CN106647333A - 一种便携式集成多被控对象的半实物仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式集成多被控对象的半实物仿真系统，其结构包括电路连接板、嵌入式装置和USB接口。在电路连接板上设置有自动控制系统常用被控对象的各基本环节的仿真模拟电路和提供直流电源的电源连接电路，在其板面上设有基本环节标识区、信号输入/输出端口标识区和电源标识区。嵌入式装置作为被控对象与计算机之间的接口，通过模拟量输出通道向被控对象施加由计算机输入的激励信号，通过模拟量输入通道由计算机采集被控对象的响应信号，并与电源连接电路电连接，通过电平转换，为各基本环节的仿真模拟电路提供工作电源。本发明满足了经典控制理论和现代控制理论中，对不同被控对象半实物仿真的需要。

Description

一种便携式集成多被控对象的半实物仿真系统

技术领域

本发明涉及一种半实物仿真系统，具体地说是一种便携式集成多被控对象的半实物仿真系统。

背景技术

CN201410152888.0号专利公开了一种AGV运动控制半实物仿真系统，该系统包括AGV运动仿真模块、通讯模块、AGV人机界面模块、AGV控制器模块和系统监控计算机模块，其中，AGV运动仿真模块和通讯模块设置于嵌入式控制器内，AGV人机界面模块和系统监控计算机模块设置于计算机内，AGV运动仿真模块通过通讯模块与AGV控制器模块相连并进行通讯，系统监控计算机模块通过网口与嵌入式控制器相连并进行通讯，同时通过计算机软件监控嵌入式控制器的内部数据，AGV人机界面模块通过网口与嵌入式控制器相连并进行通讯。该发明能够设定AGV车辆和堆场的基本参数、环境参数和传感器状态，接收控制器命令，实时计算车辆的运动状态，将传感器数据返回给控制器，并动态显示车辆在堆场中的运动状况，从而方便控制器的调试和性能测试。

但是，这种半实物仿真系统不能进行专业教学过程中的自动控制相关理论的演示、研究与验证；其他已有的半实物仿真系统则存在有控制对象单一、只能演示针对一种被控对象进行分析和控制的缺陷，并且还存在有体积和重量大、不适于课堂教学过程中的随身携带等问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种便携式集成多被控对象的半实物仿真系统，以解决专业仿真教学装置缺少和不能对自动控制相关理论进行形象的演示、研究与验证的问题。

本发明是这样实现的：一种便携式集成多被控对象的半实物仿真系统，包括：

电路连接板，在其上设置有自动控制系统常用被控对象的各基本环节的仿真模拟电路和提供直流电源的电源连接电路，在其板面上设有与所设各基本环节仿真模拟电路相对应的基本环节标识区、集成各基本环节仿真模拟电路的输入/输出接线端子的信号输入/输出端口标识区以及集成电源接线端子的电源标识区；

嵌入式装置，在其上设置有模拟量输入通道和模拟量输出通道，并通过模拟量输入通道和模拟量输出通道与所述电路连接板上的各基本环节的仿真模拟电路相接，其作为各被控对象与计算机之间的接口，通过模拟量输出通道向被控对象施加由计算机输入的激励信号，通过模拟量输入通道由计算机采集被控对象的响应信号；同时，所述嵌入式装置还与所述电路连接板上的电源连接电路电连接，通过电平转换，为所述电路连接板上的各基本环节的仿真模拟电路提供工作电源；以及

通过数据线与所述嵌入式装置相接，并与所述电路连接板上的电源连接电路电连接，用于外接计算机，以通过计算机对模拟的被控对象施加激励信号、利用计算机采集被控对象的响应信号以及利用计算机提供系统工作电源。

自动控制系统常用被控对象的各基本环节包括比例环节、积分环节、微分环节、振荡环节和惯性环节。

自动控制系统的被控对象包括比例环节、积分环节、微分环节、振荡环节和惯性环节等，还包括有这些环节的串、并联。不同控制对象的工作特性不一样，分析与控制方法也会有差异。

本发明利用常用电路对自动控制系统被控典型对象(包括比例环节、积分环节、微分环节、振荡环节、惯性环节等)进行模拟，并使各环节参数可通过电位器进行调节(包括比例系数K、时间常数T和阻尼系数ζ等)；同时，各环节基于良好阻抗特性的独立运算放大器设计实现，为被控典型对象各环节的串并联提供便利，进而可以得到自控控制系统常用的被控对象。

本发明利用系统的物理等价原理，即被控对象的外部表现可能是电气系统、机械系统、化学过程，只要其数学表达一样，则其系统特性就会一样，由此设计出本便携式集成多被控对象的半实物仿真系统。一方面，能为自动控制基本原理的教学、演示提供所有基本被控对象的半实物仿真平台；另一方面，保持装置的完整性和便携性。

