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1、1,第七章 基于手臂机器人远程控制的网络教学实验系统设计与实现,2,内容提要,研究背景与意义 国内外研究现状 系统结构与功能 现场监控子系统设计 远程控制子系统设计 结论与展望,3,研究背景与意义,研究背景,20世纪90年代，虚拟实验的崛起给远程实验教学带来了希望。但是，虚拟实验的局限在于它不能远程控制实验设备实物进行实验。因此，希望建立一个能够远程控制设备实物的实验系统。 根据中南大学、北京理工大学、日本东京工科大学达成合作开发国际网络教学实验系统的协议，以手臂机器人实验设备作为研究平台，开发具有远程控制设备实物功能的多用户网络教学实验系统。,4,研究背景与意义,研究意义,网络教学实验系统的
2、建立，将打破传统实验教学的禁锢，使得实验的教学范围不再局限于实验室，为控制理论教学提供一个理想实验教具； 实验设备能被多个用户同时使用，提高了资源利用率，也能为学校节省大量开销。,5,国内外研究现状,国内外一些大学和教育机构都开展了对具有远 程控制实验设备实物功能的实验系统的研发,意大利锡耶纳大学开发的一套远程自动控制实验（ACT）装 置，可以远程控制直流电机、水位箱的液体水位、悬浮磁铁 以及直升机实验 德国Fern大学的手臂机器人远程实验系统，可以进行抛球实验 哈尔滨工业大学电气学院设计开发了嵌入式远程教学实验系 统“基于DeviceNet现场总线恒压供水系统” 厦门大学开发的“电阻炉远程控
3、制与仿真实验室系统”为实验者 提供了电阻炉控制的PID控制的仿真和实时控制实验,6,系统结构与功能设计需求,丰富的控制算法实验类型 共享三校手臂机器人硬件资源 远程监控实验功能 仿真实验功能 实验数据查询功能 数据库存储功能,7,系统结构与功能,物理结构,8,系统结构与功能手臂机器人硬件系统,手臂机器人硬件系统,9,系统结构与功能 体系结构,10,现场监控子系统设计被控对象模型,传递函数,手臂机器人数学模型,11,现场监控子系统控制算法,极点配置,输入控制参数设计,P1S ：配置极点P1的实部,P2X ：配置极点P2的虚部,P1X ：配置极点P1的虚部,P2S ：配置极点P2 的实部,12,闭
4、环控制框图,控制率为：,现场监控子系统控制算法,13,反馈系数确定,配置极点共轭:,配置极点为实数：,现场监控子系统控制算法,14,最优跟踪控制,取二次型性能指标为：,输入控制参数设计,加权系数 设计为输入控制参数,闭环控制框图同前类似,控制率中系数确定,现场监控子系统控制算法,15,积分分离PID,输入控制参数设计,控制思想,比例系数P 、微分系数Td 、积分系数Ti、阈值 设计,设计为输入控制参数,现场监控子系统控制算法,16,现场监控子系统闭环控制原理,17,现场监控子系统接口电路设计,18,0 x378H的8位D0D7(P2P9) 用作电压输出。 0 x379H的高4位Busy, /A
5、ckn ,Paper, Select，(P10P13)连接单片机的I/O,读取单片机对光电编码器的计数脉冲.第15位/Error 用来作为单片机对PC机的应答信号 0 x37AH的第1位/Strobe 用来建立PC与单片机的握手，第14位/Autofdxt用作读取状态计数值高低位选通位。,现场监控子系统单片机接口电路,19,现场监控子系统光电编码器原理,遮光片,u1，u2真值表,u1,u2,逆时针旋转,顺时针旋转,24.5,e1,e2,u2 u1,内部电路,20,现场监控子系统光电编码脉冲计数,21,现场监控子系统下位机通信程序,开始,22,现场监控子系统监控机软件模块,23,现场监控子系统数
6、据采集,启动辅助检测线程,位置x=xh+(xl4),结束,与上一次差v=xxold,v128？,v-128？,v=v256,角度Pos=Pos+vk,xold =x,N,Y,Strobe=1,Strobe=0,Auto=0,读取低四位，存入xl,N,Y,Y,N,Y,N,N,Y,开始,判为超时，切断定时器,Y,N,Strobe=0,Auto=1,读取高四位，存入xh,v=v+256,24,现场监控子系统控制算法实现软件,25,现场监控子系统后台监控界面,26,远程控制子系统设计网络通信,通信协议：TCP ，HTTP 同步阻塞通信机制 流式Socket 高层协议,通信方案,27,远程控制子系统设计
7、服务器端,实验管理服务器结构模块图,客户端,服务器端,注册模块,用户验证模块,数据库,后台控制算法程序,循环监听，调用功能模块处理各类型请求,监控端,客户端Java Applet,仿真保 存模块,远程实验保存模块,FCFS算 法模块,读写模块,通信模块,记录查 询模块,远程控制模块,28,远程控制子系统设计服务器端,29,远程控制子系统设计服务器端,实验管理服务器界面,30,远程控制子系统设计数据库设计,用户 用户编号 用户名 密码 学号 所在院系 E-mail,登 录 登录编号 用户编号 登录日期 登录时刻,控制参数 参数编号 参数,远程控制实验 实验编号 用户编号 参数编号 实验日期 详细
8、时间,采样结果 采样编号 参数编号 采样位置 采样电压,仿真实验 实验编号 用户编号 仿真参数 实验日期 详细时间,n,1,1,1,1,1,1,n,n,n,数据库E-R图,31,远程控制子系统设计客户端设计,用户注册界面 仿真实验界面 远程控制界面 实验查询界面,四个用户界面,32,远程控制子系统设计客户端应用程序,用户注册界面,33,仿真实验界面,远程控制子系统设计客户端应用程序,登录,实时曲线,实验数据,34,远程控制实验界面,远程控制子系统设计客户端应用程序,35,实验查询界面,远程控制子系统设计客户端应用程序,36,结论与展望,研究成果 提出一种硬件资源网络化的解决方案。并用在远程实验教学上。 将近程控制转化为远程控制，实现硬件设备的网络共享。 控制性能不受Internet不确定因素的影响。 开发了丰富的控制算法，完成现场监控子系统软件设计开发。 设计实现远程控制子系统,展望 完善FCFS实验算法 扩展其他控制对象 联合更多高校共享网上实验教学资源。,
