smith調溫過程流程圖；

圖11為本發明一種實施方式的溫度加熱控制裝置中Smith算法模塊圖；

圖12為本發明一種實施方式的上位機軟件操作流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明一種實施例做進一步說明。

本發明實施例中，如圖1所示，便攜式計算機控制實驗系統，包括典型對象調控裝置、控制主板和上位機系統，且所述的典型對象調控裝置和控制主板放置于可攜帶的箱體內部；所述典型對象調控裝置采用直流電機調速裝置和溫度加熱控制裝置；包括：被控裝置(直流電機或加熱銅塊)、用于采集被控裝置輸出信號的信號采集裝置(光電編碼盤或熱電阻)和用于干擾被控裝置輸出信號的調節裝置(彈黃負載或變速風扇)；

本發明實施例中，所述控制主板是系統的數據采集與處理中心，包括DSP核心模塊、模數轉換模塊(A/D)和USB通信接口模塊、脈沖寬度調制(PWM)驅動模塊；控制主板用于控制量的計算、電機轉速的脈沖計數采集(光電編碼盤將轉速轉換成對應的脈沖數)、加熱銅塊的溫度值的A/D數據采集和與上位機系統的高速實時通信；

本發明實施例中，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，同時通過該接口傳輸上位機設定的指令；在USB通信電路中，采用CH340系列的USB通信芯片，不再需要USB轉串口的數據線，方便的同時節省成本。芯片的工作時鐘為12M，將采集的數據實時傳輸到上位機系統中；在模數轉換電路中，利用DSP自身的ADC引腳，外加ADC保護電路，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換成數字值，然后傳遞給上位機系統，實時顯示當前溫度值；在脈沖寬度調制(PWM)電路中，選用典型直流電機驅動芯片L298N，其自帶4路PWM輸入，其中2路用于控制電機的轉動，2路用于控制加熱墊片的升溫。

本發明實施例中，所述上位機系統包括計算機和應用軟件，使用MATLAB GUI編寫監控界面用于進行轉速、溫度的設定，以及電機運行狀況和銅塊溫度變化情況的實時監控；另一方面，可以應用MATLAB/Simulink軟件完成對控制系統的模型仿真，利用Embedded Code工具箱，將MATLAB/Simulink中的模型文件直接轉換成DSP所用的代碼文件，直接應用于系統的實時控制。

本發明實施例中，直流電機在驅動模塊輸出的電壓作用下平穩旋轉，其旋轉速度由光電編碼盤轉化成對應的脈沖，送給控制主板中的編碼器接口，其中電機的負載由阻尼系數0.2～0.8N.s/m的柔性彈簧提供，其負載大小通過旋輪進行調節；模數轉換模塊將熱電阻傳感器送來的電壓信號轉換成數字信號，送給DSP核心模塊；DSP核心模塊一方面進行控制算法運算，輸出的PWM控制信號，作用于驅動模塊，由驅動模塊輸出驅動直流電機旋轉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據信息傳送給USB通信接口模塊，由USB通信接口模塊將實時數據高速通信給上位機系統。

本發明實施例中，所述的典型對象調控裝置，采用直流電機調速裝置和溫度加熱控制裝置；

(1)以直流電機調速裝置為例，進行闡述：

本發明實施例中，如圖3所示，直流電機調速裝置包括：直流電機1、光電編碼盤2、50系列鋁材切割而成的電機基座3、Q345系鋼材切割而成的電機底座4(保證了基座尺寸合理的同時質量足夠，避免了電機轉動過程中帶來的抖動影響)、阻尼系數為0.2～0.8N.s/m的柔性彈黃5、皮帶6、旋轉手輪7、傳動輪8和絕緣基座9(如圖4和圖5所示，直流電機調速裝置的絕緣基座與溫度加熱控制裝置放置在同一個絕緣基座，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)；