本发明将组成自动控制系统常用被控对象的基本环节，通过运算放大器进行模拟，基本环节的参数通过电位器进行调节。通过基本环节、及其附带的加法器与减法器，可以得到经典控制理论或现代控制理论常用的被控对象，包括比例、比例+积分、惯性、比例+惯性、比例+微分+惯性、比例+振荡、比例+积分+振荡、比例+微分+振荡、比例+微分+惯性+振荡等的单输入—单输出、单输入—双输出、双输入—单输出、双输入—双输出等多种形式的被控对象。

本发明能够弥补常用自动控制半实物仿真系统只能对固定对象进行分析的缺陷，而且被控对象参数可调。本发明的系统重量轻，适于课堂教学过程中教师的随身携带。

附图说明

图1是本发明仿真系统的结构示意图。

图2是被控对象连接板的板面结构示意图。

图3是仿真系统各环节单独使用的接线示意图。

图4、图5是仿真系统各环节两两串联使用的接线示意图。

图6是仿真系统三环节串联使用的接线示意图。

图7是仿真系统四环节串联使用的接线示意图。

图8是仿真系统反馈使用的接线示意图。

图9是被控对象为反馈系统的结构示意图。

图10是仿真系统两输入/两输出使用的接线示意图。

图11是被控对象为两输入/两输出的结构示意图。

图12是惯性环节实施电路的电原理图。

图13是积分环节实施电路的电原理图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明便携式集成多被控对象的半实物仿真系统包括电路连接板1、嵌入式装置2和USB接口3。

在电路连接板1上设置有自动控制系统常用被控对象的各基本环节的仿真模拟电路和提供直流电源的电源连接电路，在其板面上设有与所设各基本环节仿真模拟电路相对应的基本环节标识区11、集成各基本环节仿真模拟电路的输入/输出接线端子的信号输入/输出端口标识区12以及集成电源接线端子的电源标识区13。自动控制系统常用被控对象的各基本环节包括比例环节、积分环节、微分环节、振荡环节和惯性环节。

在嵌入式装置2上设置有模拟量输入通道21和模拟量输出通道22，通过模拟量输入通道21和模拟量输出通道22与电路连接板1上的各基本环节的仿真模拟电路相接。嵌入式装置2作为各被控对象与计算机4之间的接口，计算机4通过模拟量输出通道22向被控对象施加激励信号，并通过模拟量输入通道21采集被控对象的响应信号。同时，嵌入式装置2还与电路连接板1上的电源连接电路电连接，通过进行电平转换DC/DC，产生运算放大器所需±12V直流电源，为电路连接板1上的各基本环节的仿真模拟电路提供工作电源。

USB接口3通过数据线与嵌入式装置2相接，并与电路连接板1上的电源连接电路电连接；USB接口3用于外接计算机4，通过计算机4对模拟的被控对象施加激励信号，通过计算机4采集被控对象的响应信号，通过计算机4提供系统工作电源。由于计算机的USB口只能输出+5V直流电源，因而，电路连接板上电源连接电路需要进行电平转换DC/DC，以对各基本环节中的运算放大器提供±12V直流电源。

如图2所示，电路连接板1的前板面的中右部区域为基本环节标识区11，在该标识区中标注有作为自动控制系统常用被控对象的比例环节、积分环节、惯性环节、振荡环节、加法运算、减法运算、微分环节等十二个典型环节以及各环节对应的数学模型，在每个基本环节上标注一个数字编号；在电路连接板1上对应这十二个基本环节，设置有十二个仿真模拟电路。电路连接板1的前板面的左侧区域为信号输入/输出端口标识区12和电源标识区13。在信号输入/输出端口标识区12集成有各基本环节仿真模拟电路的输入/输出接线端子，另外还设置有两个地线接线端子(标记为“GND”)。在电源标识区13设置有+12V、-12V的电源接线端子和地线接线端子。图2中的各基本环节(序号1～12)的输入/输出与信号输入/输出端口标识区12内的信号输入/输出端口间的对应关系如下表：

本发明通过对集成在信号输入/输出端口标识区12内的各接线端子的不同的导线连接，即可形成自动控制系统中不同的被控对象的半实物仿真模拟。

如图1所示，嵌入式装置2是通过USB接口3与计算机4相连接，作为各种被控对象与计算机4间的接口，同时为各仿真模拟电路中使用的运算放大器提供工作电源。

在电路连接板1中完成的被控对象，通过嵌入式装置2和USB接口3与计算机4相连接，即可利用计算机4，通过嵌入式装置2中的模拟量输出通道22，对被控对象施加任意的激励信号，同时通过模拟量输入通道21采集被控对象的响应信号。对于单输入—单输出的被控对象的仿真模拟，只需使用一个模拟量输出通道和一个模拟量输入通道即可；对于两输入—两输出的被控对象的仿真模拟，则需使用两个模拟量输出通道和两个模拟量输入通道。

本发明的被控对象的仿真模拟的使用方法：

1、各环节单独使用：单一环节与模拟量输入/输出通道的连接，构成被控对象。

如图3所示，将6号惯性环节的输入端I6连接模拟量输出通道DAC1，6号惯性环节的输出端O6连接模拟量输入通道ADC1，即可实现由惯性环节构成的被控对象的半实物仿真，通过调节惯性环节上的电位器，即可改变时间常数T的值。

