CN114283670A - 一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置及方法，自动控制技术的研究、实验和教学技术领域，包括被控对象单元，所述被控对象单元、执行机构单元及控制器依次连接，同时所述检测单元与控制器连接；在被控对象单元的垂直透明管路中设置基于气流悬浮的轻质小球，将小球高度作为被控变量，从而构造成开环不稳定的被控对象。采用该装置及方法进行实验，可以引入定量的持续的扰动作用，从而实现对各种单变量控制算法的抗干扰性能做出客观的比较和评估，在视频数据终端中设置时延和丢包，就可以对网络控制算法的处理时延问题和丢包问题的性能进行实验验证。该装置既可以用于单变量系统的闭环辨识实验，也可以用于进行单变量系统的闭环控制实验。

Description

一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置及方法

技术领域

本发明属于自动控制技术的研究、实验和教学技术领域，具体涉及一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置及方法。

背景技术

开环不稳定特性，是指当被控对象的输入变量保持不变时被控对象的输出变量无法依靠自身能力保持在平衡状态的这种特性。具有开环不稳定特性的被控对象是一种具有相当难度的被控对象，开环不稳定特性使得其数学模型难以采用开环实验的方式获得，从而使得依赖于数学模型离线进行控制器设计就变得困难。在自动控制的教学活动和科研活动中，具有开环不稳定的被控对象也是控制难点之一。

随着智能制造和工业物联网理念在工业界的持续深入和发展，网络控制技术展现出了越来越广阔的工业应用前景。网络控制往往涉及到时延、丢包等传输问题，给控制系统的分析和设计带来困难，因此有必要研发网络控制的实验装置用于支撑网络控制技术的研究、实验和教学活动。

在目前的自动控制的教学和科研实验装置中，传统的倒立摆系统、球杆系统、磁悬浮系统是典型的具有开环不稳定特性的被控对象。从自动控制教学和科研的实验需求来看，这些实验装置存在三个问题：

一是上述系统在实验过程中通常依靠手动敲击引入干扰，难以引入定量的持续的扰动信号，因而对控制器性能的评估不够客观准确。

二是具有开环不稳定特性的被控对象种类还应该更加丰富，才能适应更加全面、更加复杂的建模方法和控制方法的实验和教学。

三是没有在自动控制的闭环回路中体现带有丢包、延时特性的网络传输环节，因而不适合用于网络控制的教学和实验。

本发明基于气流悬浮原理，构建了一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置，以风机频率或者调节阀开度分别作为控制变量和干扰变量，通过视频图像识别技术获得悬浮球实时高度作为被控变量，采用无线传输技术用于悬浮球视频图像的实时传输，从而实现了一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置，并且可以用来开展网络控制相关技术的教学、实验和科研。

发明内容

针对现有各种自动控制实验装置中开环不稳定特性被控对象难以引入定量持续扰动且对象种类不够丰富以及缺乏网络传输环节的问题，本发明提供一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置，包括被控对象单元、执行机构单元、检测单元和控制器；所述被控对象单元、执行机构单元及控制器依次连接，同时所述检测单元与控制器连接。

所述被控对象单元包括风机、空气管路、调节阀门和轻质小球，所述风机的入口与空气管路出口之间安装有调节阀门，所述空气管路中包含有一段与地面垂直放置的透明管路，透明管路内放置有轻质小球，所述透明管路的两端安装有隔离装置，隔离装置可以阻挡轻质小球从透明管路的两端离开透明管路，但不能阻碍空气管路中的空气流动；当所述风机通电运行时，在透明管路中产生向上的吸力即产生对轻质小球的托举力，当吸力大小等于轻质小球本身的重力时，轻质小球在透明管路中处于的悬浮状态，而轻质小球的悬浮高度就是本实验装置的被控变量。

所述执行机构包括电机调速装置和阀门执行器，所述电机调速装置的输出端与风机相连，用于调节风机转速，电机调速装置的输入端与所述控制器的输出端连接，接收来自控制器的转速指令，所述阀门执行器的输出端与调节阀门相连，用于调整阀门开度，阀门执行器的输入端与控制器的输出端连接，接收来自控制器的阀门开度指令。

