CN102968917B - 复杂网络旋转运动同步控制实验系统及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复杂网络旋转运动同步控制实验系统及实验方法。该系统利用多个围成一圈的智能嵌入式系统表示网络节点，利用投影仪在节点之间投射出的线条表示网络连边，通过嵌入式系统驱动电机旋转开展网络上机械运动的同步与控制实验。本发明利用通讯网络模拟网络拓扑结构，利用节点上的智能软件执行节点动力学和控制算法，通过节点电机转轴上的圆盘在角位置与角速度上取得一致展示同步过渡过程。本发明不但可以同时显示网络拓扑结构和该拓扑结构下的旋转运动同步过程，而且还可以实验不同控制算法的控制效果，便于学生观察网络参数和控制算法对同步稳定性和过渡过程的影响，使复杂网络同步现象变得形象直观，便于学习掌握。
Description
技术领域
本发明教学仪器领域，尤其涉及一种复杂网络旋转运动同步控制实验系统及实验方法。
背景技术
复杂网络是自然与社会的基本形态，复杂网络上的同步现象是重要的科学知识，许多学校开设了包含同步内容的复杂网络课程。复杂网络同步知识的教学内容主要包括同步行为的解释、同步行为稳定性、同步过渡过程分析、网络结构及参数对同步性能的影响、同步控制算法的设计等等。目前网络同步知识的教学手段主要有数学公式表达、图片展示、曲线说明和软件模拟，这些仅有的教学手段使得本来精彩纷呈的网络同步现象变得枯燥和乏味，因此需要实物系统开展复杂网络同步现象的物理实验。旋转运动同步是一类典型的机械运动同步现象，在网络动力学或者控制算法的作用下，多个圆盘在角位置与角速度上逐渐取得一致，可以明了地展示机械运动的同步现象。但遗憾的是，目前还没有专门针对旋转运动同步的复杂网络实验设备，这种现状使得网络参数对同步过渡过程的影响无法演示，同步控制算法的控制效果也不能得到物理系统的验证。
发明内容
为了解决复杂网络上旋转运动同步及控制的物理实验问题，本发明提供了一种复杂网络旋转运动同步控制实验系统及实验方法。
本发明实现该目的的技术方案，是由嵌入式智能运动节点(4)执行节点的动力学特性和控制算法，由节点之间的通讯总线(12)传输节点的状态信息，由投影仪(2)及网络拓扑结构投影板(3)展示网络的拓扑结构(30)，由操纵计算机系统(1)对相关参数进行设置，并操纵实验系统的运行。具体地说，实验系统包括操纵计算机系统(1)、投影仪(2)、网络拓扑结构投影板(3)、通讯总线(12)和若干个智能运动节点(4)。每个智能运动节点(4)表示一个网络节点，智能运动节点(4)上的角位置指示盘(19)指示该节点当前的运动状态，所有的智能运动节点(4)围成一圈安装在网络拓扑结构投影板(3)上，智能运动节点所围绕的区域用于显示网络拓扑结构。网络拓扑结构由投影仪(2)投射显示，投影仪(2)与操纵计算机系统(1)相连，把操纵计算机系统(1)传来的网络拓扑结构图像投射到网络拓扑结构投影板(3)上智能运动节点(4)围成的区域。当两个节点之间有边相连时，对应的两个智能运动节点之间会投射出一条连线(11)，所投射的连线(11)可以区分节点之间的有向或者无向连接关系。所有智能运动节点(4)之间的连线(11)就显示了整个网络的拓扑结构(30)。实验过程的操纵与参数设定通过操纵计算机系统(1)上安装的实验操纵软件(6)完成。实验操纵软件(6)包含网络拓扑结构设定与显示子模块(7)、角运动同步参数设定子模块(8)、同步控制算法设定子模块(9)和操纵通讯子模块(10)。操纵计算机系统(1)通过通讯总线(12)与所有的智能运动节点(4)相连，利用通讯总线(12)把同步实验命令和所设定的参数下传给所有的节点。智能运动节点(4)是一个嵌入式计算机系统，包含嵌入式最小系统(13)、电动机驱动电路(14)、电动机(15)、角位置检测电路(16)、角位置传感器(17)和通讯接口(18)。电动机(15)用于输出旋转运动，电动机(15)输出轴上安装有角位置指示盘(19),用于指示该节点当前的角位置。角位置传感器(17)用于检测本节点当前的角位置和角速度，电动机(15)输出角位置引入到角位置传感器(17)。通讯接口(18)与通讯总线(12)相连，用于获得监控计算机系统(1)下传的各种信息，并把节点(4)的各种信息上传给监控计算机系统(1)。嵌入式最小系统(13)是包含CPU在内的计算机核心系统，是存储与执行程序、驱动外围模块、实现节点功能的核心部件。智能运动节点(4)的功能由节点智能软件(21)实现。节点智能软件(21)包含节点通讯子模块(22)、耦合关系模拟子模块(23)、角位置角速度检测子模块(24)、节点状态运算与控制子模块(25)和电机驱动子模块(26)。
