基本信息
- 项目名称：
- 基于MATLAB/Simulink的网络化控制实验系统设计与开发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 针对目前的控制实验系统存在局限性，本项目小组设计并开发了一种新型的控制实验系统，此系统弥补了现有控制实验系统中，控制软件开放程度不高、操作不够人性化、网络化实验平台的支持不足以及难于实现复杂控制算法实验等问题，具有广阔的应用前景和良好的社会效益。
- 详细介绍：
- 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，这就要求学生在学校阶段要有很好的理论设计和实际开发的训练。目前，国内外自动化专业的实验系统虽然具有各自的特点，能够满足用户的特定需求，但是目前对教学实验系统的研究和开发仍然存在一些不尽如人意的地方，主要体现在：控制实验系统缺乏一个环境开放、界面友好的软件平台；实验系统无法支持远程网络化实验形式；实验系统控制对象结构复杂度不足，无法支持科研人员对于高级复杂算法的开发研究等。 针对控制实验系统的需求，本项目完成的内容如下： 1. 对基于MATLAB/Simulink的网络化控制实验系统进行总体架构设计； 2. 设计并研发了网络化通用控制器、EasyControl控制软件平台及包括多功能过程控制实验平台和倒立摆机器人(Pendubot)实验平台在内的控制实验对象； 3. 利用上面开发的软件、控制器和被控对象，搭建了网络化的多功能过程控制实验系统和倒立摆机器人(Pendubot)实验系统，另外，连接第三方的被控对象，搭建了旋转倒立摆和球杆实验系统； 4. 在所搭建的实验系统上进行了丰富的基础实验验证，同时开展了研究性的复杂控制实验，如双容水箱的自适应解耦控制实验、倒立摆机器人基于TS模糊的最优控制实验以及旋转倒立摆的LQR最优控制实验和球杆控制实验系统的神经网络补偿控制实验。 目前，本项目已经取得了十分突出的研究成果，依托于本实验平台，项目组的成员以及老师已在多篇国际国内权威期刊发表学术论文。并且凭借着本项目对于MATLAB/Simulink软件的成功拓展与应用，其研究成果已经作为典型案例被收录于自动化专业MATLAB软件的经典教材之中。另外，在取得学术成绩的同时也带来了可观的经济效益，并且得到了相关专家学者和行业权威人士的高度认可。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的/思路：针对目前的控制实验系统存在局限性，设计开发一种新型的控制实验系统，弥补现有控制实验系统中，控制软件开放程度不高、操作不够人性化、网络化实验平台的支持不足以及难于实现复杂控制算法实验等问题。 创 新 点： (1)在软件方面，对于MATLAB/Simulink软件实时工具箱成功应用与集成，使本统具有了支持高级复杂算法仿真实验验证和硬件对象实时实验验证的能力。并且实现了被控对象虚拟现实功能，使得操作更加直观，用户界面更加友好、和人性化；(2)在控制器方面，实现了网络化控制器的设计思想，并且通过对于信号采集形式的重新界定实现了控制器的通用性；(3)在实验被控对象方面，对于传统对象的硬件结构进行了相应的改进与创新，使其不仅满足各大高等院校的教学实验工作，还达到了广大研究人员对于科研创新工作的实验要求。 技术关键：包括MATLAB/Simulink软件的快速原型技术，软件平台的实验对象的虚拟现实技术，专用网络化嵌入式控制器的研制与开发，实验被控对象的硬件设计与开发等。 技术指标：在软件方面，能够与MATLAB/Simulink软件无缝兼容，提供标准统一的支持网络化控制的软件平台。在控制器方面，本系统采用的网络化专用控制器 CPU采用主频为 600MHz超低功耗处理器；支持分辨率 12 位的6 通道单端/8 通道差分的模拟量输入，支持分辨率为 12 位的4 通道输出模拟量输出。
科学性、先进性
- 针对控制实验系统的需求，本项目首先做出了基于MATLAB/Simulink，实现仿真和实验平台一体化并支持网络化实验的总体架构设计。分别设计并研发了兼容第三方实验对象的网络化通用控制器，功能丰富，操作简洁的EasyControl软件控制平台以及包括多功能过程控制实验平台和倒立摆机器人实验平台在内的控制实验对象。 通过对本项目控制实现平台的研究与开发，对现阶段研究不足之处给予补充与完善，实现了一定程度上的技术改进与创新。主要体现在：在软件方面，对于MATLAB/Simulink软件实时工具箱和快速原型技术的成功应用与集成，并且实现了被控虚拟对象功能，使得用户界面更加友好和人性化；在控制器方面，实现了网络化控制器的设计思想，并且通过对于信号采集形式的重新界定实现了控制器的通用性；在实验被控对象方面，通过对现有产品的分析研究，对于硬件结构进行了相应的改进与创新，使其不仅满足各大高等院校的教学实验工作，还达到了广大研究人员对于科研创新工作的实验要求。
获奖情况及鉴定结果
- 项目组成员发表论文： 1.基于T-S模糊策略的欠驱动机械臂的平衡控制[J]. 控制工程.2012,01. 项目组指导教师基于本项目的产品发表论文： 1.Data based Virtual Un-modeled Dynamics Driven Multivariable Nonlinear Adaptive Switching Control[J]，IEEE Transactions on Neural Networks. （SCI & EI regular paper）, accepted. 2.基于未建模动态补偿的非线性自适应切换控制方法[J]，自动化学报.（长文，已录用） 3.The Energy Swing-up Control of Pendubot System Based on Neural Network Compensation[J]. Neural Computing and Applications (SCI 源), submitted. 项目所开发系统以作为典型案例被权威教材收录： 1.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用（第2版），清华大学出版社.2011,02:387-393.