所述检测单元为基于无线传输的检测单元，包括网络摄像机、视频数据终端、无线接入点终端、接入控制器终端和计算机，所述网络摄像机用于拍摄透明管路的实时图像，网络摄像机与视频数据终端无线连接，视频数据终端用于接收摄像机采集到的图像数据，实现到无线接入终端的端口映射，以及设置网络控制实验的时延参数和丢包参数，视频数据终端与无线接入点终端无线连接，经由无线接入点终端，完成实时图像信息的发送；所述无线接入点终端与接入控制器终端无线连接，无线接入点终端将实时图像信息发送至无线接入控制器终端传至计算机，并将接收到的实时图像信息传送至所述计算机中，在计算机中采用图像识别程序在线识别轻质小球的位置，并转换成高度信号送至控制器中。

所述透明管路的后侧设置有与摄像机正对放置，且颜色与轻质小球颜色具有明显区别的平板，用于增强轻质小球与背景之间的对比。

所述控制器用于实现并运行各种控制算法，控制器接收来自计算机图像识别程序给出的处于悬浮状态的轻质小球的高度信号，所述控制器与检测单元中的计算机连接，控制器的两个输出端分别与电机调速装置的输入端和阀门执行器的输入端相连，用于发出控制指令和扰动指令，控制指令来自用于实验者编制的控制算法，扰动指令来自实验者在计算机上所选择的扰动信号；由于在视频数据终端中设置了时延和丢包，因而可以对处理延时问题和丢包问题的网络控制算法的性能进行实验验证。

采用一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置来进行自动控制实验的方法，包括如下步骤：

步骤1：选择电机调速指令或调节阀门开度指令作为控制量，以轻质小球在垂直放置的透明管路内的高度测量值为被控变量，从而构成具有单输入单输出的具有开环不稳定特性的被控对象；

步骤2：在视频数据终端设置时延参数和丢包参数；

步骤3：启动风机，手动将风机转速和调节阀门开度调整至合适的工作点，即轻质小球已经上浮至垂直的透明管路的顶端，若风机转速或者调节阀门的开度降低2％以上，轻质小球高度会下降；

步骤4：在计算机中运行关于网络控制算法的回路控制程序，实验者给出轻质小球的高度设定值，而后切换至自动控制模式，调整控制器参数，使得闭环系统稳定，并且轻质小球的高度保持在设定值处；

步骤5：闭环控制期间，通过施加时变的或者时不变的扰动信号至干扰变量上，使得闭环系统持续受到外界的干扰作用，从而可以对于所实验的控制算法的抗干扰性能做出比较和评估。

本发明的有益效果：本发明首先扩展了现有自动控制实验装置的开环不稳定被控对象的种类，提出了一种基于气流悬浮的开环不稳定对象的网络控制实验装置及方法，采用该装置及方法进行实验，可以引入定量的持续的扰动作用，从而实现对各种单变量控制算法的抗干扰性能做出客观的比较和评估，在视频数据终端中设置时延和丢包，就可以对网络控制算法的处理时延问题和丢包问题的性能进行实验验证。该装置既可以用于单变量系统的闭环辨识实验，也可以用于进行单变量系统的闭环控制实验。

附图说明

图1本发明单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置结构示意图；

图2本发明单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置的开环不稳定特性自动控制实验方法的控制原理框图；

1-风机，2-调节阀门，3-空气管路，4-接入控制器终端，5-轻质小球，6-阀门执行器，7-电机调速装置，8-控制器，9-计算机，10-网络摄像机，11-视频数据终端，12-无线接入点终端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置，包括被控对象单元、执行机构单元、检测单元和控制器8；所述被控对象单元、执行机构单元及控制器8依次连接，同时所述检测单元与控制器8连接。