本发明进行复杂网络旋转运动同步控制实验的方法基于上述实验系统进行，主要通过多个步骤的操作和实验系统及节点软硬件的执行，实现网络拓扑结构(30)和旋转运动同步过渡过程的同时展示。实验方法的步骤包括：
S1.通过网络拓扑结构设定与显示子模块(7)设定网络拓扑结构(30)；
S2.网络拓扑结构设定与显示子模块(7)通过投影仪(2)将网络拓扑结构投射到网络拓扑结构投影板(3)上，所投射的拓扑结构反映以智能运动节点(4)为代表的网络节点之间的连接关系；
S3.通过角运动同步参数设定子模块(8)设定节点动力学特性(31)、节点初始状态设定值(33)、网络内耦合关系和网络耦合强度；
S4.通过同步控制算法设定子模块(9)设定节点同步控制算法(27),至此，主要的参数设定完毕；
S5.实验操纵软件(6)通过操纵通讯子模块(10)将所设定的网络拓扑结构(30)、角运动同步参数和节点同步控制算法(27)发送给所有智能运动节点(4)；
S6.每个智能运动节点(4)通过节点通讯子模块(22)获得所设定的网络拓扑结构(30)、角运动同步参数和节点同步控制算法(27)；
S7.每个智能运动节点(4)根据节点初始状态设定值(33)利用电机驱动子模块(26)控制所带电动机(15)的运动；
S8.所有智能运动节点(4)按控制节拍循环反复执行以下步骤(S81-S86)：
S81.通过角位置角速度检测子模块(24)检测本节点所带电动机的当前状态(28)，包括角位置、角速度以及角加速度；
S82.通过节点通讯子模块(22)把所带电动机当前状态(28)发送给其他所有节点；
S83.通过节点通讯子模块(22)获取其他所有节点所带电动机当前状态(28)；
S84.根据所设定的网络拓扑结构(30)和角运动同步参数利用耦合关系模拟子模块(23)计算耦合作用输入值(29)；
S85.根据所检测的电动机当前状态(28)、所计算的耦合作用输入值(29)、所设定的节点动力学特性(31)和节点同步控制算法(27)利用节点状态运算与控制子模块(25)计算电动机当前应输出状态(32)；
S86.根据所计算的电动机当前应输出状态(32)利用电机驱动子模块(26)控制所带电动机(15)的运动。
复杂网络的拓扑结构、内耦合关系、耦合强度和节点动态特性对同步过程有着显著的影响，在一次同步实验之前，要先对这些方面进行设定。在步骤S1中，利用网络拓扑结构设定与显示子模块(7)设定网络拓扑结构(30)，所设定的拓扑结构在步骤S2中通过投影仪(2)投射到网络拓扑结构投影板(3)上，操作人员从网络拓扑结构投影板(3)上可以清晰地看到节点之间的连接关系。在步骤S3中，利用角运动同步参数设定子模块(8)对节点动力学特性(31)、节点初始状态设定值(33)、网络内耦合关系和网络耦合强度进行设定。如果进行的是不加控制算法的同步实验，利用以上所设定的参数就可以进行实验，这类实验主要分析网络结构和参数对同步稳定性和过渡过程的影响。在有些情况下，网络不能取得自同步，需要给节点施加控制算法。如果每个节点上都施加控制，就属于分散控制模式，如果只有一部分节点施加控制算法，就属于牵制控制模式。同步控制算法的参数在步骤S4进行设定。S1-S4的设定完成后，操作人员可以启动同步实验过程。在同步实验的第一节拍，每个节点的状态应改为所设定的节点初始状态(33)。步骤S7用于把各节点的状态调整到设定的初始状态(33)上，为以后各节拍的同步与控制过程计算做准备，同步的过程也就是从不一致的初始状态运动到一致的同步状态的过程。第一节拍之后，各节点根据所检测的电动机当前状态(28)、所计算的耦合作用输入值(29)、所设定的节点动力学特性(31)和节点同步控制算法(27)利用节点状态运算与控制子模块(25)计算自己下一节拍应输出的状态(32)。随着节拍的持续，各节点不断地调整自己的电动机输出状态。整个检测、通讯、计算与输出调整的过程(步骤S81-S86)每个节点每个节拍进行一遍。当所有节点的角位置与角速度趋同后，网络取得同步，人眼可以看到所有的角位置指示盘(19)步调一致地旋转。由于同步行为需要一定的时间才能达到，所以步骤S8会反复进行多个节拍。在整个过渡过程期间，投影仪始终在投射网络的拓扑结构，操作人员就观察到了该拓扑结构下的网络同步过程。当在步骤S1和步骤S3对网络参数重新设定时，由于步骤S2的投影显示和步骤S8的重新计算，操作人员就可以观察新情况下的同步过程。当网络其他参数设定值不变，仅有一个参数如耦合强度发生变化时，由于步骤S8的计算，系统会演示出新的同步过渡过程，因此本系统可以用来观察网络参数对同步性能如同步速度和同步稳定性的影响。当需要施加控制算法时，根据步骤S4设定的不同和步骤S8的重新计算，操作人员就可以实验不同控制算法下的同步控制效果。