作品所处阶段
- 本项目产品处于生产阶段，近一年多的时间内，已被多所著名高等院校购置，并产生近300万元的经济效益。
技术转让方式
- 面议
作品可展示的形式
- 实物、产品； 现场演示；图片；录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：计算机可以通过网络连接到网络化通用控制器上，并通过EasyControl软件控制平台将图形化语言搭建的控制模型下载到控制器当中并对被控对象进行实时控制。同时，被控对象的状态以及控制器中的参数都可以在EasyControl软件控制平台中进行实时的监控。由于实验网络传输过程可以不考虑距离限制，所以控制实验既可以在本地的被控对象上的进行，也可以在远程的对象上进行。 市场分析及经济效益：在国民经济快速发展的今天，对于教育科研的投入也正随着国民生产总值的不断增加而增加。在已经过去的“十一五”期间，高新技术的研发经费投入已经达到了GDP的1.8%。而在“十二五”规划纲要草案中，则提出2015年“研究与实验发展经费支出要占国内生产总值的2.2%”。由此可见，本项目所面对的科研教育市场的前景是十分广阔的。 值得一提的是，在本系统已经基本完成研发的近一年多的时间内，已有多所高等院校购置了本项目研发的产品，并产生近300万元的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 目前，国内外一些知名的公司已经针对教学设备进行广泛的研究与开发，具有代表性的包括：中国的固高科技深圳有限公司、天煌科技实业有限公司、中控科教仪器设备有限公司和求是科教设备有限公司，以及德国的dSpace公司和FESTO公司，美国的NI公司，加拿大的Quanser公司和英国的TQ公司等，它们的产品具有各自的特点，都能够满足特定的用户需求，但目前对教学实验系统的研究和开发仍然存在一些不尽如人意的地方。 在国内，针对教学科研类的实验系统大多数还仅针对于相关专业课程的验证性实验，如电路原理实验系统、模拟电子及数字电子实验箱、电力电子实验系统、自动控制原理实验台、电机原理及拖动实验台等。这类实验系统的目标是对于课程中的经典理论进行验证，有助于加深学生对所学知识的理解与掌握。但是由于其属于验证性实验平台，在硬件上的约束使其无法发挥学生的创新能力和激发学生进行科研探索的兴趣，并且由于大多数实验系统软件平台的约束，使其无法支持用户进行高级复杂方法的研究。 在国外，现有的产品能够与MATLAB/Simulink或者Labview实现很好的结合，通过直观的框图结果即可实现控制实验，通过提供的实验范例能够实现较好的实验结果。但现有产品的结构都相对比较简单，非线性和耦合性相对较弱，这样也就限制了一些有特性需要的用户对于高级复杂算法的实验要求。另外，虽然这些产品的软件系统通过与上述软件的结合实现了高效率的模块化程序编写，但其软件界面过于单调且不友好，并且对于实验对象的状态仅能通过实时曲线进行观测，不符合人性化的设计思想。 除此之外，几乎所有实验系统控制器均采用计算机拓展板卡的形式，这类控制器不但不具备网络化研究的硬件条件，而且约束了被实验对象和上位机之间必须遵守“一机一卡”的形式，这也就限制了用户使用的灵活性，增加了用户的实验成本。基于以上所叙述的问题，我们设计与开发了本套控制实验系统，并为了更加广泛的听取来自自动化教育科研领域专家学者的宝贵意见，我们积极地参加了多个相关的展览会，如2011年7月在山东省济南市举办的第八届智能控制与自动化世界大会(WCICA)，2010年7月北京举办的第29届中国控制会议（CCC）等，在展会上，很多高校和企业的任课教师和研究技术人员在了解本系统后，均对其给予了高度评价，认为其无论在外观精致度还是对复杂算法研究方面都在国内外处于领先水平。
