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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于MATLAB/Simulink的網(wǎng)絡(luò)化控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 針對目前的控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在局限性，本項(xiàng)目小組設(shè)計并開發(fā)了一種新型的控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，此系統(tǒng)彌補(bǔ)了現(xiàn)有控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，控制軟件開放程度不高、操作不夠人性化、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)平臺的支持不足以及難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法實(shí)驗(yàn)等問題，具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的社會效益。
- 詳細(xì)介紹：
- 在中國高等教育中，自動化專業(yè)是一個融合了控制理論與技術(shù)、機(jī)械設(shè)計、 電子設(shè)計、軟件工程為一體的綜合性學(xué)科。當(dāng)今，社會需求的自動化專業(yè)的人才要求有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，較強(qiáng)的實(shí)際動手能力，這就要求學(xué)生在學(xué)校階段要有很好的理論設(shè)計和實(shí)際開發(fā)的訓(xùn)練。目前，國內(nèi)外自動化專業(yè)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)雖然具有各自的特點(diǎn)，能夠滿足用戶的特定需求，但是目前對教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究和開發(fā)仍然存在一些不盡如人意的地方，主要體現(xiàn)在：控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)缺乏一個環(huán)境開放、界面友好的軟件平臺；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)無法支持遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)形式；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制對象結(jié)構(gòu)復(fù)雜度不足，無法支持科研人員對于高級復(fù)雜算法的開發(fā)研究等。 針對控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的需求，本項(xiàng)目完成的內(nèi)容如下： 1. 對基于MATLAB/Simulink的網(wǎng)絡(luò)化控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行總體架構(gòu)設(shè)計； 2. 設(shè)計并研發(fā)了網(wǎng)絡(luò)化通用控制器、EasyControl控制軟件平臺及包括多功能過程控制實(shí)驗(yàn)平臺和倒立擺機(jī)器人(Pendubot)實(shí)驗(yàn)平臺在內(nèi)的控制實(shí)驗(yàn)對象； 3. 利用上面開發(fā)的軟件、控制器和被控對象，搭建了網(wǎng)絡(luò)化的多功能過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和倒立擺機(jī)器人(Pendubot)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，另外，連接第三方的被控對象，搭建了旋轉(zhuǎn)倒立擺和球桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)； 4. 在所搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了豐富的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時開展了研究性的復(fù)雜控制實(shí)驗(yàn)，如雙容水箱的自適應(yīng)解耦控制實(shí)驗(yàn)、倒立擺機(jī)器人基于TS模糊的最優(yōu)控制實(shí)驗(yàn)以及旋轉(zhuǎn)倒立擺的LQR最優(yōu)控制實(shí)驗(yàn)和球桿控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償控制實(shí)驗(yàn)。 目前，本項(xiàng)目已經(jīng)取得了十分突出的研究成果，依托于本實(shí)驗(yàn)平臺，項(xiàng)目組的成員以及老師已在多篇國際國內(nèi)權(quán)威期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文。并且憑借著本項(xiàng)目對于MATLAB/Simulink軟件的成功拓展與應(yīng)用，其研究成果已經(jīng)作為典型案例被收錄于自動化專業(yè)MATLAB軟件的經(jīng)典教材之中。另外，在取得學(xué)術(shù)成績的同時也帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，并且得到了相關(guān)專家學(xué)者和行業(yè)權(quán)威人士的高度認(rèn)可。