根据所设定的网络拓扑结构(30)，一个节点仅受与它有耦合关系的节点状态的影响，所以在步骤S84计算本节点所受到的耦合作用输入值(29)时，在步骤S83所获取的与它没有耦合关系的节点的状态是舍弃不用的。在真实的网络中，没有耦合关系的节点之间不能互知对方的状态。而本发明提供的实验系统中，所有的节点通过通讯总线(12)连接在一起，形成一个物理上的全耦合网络，任何节点之间可两两互知对方的状态。本发明中节点耦合关系的模拟通过对所获知信息的取舍实现：有耦合关系则计算耦合作用输入值(29)时使用该信息，没有耦合关系则计算耦合作用输入值(29)时不使用该信息。这样的技术方案可以保证实验系统能够模拟任何网络拓扑结构。
本发明的有益效果是提供了一种复杂网络旋转运动同步控制实验系统及实验方法，实验系统既可以同时显示网络拓扑结构和该拓扑结构下的旋转运动同步过程，还可以模拟节点动力学特性以及节点之间信息传递的耦合作用。实验方法既可以使操作人员观察网络结构及参数对同步稳定性和过渡过程的影响，还可以实验不同控制算法的控制效果。本发明利用实物系统把复杂网络的机械运动同步现象变得形象直观、令人印象深刻，使同步知识变得妙趣横生、便于接受。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例所述实验系统的结构示意图；
图2是本发明实施例所述实验操纵软件功能模块图；
图3是本发明实施例所述智能运动节点功能模块示意图；
图4是本发明实施例所述节点智能软件功能模块图；
图5是本发明实施例所述实验方法流程图。
以上各图中，1：监控计算机系统；2：投影仪；3：网络拓扑结构投影板；4：智能运动节点；6：实验操纵软件；7：网络拓扑结构设定与显示子模块；8：角运动同步参数设定子模块；9：同步控制算法设定子模块；10：操纵通讯子模块；11：投射的连线；12：通讯总线；13：嵌入式最小系统；14：电动机驱动电路；15：电动机；16：角位置检测电路；17：角位置传感器；18：通讯接口；19：角位置指示盘；21：节点智能软件；22：节点通讯子模块；23：耦合关系模拟子模块；24：角位置角速度检测子模块；25：节点状态运算与控制子模块；26：电机驱动子模块；27：节点同步控制算法；28：电动机当前状态；29：耦合作用输入值；30：网络拓扑结构；31：节点动力学特性；32：电动机当前应输出状态；33：节点初始状态设定值。
具体实施方式
实施例
操纵计算机系统(1)为个人计算机，网络拓扑结构投影板(3)为圆形亚克力板，16个智能运动节点(4)围成一圈安装在圆形亚克力板的边沿，投影仪(2)与个人计算机相连，安装在天花板上，投影仪(2)的画面投射到圆形亚克力板中央的圆形区域，通讯总线(12)为CAN总线，角位置指示盘(19)是一个四分之一圆面涂黑的圆盘，见图1。实验操纵软件(6)利用组态王编写，包括网络拓扑结构设定与显示子模块(7)、角运动同步参数设定子模块(8)、同步控制算法设定子模块(9)和操纵通讯子模块(10)，见图2。智能运动节点(4)的嵌入式最小系统(13)为pc104工控主板，角位置传感器(17)为旋转变压器，角位置检测电路(16)为基于AD2S83的旋转变压器-数字变换器电路，通讯接口(18)为基于82C250的CAN总线接口电路，电动机(15)为有刷直流电动机，电动机驱动电路(14)为基于IGBT的H桥开关电路，角位置指示盘(19)是一个四分之一圆面涂黑的圆盘，见图3。节点智能软件(21)基于VxWorks编写，包含节点通讯子模块(22)、耦合关系模拟子模块(23)、角位置角速度检测子模块(24)、节点状态运算与控制子模块(25)和电机驱动子模块(26)，见图4。一次实验操作中，操作人员先通过由组态王编写的网络拓扑结构设定与显示子模块(7)选定网络的节点数(不多于16个)和拓扑结构(30)，投影仪(2)将网络拓扑结构(30)投射到圆形亚克力板上，显示出所选节点之间的连接关系。有连边的节点之间，会投射出一条虚线(11)，线条的两端与对应的智能运动节点(4)重合。