所述被控对象单元包括风机1、空气管路3、调节阀门2和轻质小球5，风机1选用型号为YE2-80M1-2的离心式风机，具体规格参数为：风压为840～760Pa；风量为2100～2300m³/h；电机为三相异步鼠笼式电动机，380VAC供电，功率为0.75kw，转速为2850r/min，所述风机1的入口与空气管路3出口之间安装有调节阀门2，调节阀门2为不锈钢蝶阀，所述空气管路3出口设置成弯管，空气管路3长度为1m，且与垂直放置的透明管路出口连接，透明管路长度为60cm，透明管路内放置有轻质小球5，轻质小球5为普通黄色乒乓球，所述透明管路的两端安装有十字型金属丝，十字型金属丝用于限制轻质小球5在透明管路内上下移动的边界，可以阻挡轻质小球5从透明管路的两端离开透明管路，但不能阻碍空气管路3中的空气流动；当所述风机1通电运行时，在空气管路3中产生向上的吸力即产生对轻质小球5的托举力，当吸力大小等于轻质小球5本身的重力时，轻质小球5在透明管路中处于的悬浮状态，而轻质小球5的悬浮高度就是本实验装置的被控变量；在垂直的透明管路后侧安装有与摄像机正对的白色平板，以增强轻质小球5与白色平板的对比，便于图像识别程序小球的高度。

所述执行机构包括电机调速装置7和阀门执行器6，所述电机调速装置7的输出端与风机1相连，用于调节风机1转速，电机调速装置7的输入端与控制器8的输出端连接，接收来自控制器8的转速指令，所述阀门执行器6的输出端与调节阀门2相连，用于调整阀门开度，阀门执行器6的输入端与控制器8的输出端连接，接收来自控制器8的阀门开度指令；电机调速装置7型号为ACS355-03E-03A3-4(380V/1.1kW)的ABB变频器，阀门执行器6型号为M8410M+A8005ML的电动角行程执行器。

所述检测单元为基于无线传输的检测单元，包括网络摄像机10、视频数据终端11、无线接入点终端12、接入控制器终端4和计算机9，所述网络摄像机10型号为DS-2CD3646FWDA2/F-IZS的海康威视网络摄像机10，用于拍摄透明管路的实时图像；视频数据终端11采用ARM开发板，ARM开发板具备双千兆以太网口，操作系统为Linux，利用基于C语言的FRP实现端口映射功能，并且设置网络控制实验的时延参数和丢包参数，无线接入点终端12与接入控制器终端4之间采用华为AX3000M实现设备无线组网；所述网络摄像机10与视频数据终端11之间通过以太网连接，视频数据终端11与无线接入点终端12之间通过以太网连接，无线接入点终端12与接入控制器终端4通过以太网连接，接入控制器终端4通过以太网与计算机9连接，计算机9为普通台式计算机或者笔记本计算机，在计算机9中采用MATLAB语言编写的图像识别程序，经过对各帧图像进行HSV颜色分割获得二值化乒乓球图像，并经过重心计算得到乒乓球实时高度信号送至控制器。

所述控制器8用于实现并运行各种控制算法，控制器8接收来自计算机9图像识别程序给出的处于悬浮状态的轻质小球5的高度信号，所述控制器8与计算机9连接，控制器8的两个输出端分别与电机调速装置7的输入端和阀门执行器6的输入端相连，用于发出控制指令和扰动指令，控制指令来自用于实验者编制的控制算法，扰动指令来自实验者在计算机9上所选择的扰动信号，控制器8采用Siemens S7-300系列PLC控制系统设备。

该装置之所以具有开环不稳定特性，其原理在于，当风机1处于某一固定转速时且调节阀门2处于某一固定开度时，垂直透明管中的空气自下而上流动产生的吸力会将其中的轻质小球5托起，而轻质小球5所受到的吸力与轻质小球5高度相关，位置越高，越靠近风机1，吸力就越大，位置越低，越远离风机1，吸力就越小。那么，只有当轻质小球5的重力与风机1吸力相等时，轻质小球5处于悬浮状态，只要有少许的偏离，就会破坏轻质小球5自身的平衡状态，使得轻质小球5不断上升或者不断下降，这样就体现出了开环不稳定特性。

如图2所示，采用一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置来进行自动控制实验的方法，包括如下步骤：

步骤1：选择电机调速指令作为控制量，以轻质小球5在垂直放置的透明管路内的高度测量值为被控变量，从而构成具有单输入单输出的具有开环不稳定特性的被控对象；

步骤2：选择调节阀门开度指令作为被控对象的干扰变量；

步骤3：启动风机1，将风机转速调整至合适的工作点，即轻质小球5已经上浮至垂直的透明管路的顶端，当风机转速降低2％以上时，轻质小球5高度会下降；

步骤4：在计算机9中运行单变量PID控制程序，实验者在计算机9上给出轻质小球5固定的高度设定值，而后切换至自动控制模式，采用凑试方法调整PID控制器参数，当轻质小球5高度上升时，通过PID控制器降低风机转速；当轻质小球5高度下降时，通过PID控制器提高风机转速，从而使得轻质小球5高度保持在给出的高度设定值处；

