本實用新型屬于控制實驗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種便攜式計算機控制實驗系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提出一種便攜式計算機控制實驗系統(tǒng)，實驗平臺基于DSP模型設(shè)計的原理，實現(xiàn)了MATLAB/Simulink仿真環(huán)境與硬件系統(tǒng)直接對接，將MATLAB/Simulink中的模型文件直接轉(zhuǎn)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(fā)工作均在MATLAB的環(huán)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(fā)，實現(xiàn)了在一個平臺上進行模型仿真和將仿真中的算法直接應(yīng)用于控制的目的。

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

所述的控制主板，包括：USB通信模塊、DSP核心模塊、驅(qū)動模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；

所述的典型對象調(diào)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(tǒng)通過USB通信模塊連接DSP核心模塊，DSP核心模塊通過模數(shù)轉(zhuǎn)換或編碼器接口模塊連接典型對象調(diào)控裝置的信號采集裝置，DSP核心模塊通過驅(qū)動模塊連接被控裝置。

所述的上位機系統(tǒng)，采用MATLAB/Simulink仿真環(huán)境，將MATLAB/Simulink中的模型文件直接轉(zhuǎn)換成DSP核心模塊所用的可執(zhí)行代碼文件，監(jiān)控界面代碼采用MATALB GUI設(shè)計，整個開發(fā)工作均在MATLAB環(huán)境下完成。

所述的典型對象調(diào)控裝置，采用直流電機調(diào)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(zhuǎn)手輪和傳動輪；

所述的電機基座豎直設(shè)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(zhuǎn)軸穿過電機基座連接傳動輪，直流電機的轉(zhuǎn)軸設(shè)置有光電編碼盤；所述的旋轉(zhuǎn)手輪固定于電機基座的上部，且與傳動輪同側(cè)；所述的彈簧設(shè)置于固定于電機基座的上部，且與旋轉(zhuǎn)手輪同側(cè)；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(zhuǎn)手輪的凹槽，皮帶一端固定于旋轉(zhuǎn)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(qū)動模塊。

所述的典型對象調(diào)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(fēng)扇；

所述的熱絕緣基座上端設(shè)置有凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)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(nèi)，所述的加熱銅塊側(cè)面設(shè)置有孔，熱電阻放置于所述孔內(nèi)；所述的變速風(fēng)扇放置于熱絕緣基座一側(cè)，且面向加熱銅塊；所述熱電阻的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，加熱墊片的輸入端連接驅(qū)動模塊。

所述的彈簧，其阻尼系數(shù)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(diào)速裝置，還包括絕緣基座，絕緣基座上端設(shè)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(fēng)扇，其通過變電阻調(diào)節(jié)風(fēng)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。

本實用新型優(yōu)點：

本實用新型提出一種便攜式計算機控制實驗系統(tǒng)，選擇的系統(tǒng)被控對象特點顯明，與國內(nèi)現(xiàn)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(qū)動，符合便捷、安全的原則；利用MATLAB/Simulink即可以進行控制系統(tǒng)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(zhuǎn)化成實際系統(tǒng)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(fā)工作均在同一工作環(huán)境下完成，避免了跨平臺開發(fā)；充分利用了MATLAB環(huán)境中豐富的軟件資源；USB通信接口技術(shù)，將采集的數(shù)據(jù)實時、連續(xù)地傳輸?shù)缴衔粰C中；在1M/s的采樣速率下，可以實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與上位機的連續(xù)、無丟失實時通信；被控對象與控制器均采用小巧設(shè)計理念，整個實驗系統(tǒng)放置專門的手提式設(shè)備箱中，實現(xiàn)實驗場所便利化；

直流電機調(diào)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(zhì)量大，防止電機轉(zhuǎn)動過程產(chǎn)生抖動；測速光電編碼盤為轉(zhuǎn)速檢測模塊，將直流伺服電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖，操作簡單，計數(shù)精準(zhǔn)；柔性彈簧作為負載，通過旋轉(zhuǎn)手輪調(diào)節(jié)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(xiàn)象明顯，典型特征突出；熱絕緣基座采用低熱導(dǎo)材料制成，減小了環(huán)境對實驗的影響；使用直流變速小風(fēng)扇，既可提供溫度擾動亦便于實驗結(jié)束冷卻銅塊。