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的/思路：針對目前的控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在局限性，設(shè)計開發(fā)一種新型的控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，彌補(bǔ)現(xiàn)有控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，控制軟件開放程度不高、操作不夠人性化、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)平臺的支持不足以及難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法實(shí)驗(yàn)等問題。 創(chuàng) 新 點(diǎn)： (1)在軟件方面，對于MATLAB/Simulink軟件實(shí)時工具箱成功應(yīng)用與集成，使本統(tǒng)具有了支持高級復(fù)雜算法仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和硬件對象實(shí)時實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的能力。并且實(shí)現(xiàn)了被控對象虛擬現(xiàn)實(shí)功能，使得操作更加直觀，用戶界面更加友好、和人性化；(2)在控制器方面，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化控制器的設(shè)計思想，并且通過對于信號采集形式的重新界定實(shí)現(xiàn)了控制器的通用性；(3)在實(shí)驗(yàn)被控對象方面，對于傳統(tǒng)對象的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)與創(chuàng)新，使其不僅滿足各大高等院校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)工作，還達(dá)到了廣大研究人員對于科研創(chuàng)新工作的實(shí)驗(yàn)要求。 技術(shù)關(guān)鍵：包括MATLAB/Simulink軟件的快速原型技術(shù)，軟件平臺的實(shí)驗(yàn)對象的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，專用網(wǎng)絡(luò)化嵌入式控制器的研制與開發(fā)，實(shí)驗(yàn)被控對象的硬件設(shè)計與開發(fā)等。 技術(shù)指標(biāo)：在軟件方面，能夠與MATLAB/Simulink軟件無縫兼容，提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的支持網(wǎng)絡(luò)化控制的軟件平臺。在控制器方面，本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)化專用控制器 CPU采用主頻為 600MHz超低功耗處理器；支持分辨率 12 位的6 通道單端/8 通道差分的模擬量輸入，支持分辨率為 12 位的4 通道輸出模擬量輸出。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 針對控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的需求，本項(xiàng)目首先做出了基于MATLAB/Simulink，實(shí)現(xiàn)仿真和實(shí)驗(yàn)平臺一體化并支持網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)的總體架構(gòu)設(shè)計。分別設(shè)計并研發(fā)了兼容第三方實(shí)驗(yàn)對象的網(wǎng)絡(luò)化通用控制器，功能豐富，操作簡潔的EasyControl軟件控制平臺以及包括多功能過程控制實(shí)驗(yàn)平臺和倒立擺機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺在內(nèi)的控制實(shí)驗(yàn)對象。 通過對本項(xiàng)目控制實(shí)現(xiàn)平臺的研究與開發(fā)，對現(xiàn)階段研究不足之處給予補(bǔ)充與完善，實(shí)現(xiàn)了一定程度上的技術(shù)改進(jìn)與創(chuàng)新。主要體現(xiàn)在：在軟件方面，對于MATLAB/Simulink軟件實(shí)時工具箱和快速原型技術(shù)的成功應(yīng)用與集成，并且實(shí)現(xiàn)了被控虛擬對象功能，使得用戶界面更加友好和人性化；在控制器方面，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化控制器的設(shè)計思想，并且通過對于信號采集形式的重新界定實(shí)現(xiàn)了控制器的通用性；在實(shí)驗(yàn)被控對象方面，通過對現(xiàn)有產(chǎn)品的分析研究，對于硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)與創(chuàng)新，使其不僅滿足各大高等院校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)工作，還達(dá)到了廣大研究人員對于科研創(chuàng)新工作的實(shí)驗(yàn)要求。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 項(xiàng)目組成員發(fā)表論文： 1.基于T-S模糊策略的欠驅(qū)動機(jī)械臂的平衡控制[J]. 控制工程.2012,01. 項(xiàng)目組指導(dǎo)教師基于本項(xiàng)目的產(chǎn)品發(fā)表論文： 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.基于未建模動態(tài)補(bǔ)償?shù)姆蔷€性自適應(yīng)切換控制方法[J]，自動化學(xué)報.（長文，已錄用） 3.The Energy Swing-up Control of Pendubot System Based on Neural Network Compensation[J]. Neural Computing and Applications (SCI 源), submitted. 項(xiàng)目所開發(fā)系統(tǒng)以作為典型案例被權(quán)威教材收錄： 1.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用（第2版），清華大學(xué)出版社.2011,02:387-393.