本發明實施例中，電機基座3豎直設置于電機底座4的上端(可拆卸)，直流電機1固定在電機基座2下部通孔中，過孔尺寸與電機直徑相互契合，直流電機1的轉軸穿過電機基座2連接傳動輪8(通過塑料榫卯固定連接)，直流電機1的轉軸設置有光電編碼盤2；所述的旋轉手輪7固定于電機基座3的上部，且與傳動輪8同側；手動旋輪7通過銅質螺柱固定到電機基座3上部，皮帶6一端固定在手動旋輪7上，繞過傳動輪8與彈簧5相連，彈簧5固定孔高度與旋轉手輪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，直流電機的輸入端連接驅動模塊，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1裝置，方便隨時卸載裝入設備箱；

本發明實施例中，在實驗過程中通過調節手動旋輪7給定電機負載，轉動旋輪，最多轉動450度；改變皮帶的松緊，從而改變負載的大小；使用阻尼系數0.2～0.8N.s/m柔性彈簧消除抖動同時避免因負載過大導致電機堵轉造成的損害。

本發明實施例中，如圖6所示，所述神經元PID控制算法對直流電機進行調速，包括如下步驟：

步驟1：確定單神經元PID控制學習算法公式；

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、微分的學習速率，e(k)是偏差；

步驟2：在MATLAB/Smiulink環境下利用工具箱，根據電機模型，搭建單神經元PID仿真模塊圖，具體模塊圖如圖7所示；依據仿真曲線調節相應的參數，得到理想仿真參數；

步驟3：根據模型設計的原理，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：將完整的模型圖轉化成代碼下載到目標板中。

(2)以溫度加熱控制裝置為例，進行闡述：

本發明實施例中，如圖9和圖5所示，溫度加熱控制裝置，具體包括：PWM驅動型加熱墊片11、加熱銅塊12、熱電阻13、熱絕緣擋板14、熱絕緣基座15、變速風扇16和絕緣基座10；

本發明實施例中，熱絕緣基座使用新型復合材料制成，減小了熱量的散失，克服了環境因素的干擾；

本發明實施例中，所述的熱絕緣基座上端設置有凹槽(尺寸與加熱墊片相同)，凹槽內設置有加熱墊片，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(減小了熱量的散失，采用豎直放置的方式使溫度上升時間合理，滯后現象明顯)，所述的加熱銅塊側面設置有孔，熱電阻放置于所述孔內；所述的變速風扇放置于熱絕緣基座一側，且面向加熱銅塊；所述熱電阻的輸出端連接模數轉換模塊，加熱墊片的輸入端連接驅動模塊，絕緣基座上表面右側開兩個間距為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；所述的變速風扇，其通過變電阻調節風速，且變電阻與DSP核心模塊集成為一體，改變干擾量的大小，操作簡單高效；

本發明實施例中，如圖10所示，所述Smith溫度控制算法對加熱銅塊進行控制，包括如下步驟：

步驟a：在MATLAB/Smiulink環境下利用工具箱，利用加熱銅塊模型，根據Smith原理，搭建溫度Smith仿真模塊圖，依據仿真曲線調節相應的參數，得到理想仿真參數；

步驟b：根據模型設計的原理，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：將完整的模型圖轉化成代碼下載到目標板中。

本發明實施例中，使用上位機軟件進行狀態監測的流程如圖12所示，包括如下步驟：

步驟A：打開CCS軟件，檢測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：依據對應的模型文件，選擇對應的實驗名稱，從而調整坐標軸的刻度；

步驟C：輸入轉速(或溫度)設定值，點擊開始鍵；依據當前使用的算法，經計算轉化成對應PWM值，通過驅動模塊控制電機轉動或者加熱銅塊溫度上升；

步驟D：將當前數據通過USB通信接口模塊傳輸到上位機軟件，在顯示框中實時繪制速度或溫度曲線，給定不同的負載得到不同的曲線；

步驟E：使用保存數據功能，將采集到的數據保存在當前計算機中；以便于使用MATLAB對當前算法進行進一步的研究。