然后操作人员通过角运动同步参数设定子模块(8)设定节点动力学特性(31)、节点初始状态设定值(33)、网络内耦合关系和网络耦合强度。接着通过同步控制算法设定子模块(9)设定节点同步控制算法(27)。之后操作人员启动同步过程，操纵通讯子模块(10)将所设定的网络拓扑结构(30)、角运动同步参数和节点同步控制算法(27)发送给所有智能运动节点(4)，智能运动节点(4)根据所设定的节点初始状态设定值(33)，利用电机驱动子模块(26)控制所带电动机(15)的运动。随后各节点按控制节拍不断地检测所带电动机当前状态(28)、通过节点通讯子模块(22)获取其他所有节点所带电动机当前状态(28)、计算耦合作用输入值(29)和下一节拍应输出状态(32)，再按计算结果控制所带电动机(15)的运动。整个检测、通讯、计算与控制输出过程持续到一定的时间结束，一次同步现象演示完成，演示方法步骤见图5。
Claims (2)
1.一种复杂网络旋转运动同步控制实验系统，其特征在于：
包括操纵计算机系统(1)、投影仪(2)、网络拓扑结构投影板(3)、通讯总线(12)和若干个智能运动节点(4)；
操纵计算机系统(1)与所有的智能运动节点(4)通过通讯总线(12)相连；
投影仪(2)连接到操纵计算机系统(1)，投影仪(2)的画面投射到网络拓扑结构投影板(3)上；
所有的智能运动节点(4)呈单绕环状安装在网络拓扑结构投影板(3)上，绕环所包围的区域为投影仪(2)的投射区域；
操纵计算机系统(1)安装有实验操纵软件(6)，实验操纵软件(6)包含网络拓扑结构设定与显示子模块(7)、角运动同步参数设定子模块(8)、同步控制算法设定子模块(9)和操纵通讯子模块(10)；
智能运动节点(4)包含嵌入式最小系统(13)、电动机驱动电路(14)、电动机(15)、角位置检测电路(16)、角位置传感器(17)和通讯接口(18)，电动机(15)输出轴上安装有角位置指示盘(19),电动机(15)输出角位置引入到角位置传感器(17)，通讯接口(18)相连到通讯总线(12)；
智能运动节点(4)中安装有节点智能软件(21)，节点智能软件(21)包含节点通讯子模块(22)、耦合关系模拟子模块(23)、角位置角速度检测子模块(24)、节点状态运算与控制子模块(25)和电机驱动子模块(26)。
2.一种基于权利要求1所述复杂网络旋转运动同步控制实验系统的复杂网络旋转运动同步控制实验方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.通过网络拓扑结构设定与显示子模块(7)设定网络拓扑结构(30)；
S2.网络拓扑结构设定与显示子模块(7)通过投影仪(2)将网络拓扑结构投射到网络拓扑结构投影板(3)上，所投射的拓扑结构反映以智能运动节点(4)为代表的网络节点之间的连接关系；
S3.通过角运动同步参数设定子模块(8)设定节点动力学特性(31)、节点初始状态设定值(33)、网络内耦合关系和网络耦合强度；
S4.通过同步控制算法设定子模块(9)设定节点同步控制算法(27)；
S5.实验操纵软件(6)通过操纵通讯子模块(10)将所设定的网络拓扑结构(30)、角运动同步参数和节点同步控制算法(27)发送给所有智能运动节点(4)；
S6.每个智能运动节点(4)通过节点通讯子模块(22)获得所设定的网络拓扑结构(30)、角运动同步参数和节点同步控制算法(27)；
S7.每个智能运动节点(4)根据节点初始状态设定值(33)利用电机驱动子模块(26)控制所带电动机(15)的运动；
S8.所有智能运动节点(4)按控制节拍循环反复执行以下步骤(S81-S86)：
S81.通过角位置角速度检测子模块(24)检测所带电动机当前状态(28)；
S82.通过节点通讯子模块(22)把所带电动机当前状态(28)发送给其他所有节点；
S83.通过节点通讯子模块(22)获取其他所有节点所带电动机当前状态(28)；
S84.根据所设定的网络拓扑结构(30)和角运动同步参数利用耦合关系模拟子模块(23)计算耦合作用输入值(29)；
S85.根据所检测的电动机当前状态(28)、所计算的耦合作用输入值(29)、所设定的节点动力学特性(31)和节点同步控制算法(27)利用节点状态运算与控制子模块(25)计算电动机当前应输出状态(32)；
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