附圖說明

圖1為本實用新型一種實施方式的便攜式計算機控制實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本實用新型一種實施方式的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本實用新型一種實施方式的直流電機調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型一種實施方式的直流電機調(diào)速裝置和溫度加熱控制裝置組合主視圖；

圖5為本實用新型一種實施方式的直流電機調(diào)速裝置和溫度加熱控制裝置組合俯視圖；

圖6為本實用新型一種實施方式的直流電機調(diào)速裝置中單神經(jīng)元模塊示意圖；

圖7為本實用新型一種實施方式的直流電機調(diào)速裝置中單神經(jīng)元PID模型文件圖；

圖8為本實用新型一種實施方式的溫度加熱控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本實用新型一種實施方式的溫度加熱控制裝置中Smith算法模塊圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型一種實施例做進一步說明。

本實用新型實施例中，如圖1所示，便攜式計算機控制實驗系統(tǒng)，包括典型對象調(diào)控裝置、控制主板和上位機系統(tǒng)，且所述的典型對象調(diào)控裝置和控制主板放置于可攜帶的箱體內(nèi)部；所述典型對象調(diào)控裝置采用直流電機調(diào)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(diào)節(jié)裝置(彈黃負載或變速風(fēng)扇)；

本實用新型實施例中，所述控制主板是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理中心，包括DSP核心模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(A/D)和USB通信接口模塊、脈沖寬度調(diào)制(PWM)驅(qū)動模塊；控制主板用于控制量的計算、電機轉(zhuǎn)速的脈沖計數(shù)采集(光電編碼盤將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的脈沖數(shù))、加熱銅塊的溫度值的A/D數(shù)據(jù)采集和與上位機系統(tǒng)的高速實時通信；

本實用新型實施例中，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(shè)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(zhuǎn)串口的數(shù)據(jù)線，方便的同時節(jié)省成本。芯片的工作時鐘為12M，將采集的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)中；在模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字值，然后傳遞給上位機系統(tǒng)，實時顯示當(dāng)前溫度值；在脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路中，選用典型直流電機驅(qū)動芯片L298N，其自帶4路PWM輸入，其中2路用于控制電機的轉(zhuǎn)動，2路用于控制加熱墊片的升溫。

本實用新型實施例中，所述上位機系統(tǒng)包括計算機和應(yīng)用軟件，使用MATLAB GUI編寫監(jiān)控界面用于進行轉(zhuǎn)速、溫度的設(shè)定，以及電機運行狀況和銅塊溫度變化情況的實時監(jiān)控；另一方面，可以應(yīng)用MATLAB/Simulink軟件完成對控制系統(tǒng)的模型仿真，利用Embedded Code工具箱，將MATLAB/Simulink中的模型文件直接轉(zhuǎn)換成DSP所用的代碼文件，直接應(yīng)用于系統(tǒng)的實時控制。

本實用新型實施例中，直流電機在驅(qū)動模塊輸出的電壓作用下平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度由光電編碼盤轉(zhuǎn)化成對應(yīng)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(shù)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(diào)節(jié)；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將熱電阻傳感器送來的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)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(qū)動模塊，由驅(qū)動模塊輸出驅(qū)動直流電機旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)信息傳送給USB通信接口模塊，由USB通信接口模塊將實時數(shù)據(jù)高速通信給上位機系統(tǒng)。

本實用新型實施例中，所述的典型對象調(diào)控裝置，采用直流電機調(diào)速裝置和溫度加熱控制裝置；

(1)以直流電機調(diào)速裝置為例，進行闡述：

本實用新型實施例中，如圖3所示，直流電機調(diào)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(zhì)量足夠，避免了電機轉(zhuǎn)動過程中帶來的抖動影響)、阻尼系數(shù)為0.2～0.8N.s/m的柔性彈黃5、皮帶6、旋轉(zhuǎn)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(diào)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)；