2、各环节两两串联使用：两个不同环节通过输入/输出端的导线连接，构成被控对象。

如图4所示，将1号比例环节的输入端I1连接模拟量输出通道DAC1，1号比例环节的输出端O1连接3号积分环节的输入端I3，3号积分环节的输出端O3连接模拟量输入通道ADC1，即可实现比例环节与积分环节串联构成的被控对象的半实物仿真，其数学模型为：

如图5所示，将5号惯性环节的输入端I5连接模拟量输出通道DAC1，5号惯性环节的输出端O5连接3号积分环节的输入端I3，3号积分环节的输出端O3连接模拟量输入通道ADC1，即可实现积分环节与惯性环节串联构成的被控对象的半实物仿真，其数学模型为：

3、三环节串联使用：三个不同或相同环节的串联，构成高阶被控对象。

如图6所示，1号比例环节的输入端I1连接模拟量输出通道DAC1，1号比例环节的输出端O1连接3号积分环节的输入端I3，3号积分环节的输出端O3连接5号惯性环节的输入端I5，5号惯性环节的输出端O5连接模拟量输入通道ADC1，即可实现比例、积分、惯性环节串联构成被控对象的半实物仿真，其数学模型为：

4、四环节串联使用：四个不同或相同环节的串联，构成更为复杂的被控对象。

如图7所示，2号比例环节的输入端I2连接模拟量输出通道DAC1，2号比例环节的输出端O2连接6号惯性环节的输入端I6，6号惯性环节的输出端O6连接7号振荡环节的输入端I7，7号振荡环节的输出端O7连接8号微分环节的输入端I8，8号微分环节的输出端O8连接模拟量输入通道ADC1，即可实现比例环节、微分环节、惯性环节和振荡环节串联构成被控对象的半实物仿真，其数学模型为：

5、反馈的使用：

如图8所示，减法运算环节的11-1号输入端I11-1连接模拟量输出通道DAC1，减法运算环节的11-1号输出端O11连接2号比例环节的输入端I2，2号比例环节的输出端O2连接4号积分环节的输入端I4，4号积分环节的输出端O4连接6号惯性环节的输入端I6，6号惯性环节的输出端O6连接减法运算环节的11-2号输入端I11-2，4号积分环节的输出端O4连接模拟量输入通道ADC1，即可实现图9所示的反馈系统，相应被控对象的传递函数为：

6、两输入/两输出被控对象的使用：

现代控制理论可用于研究多输入/多输出系统。本连接板也可通过导线连接，获得此类系统的被控对象，并通过本发明所设计接口，实现两输入/两输出系统的半实物仿真。

如图10所示，第一加法运算环节的第9-1号输入端I9-1连接模拟量输出通道DAC1，第一加法运算环节的输出端O9连接4号积分环节的输入端I4，4号积分环节的输出端O4连接输入端I10-2和ADC1，第二加法运算环节的第10-1号输入端I10-1连接模拟量输出通道DAC2，第二加法运算环节的输出端O10连接6号惯性环节的输入端I6，6号惯性环节的输出端O6分别连接第一加法运算环节的输入端I9-2和模拟量输入通道ADC2，即可实现图11所示的两输入/两输出被控对象的半实物仿真，相应被控对象输入/输出的传递函数矩阵为：

按照类似的方法，可构成高阶、多输入/多输出的其它被控对象。因此，本发明满足了经典控制理论和现代控制理论中，对不同被控对象半实物仿真的需要。

Claims (2)

1.一种便携式集成多被控对象的半实物仿真系统，其特征是，包括：

电路连接板，在其上设置有自动控制系统常用被控对象的各基本环节的仿真模拟电路和提供直流电源的电源连接电路，在其板面上设有与所设各基本环节仿真模拟电路相对应的基本环节标识区、集成各基本环节仿真模拟电路的输入/输出接线端子的信号输入/输出端口标识区以及集成电源接线端子的电源标识区；

嵌入式装置，在其上设置有模拟量输入通道和模拟量输出通道，并通过模拟量输入通道和模拟量输出通道与所述电路连接板上的各基本环节的仿真模拟电路相接，其作为各被控对象与计算机之间的接口，通过模拟量输出通道向被控对象施加由计算机输入的激励信号，通过模拟量输入通道由计算机采集被控对象的响应信号；同时，所述嵌入式装置还与所述电路连接板上的电源连接电路电连接，通过电平转换，为所述电路连接板上的各基本环节的仿真模拟电路提供工作电源；以及

USB接口，通过数据线与所述嵌入式装置相接，并与所述电路连接板上的电源连接电路电连接，用于外接计算机，以通过计算机对模拟的被控对象施加激励信号、利用计算机采集被控对象的响应信号以及利用计算机提供系统工作电源。

2.根据权利要求1所述的半实物仿真系统，其特征是，自动控制系统常用被控对象的各基本环节包括比例环节、积分环节、微分环节、振荡环节和惯性环节。