計算機控制系統實驗教學平臺研究

李 建 寧

(杭州電子科技大學 自動化學院，浙江 杭州 310018)

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·實驗教學與創新·

計算機控制系統實驗教學平臺研究

李 建 寧

(杭州電子科技大學 自動化學院，浙江 杭州 310018)

為滿足“計算機控制系統”的課程實驗教學環節，基于Matlab/Simulink、WinCon和加拿大Quanser公司的力反饋控制產品Phantom omni和Novint Falcon搭建了雙邊遙操作系統實驗平臺。基于魯棒控制、網絡化控制系統的相關理論，采用線性矩陣不等式技術設計了系統的魯棒控制器，使得閉環系統的誤差動態漸近穩定?；陔p邊遙操作系統的計算機控制系統實驗平臺是計算機軟件平臺與硬件平臺的統一體，學生借助該平臺，不僅能進行控制算法的驗證，而且可以感受到計算機與外部執行設備的互動關系，加深了學生對計算機控制系統應用領域的了解，鞏固了學生對控制理論知識的理解。

實驗教學； 計算機控制； 雙邊遙操作； 實驗平臺

0 引 言

“計算機控制系統”課重點介紹輸入/輸出接口與過程通道技術、控制算法及整體系統的基本組成和工作機理[1]。該課程存在概念抽象、數學理論比較強、理解困難等特性[2]，而傳統的計算機控制系統實驗多基于系統仿真實現，學生無法直觀體驗真實對象的運動狀態，難以體會計算機控制系統這門課的核心思想。因此，傳統的實驗仿真教學手段和方法已不能滿足計算機控制系統課程的發展要求。需要在理論教學的基礎上，應用具體的實驗平臺來幫助學生進一步加深理解計算機如何與實際對象產生互動，控制理論如何在計算機控制系統中得以實現。故實驗平臺的搭建與使用關系到學生對“計算機控制系統”的理解和應用。

雙邊遙操作系統作為一種典型的計算機控制系統，系統地從端由計算機直接控制，負責接收主端操作員的相關指令，并生成相應的控制算法，驅動從端跟蹤主端的運行方式，同時將環境力信息反饋回主端計算機，使操作者具有臨場感。目前，雙邊遙操作系統已成為太空及海底探索、遠程醫療、危險環境管理等方向的研究熱點[3-8]。

本文將雙邊遙操作系統應用到計算機控制系統課程的實驗教學中，利用Matlab/Simulink、WinCon、Phantom Omni及Novint Falcon構造實驗平臺，便于學生更直觀地理解計算機控制系統理論，通過具體操作，增強學習的主動性，提高創新能力。

1 雙邊遙操作系統實驗平臺的總體結構

綜合考慮實驗效果和成本因素，雙邊遙操作系統平臺由軟件平臺和硬件平臺組成。其總體結構系統框圖如圖1所示。

圖1 雙邊遙操作系統實驗平臺結構

該實驗平臺包含的主要硬件設備有：計算機，系統主端Phantom Omni(見圖2左)，系統從端Novint Falcon(見圖2右)，微型壓力傳感器(見圖3)，MultiQ系列Q8多功能運動板卡；軟件主要應用Matlab/Simulink、WinCon平臺。操作員操縱主端運行，其操作信息通過A/D轉換器到達計算機，計算機根據預先設計的控制算法，將其轉化為驅動信號來驅動從端，使從端在期望環境中重復操作員的動作。當從端在所處環境中遇到未知環境力時，相應環境力信息也會反饋回計算機，計算機擬合其相應大小并傳輸至主端，主端將擬合的環境力傳遞給操作員，使得操作員具有臨場感。

圖2 主端及從端

圖3 微型壓力傳感器

2 計算機硬件及軟件平臺規劃

2.1 硬件平臺

硬件平臺主要包括壓力傳感器，主要用來檢測主端的接觸力和從端的環境力，執行器包含在Phantom Omni和Novint Falcon內部，用來驅動設備運行，主端和從端以及計算機之間通過Q8板卡連接。 Q8多功能運動控制板卡包括8路12位可同時輸出的D/A轉換和8路14位的A/D轉換器，可用于采集接觸力信號，其硬件結構框圖如圖4所示。

圖4 硬件結構框圖

2.2 軟件平臺

計算機軟件平臺是計算機控制系統實驗平臺的重要組成部分，用軟件將計算機控制系統的硬件部分連接為統一體。

Matlab/Simulink是目前廣泛使用的科學工程計算軟件，由美國Math Works公司推出，主要可用于算法開發、數據分析、數值計算等功能，其優勢在于建立的仿真框圖無需大量的程序代碼就可以實現系統的綜合分析，把復雜的仿真實現過程變得清晰簡單[9-10]。因此，基于Matlab的軟件平臺是遙操作系統實驗平臺建設的重要基石。

