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,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,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研究背景与意义,研究意义,网络教学实验系统的建立，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,,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,系统结构与功能,物理结构,,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,系统结构与功能 体系结构,,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,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,闭环控制框图,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,控制率为：,现场监控子系统—控制算法,,,,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,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,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,现场监控子系统—闭环控制原理,现场监控子系统—接口电路设计,0x378H的8位D0~D7(P2~P9) 用作电压输出。
0x379H的高4位Busy, /Ackn ,Paper, Select，(P10~P13)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 0x37AH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,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,现场监控子系统—光电编码脉冲计数,现场监控子系统—下位机通信程序,开始,现场监控子系统—监控机软件模块,现场监控子系统—数据采集,启动辅助检测线程,位置x=xh+(xl>>4),结束,,,与上一次差v=x－xold,v>128？,v<-128？,,,v=v－256,,,,,角度Pos=Pos+v·k,xold =x,,,,,①,②,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,①,②,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,现场监控子系统—控制算法实现软件,现场监控子系统—后台监控界面,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,,,远程控制子系统设计—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,远程控制子系统设计—服务器端,远程控制子系统设计—服务器端,实验管理服务器界面,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,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,远程控制子系统设计—客户端应用程序,用户注册界面,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,远程控制实验界面,远程控制子系统设计—客户端应用程序,实验查询界面,远程控制子系统设计—客户端应用程序,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。