作品所處階段
- 本項(xiàng)目產(chǎn)品處于生產(chǎn)階段，近一年多的時間內(nèi)，已被多所著名高等院校購置，并產(chǎn)生近300萬元的經(jīng)濟(jì)效益。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 面議
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品； 現(xiàn)場演示；圖片；錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 使用說明：計算機(jī)可以通過網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)絡(luò)化通用控制器上，并通過EasyControl軟件控制平臺將圖形化語言搭建的控制模型下載到控制器當(dāng)中并對被控對象進(jìn)行實(shí)時控制。同時，被控對象的狀態(tài)以及控制器中的參數(shù)都可以在EasyControl軟件控制平臺中進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控。由于實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸過程可以不考慮距離限制，所以控制實(shí)驗(yàn)既可以在本地的被控對象上的進(jìn)行，也可以在遠(yuǎn)程的對象上進(jìn)行。 市場分析及經(jīng)濟(jì)效益：在國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，對于教育科研的投入也正隨著國民生產(chǎn)總值的不斷增加而增加。在已經(jīng)過去的“十一五”期間，高新技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入已經(jīng)達(dá)到了GDP的1.8%。而在“十二五”規(guī)劃綱要草案中，則提出2015年“研究與實(shí)驗(yàn)發(fā)展經(jīng)費(fèi)支出要占國內(nèi)生產(chǎn)總值的2.2%”。由此可見，本項(xiàng)目所面對的科研教育市場的前景是十分廣闊的。 值得一提的是，在本系統(tǒng)已經(jīng)基本完成研發(fā)的近一年多的時間內(nèi)，已有多所高等院校購置了本項(xiàng)目研發(fā)的產(chǎn)品，并產(chǎn)生近300萬元的經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 目前，國內(nèi)外一些知名的公司已經(jīng)針對教學(xué)設(shè)備進(jìn)行廣泛的研究與開發(fā)，具有代表性的包括：中國的固高科技深圳有限公司、天煌科技實(shí)業(yè)有限公司、中控科教儀器設(shè)備有限公司和求是科教設(shè)備有限公司，以及德國的dSpace公司和FESTO公司，美國的NI公司，加拿大的Quanser公司和英國的TQ公司等，它們的產(chǎn)品具有各自的特點(diǎn)，都能夠滿足特定的用戶需求，但目前對教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究和開發(fā)仍然存在一些不盡如人意的地方。 在國內(nèi)，針對教學(xué)科研類的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)大多數(shù)還僅針對于相關(guān)專業(yè)課程的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如電路原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、模擬電子及數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)箱、電力電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、自動控制原理實(shí)驗(yàn)臺、電機(jī)原理及拖動實(shí)驗(yàn)臺等。這類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的目標(biāo)是對于課程中的經(jīng)典理論進(jìn)行驗(yàn)證，有助于加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解與掌握。但是由于其屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)平臺，在硬件上的約束使其無法發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力和激發(fā)學(xué)生進(jìn)行科研探索的興趣，并且由于大多數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件平臺的約束，使其無法支持用戶進(jìn)行高級復(fù)雜方法的研究。 在國外，現(xiàn)有的產(chǎn)品能夠與MATLAB/Simulink或者Labview實(shí)現(xiàn)很好的結(jié)合，通過直觀的框圖結(jié)果即可實(shí)現(xiàn)控制實(shí)驗(yàn)，通過提供的實(shí)驗(yàn)范例能夠?qū)崿F(xiàn)較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)都相對比較簡單，非線性和耦合性相對較弱，這樣也就限制了一些有特性需要的用戶對于高級復(fù)雜算法的實(shí)驗(yàn)要求。另外，雖然這些產(chǎn)品的軟件系統(tǒng)通過與上述軟件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了高效率的模塊化程序編寫，但其軟件界面過于單調(diào)且不友好，并且對于實(shí)驗(yàn)對象的狀態(tài)僅能通過實(shí)時曲線進(jìn)行觀測，不符合人性化的設(shè)計思想。 除此之外，幾乎所有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制器均采用計算機(jī)拓展板卡的形式，這類控制器不但不具備網(wǎng)絡(luò)化研究的硬件條件，而且約束了被實(shí)驗(yàn)對象和上位機(jī)之間必須遵守“一機(jī)一卡”的形式，這也就限制了用戶使用的靈活性，增加了用戶的實(shí)驗(yàn)成本?；谝陨纤鶖⑹龅膯栴}，我們設(shè)計與開發(fā)了本套控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并為了更加廣泛的聽取來自自動化教育科研領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的寶貴意見，我們積極地參加了多個相關(guān)的展覽會，如2011年7月在山東省濟(jì)南市舉辦的第八屆智能控制與自動化世界大會(WCICA)，2010年7月北京舉辦的第29屆中國控制會議（CCC）等，在展會上，很多高校和企業(yè)的任課教師和研究技術(shù)人員在了解本系統(tǒng)后，均對其給予了高度評價，認(rèn)為其無論在外觀精致度還是對復(fù)雜算法研究方面都在國內(nèi)外處于領(lǐng)先水平。