WinCon是在Windows環境下實現實時控制的應用程序，可以內嵌與Simulink，當WinCon軟件安裝后，Simulink會出現Quanser Toolbox工具箱，這個工具箱中存在Q8板卡支持的各種類型模塊，包括模擬量輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊、PWM輸出模塊和編碼輸入模塊，從而可以向Q8板卡發送命令或從板卡采集數據，實現實時控制。其主要計算機控制結構用Simulink和WinCon中的Quanser Toolbox來搭建，如圖5所示。

圖5 遙操作系統軟件平臺

學生可使用該軟件平臺進行三個層次遞進的實驗：

(1) 驗證性實驗。學生可以驗證所學的計算機控制系統相關知識理論。

(2) 設計性實驗。學生可設計簡單的控制器，如PID控制器，用實驗平臺驗證所設計控制器的有效性。

(3) 研究性實驗。學生可以研究復雜的先進控制算法，利用Simulink和Quanser Toolbox搭建更為復雜的軟件平臺，進而研究算法的控制效果。

3 系統實現策略

雙邊遙操作系統模型是整個平臺實現的關鍵組成部分，為了便于學生理解操作，將Phantom Omini和Novint Falcon看做一個單自由度操作單元，即操作臂在水平直線上運動，建立雙邊遙操作系統的模型[11]：

其中：Mm和Ms分別表示主端和從端的質量，ki,i=m,s為剛性，bi,i=m,s為阻尼因素；um和us分別為主端和從端的控制力，由計算機根據控制算法計算而得；fh為操作員的接觸力；fe為環境力。由于計算機控制系統無法直接識別連續變量，需要將連續系統離散化，基于離散系統所設計出的離散控制律才能適用計算機控制系統，因此離散化的雙邊遙操作系統可以描述為：

xm(k+1)=Amxm(k)+Bm(um(k)+fh(k))

xs(k+1)=Asxs(k)+Bs(us(k)-fe(k))

其中：

i=m,s；Ts表示系統的采樣時間，該值可以是固定常數值也可以是時變數值，為了便于學生理解，實驗平臺中將采樣時間設為固定的常數。下一步，將根據建立起的數學模型設計相應的控制器，目前，存在多種設計方法，主要有預測控制[11]，魯棒控制[12]，切換控制[13]，自適應模糊控制[14]，滑?？刂芠15]等等。作為教學實驗平臺，學生可以調用已有的控制算法來加深對計算機控制系統這門課程的理解；作為研究實驗平臺，學生可以設計相應的控制器并驗證控制器的控制效果。

4 結 論

本文針對“計算機控制系統”課程搭建了一類雙邊遙操作系統實驗平臺，該實驗平臺的優點在于：

(1) 可以讓學生從系統的層面上具體把握計算機控制系統所涉及到的各個專業之間的內部聯系，有助于知識的融會貫通。

(2) 利用軟件平臺與硬件設備的相互作用，擺脫了傳統仿真實驗對學生思想的制約，使學生可以更直接地觀察控制算法對于外部設備的控制作用，讓學生在潛移默化的過程中熟悉硬件的完整組成，對控制器的使用有了更為準確的認識。

(3) 使用該實驗平臺，不僅包含了“計算機控制系統”的主要典型教學內容，可以滿足日常的教學需要。而且可以更為直觀地看到實驗結果，激發了學生的學習興趣和主動性。

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Research on Computer Control System Experimental Teaching Platform

LIJian-ning

(School of Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

Aiming at the experimental course of Computer Control System, a bilateral teleoperation system experimental platform is constructed via Matlab/Simulink, WinCon, Phantom Omni and Novint Falcon. The system’s controller gains are obtained via the theories of robust control, networked control system and linear matrix inequalities, and the stability of the error dynamic system is guaranteed. The platform of bilateral teleoperation system consists of software platform and hardware platform. Based on such platforms, the students can not only verify the effectiveness of the control algorithm, but also realize the relationships between the computer and actuators. As a result, the use of the platform deepens the understanding the control theory and applications.

experimental teaching; computer control; bilateral teleoperation; experimental platform

2015-05-12

國家自然科學基金(61403113)；浙江省自然科學基金(LQ14F030010)；杭州電子科技大學科研啟動(KYS065613036)

李建寧(1984-)，男，山西太原人，博士，講師，碩士生導師，從事容錯控制，魯棒控制，網絡化控制系統，遙操作系統研究。

Tel.：13906531824；E-mail：ljn@hdu.edu.cn

G 642.0; TP 391.9

A

1006-7167(2016)04-0179-03