本實用新型實施例中，電機基座3豎直設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸設(shè)置有光電編碼盤2；所述的旋轉(zhuǎn)手輪7固定于電機基座3的上部，且與傳動輪8同側(cè)；手動旋輪7通過銅質(zhì)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(zhuǎn)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(qū)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(shè)備箱；

本實用新型實施例中，在實驗過程中通過調(diào)節(jié)手動旋輪7給定電機負載，轉(zhuǎn)動旋輪，最多轉(zhuǎn)動450度；改變皮帶的松緊，從而改變負載的大??；使用阻尼系數(shù)0.2～0.8N.s/m柔性彈簧消除抖動同時避免因負載過大導(dǎo)致電機堵轉(zhuǎn)造成的損害。

本實用新型實施例中，采用神經(jīng)元PID控制算法對直流電機進行調(diào)速，在MATLAB/Smiulink環(huán)境下利用工具箱，根據(jù)電機模型，搭建單神經(jīng)元PID仿真模塊圖，具體模塊圖如圖6所示；依據(jù)仿真曲線調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，得到理想仿真參數(shù)；根據(jù)模型設(shè)計的原理，使用Embedded Code工具箱搭建DSP外圍模型圖，如圖7所示；將搭建好的仿真圖封裝成子模塊，嵌入到模塊圖中；將完整的模型圖轉(zhuǎn)化成代碼下載到目標(biāo)板中。

(2)以溫度加熱控制裝置為例，進行闡述：

本實用新型實施例中，如圖8和圖5所示，溫度加熱控制裝置，具體包括：PWM驅(qū)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(fēng)扇16和絕緣基座10；

本實用新型實施例中，熱絕緣基座使用新型復(fù)合材料制成，減小了熱量的散失，克服了環(huán)境因素的干擾；

本實用新型實施例中，所述的熱絕緣基座上端設(shè)置有凹槽(尺寸與加熱墊片相同)，凹槽內(nèi)設(shè)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(nèi)(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(xiàn)象明顯)，所述的加熱銅塊側(cè)面設(shè)置有孔，熱電阻放置于所述孔內(nèi)；所述的變速風(fēng)扇放置于熱絕緣基座一側(cè)，且面向加熱銅塊；所述熱電阻的輸出端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，加熱墊片的輸入端連接驅(qū)動模塊，絕緣基座上表面右側(cè)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(fēng)扇，其通過變電阻調(diào)節(jié)風(fēng)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；

本實用新型實施例中，采用Smith溫度控制算法對加熱銅塊進行控制，在MATLAB/Smiulink環(huán)境下利用工具箱，利用加熱銅塊模型，根據(jù)Smith原理，搭建溫度Smith仿真模塊圖，依據(jù)仿真曲線調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，得到理想仿真參數(shù)；根據(jù)模型設(shè)計的原理，使用Embedded Code工具箱搭建DSP外圍模型圖；將搭建好的仿真圖封裝成子模塊，子模塊如圖9所示，嵌入到模塊圖中；將完整的模型圖轉(zhuǎn)化成代碼下載到目標(biāo)板中。

本實用新型實施例中，使用上位機軟件進行狀態(tài)監(jiān)測，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；依據(jù)對應(yīng)的模型文件，選擇對應(yīng)的實驗名稱，從而調(diào)整坐標(biāo)軸的刻度；輸入轉(zhuǎn)速(或溫度)設(shè)定值，點擊開始鍵；依據(jù)當(dāng)前使用的算法，經(jīng)計算轉(zhuǎn)化成對應(yīng)PWM值，通過驅(qū)動模塊控制電機轉(zhuǎn)動或者加熱銅塊溫度上升；將當(dāng)前數(shù)據(jù)通過USB通信接口模塊傳輸?shù)缴衔粰C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；使用保存數(shù)據(jù)功能，將采集到的數(shù)據(jù)保存在當(dāng)前計算機中；以便于使用MATLAB對當(dāng)前算法進行進一步的研究。