步骤5：闭环控制期间，选择周期性变化的方波信号加至阀门开度指令上，通过调节阀门2对气流的阻力变化给空气管路3中的轻质小球5持续施加定量的干扰作用，使得轻质小球5的高度不断出现偏差，根据闭环控制中轻质小球5高度偏差的幅度大小就可以对于PID控制算法的抗干扰性能做出比较和评估，从而完成控制实验。

Claims (7)

1.一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置，其特征在于，包括被控对象单元、执行机构单元、检测单元和控制器；所述被控对象单元、执行机构单元及控制器依次连接，同时所述检测单元与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置，其特征在于：所述被控对象单元包括风机、空气管路、调节阀门和轻质小球，所述风机的入口与空气管路出口之间安装有调节阀门，所述空气管路中包含有一段与地面垂直放置的透明管路，透明管路内放置有轻质小球，所述透明管路的两端安装有隔离装置；当所述风机通电运行时，在透明管路中产生向上的吸力即产生对轻质小球的托举力，当吸力大小等于轻质小球本身的重力时，轻质小球在透明管路中处于的悬浮状态，而轻质小球的悬浮高度就是本实验装置的被控变量。

3.根据权利要求2所述的一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置，其特征在于：所述执行机构包括电机调速装置和阀门执行器，所述电机调速装置的输出端与风机相连，电机调速装置的输入端与所述控制器的输出端连接，所述阀门执行器的输出端与调节阀门相连，阀门执行器的输入端与控制器的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置，其特征在于：所述检测单元为基于无线传输的检测单元，包括网络摄像机、视频数据终端、无线接入点终端、接入控制器终端和计算机，所述网络摄像机用于拍摄透明管路的实时图像，网络摄像机与视频数据终端无线连接，视频数据终端用于接收摄像机采集到的图像数据，实现到无线接入终端的端口映射，以及设置网络控制实验的时延参数和丢包参数，视频数据终端与无线接入点终端无线连接，经由无线接入点终端，完成实时图像信息的发送；所述无线接入点终端与接入控制器终端无线连接，无线接入点终端将实时图像信息发送至无线接入控制器终端传至计算机，并将接收到的实时图像信息传送至所述计算机中，在计算机中采用图像识别程序在线识别轻质小球的位置，并转换成高度信号送至控制器中。

5.根据权利要求4所述的一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置，其特征在于：所述透明管路的后侧设置有与摄像机正对放置，且颜色与轻质小球颜色具有明显区别的平板，用于增强轻质小球与背景之间的对比。

6.根据权利要求4所述的一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置，其特征在于：所述控制器用于实现并运行各种控制算法，控制器接收来自计算机图像识别程序给出的处于悬浮状态的轻质小球的高度信号，所述控制器与检测单元中的计算机连接，控制器的两个输出端分别与电机调速装置的输入端和阀门执行器的输入端相连，用于发出控制指令和扰动指令，控制指令来自用于实验者编制的控制算法，扰动指令来自实验者在计算机上所选择的扰动信号；由于在视频数据终端中设置了时延和丢包，因而可以对处理延时问题和丢包问题的网络控制算法的性能进行实验验证。

7.采用权利要求1所述的一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置来进行自动控制实验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：选择电机调速指令或调节阀门开度指令作为控制量，以轻质小球在垂直放置的透明管路内的高度测量值为被控变量，从而构成具有单输入单输出的具有开环不稳定特性的被控对象；

步骤2：在视频数据终端设置时延参数和丢包参数；

步骤3：启动风机，手动将风机转速和调节阀门开度调整至合适的工作点，即轻质小球已经上浮至垂直的透明管路的顶端；

步骤4：在计算机中运行关于网络控制算法的回路控制程序，实验者给出轻质小球的高度设定值，而后切换至自动控制模式，调整控制器参数，使得闭环系统稳定，并且轻质小球的高度保持在设定值处；

步骤5：闭环控制期间，通过施加时变的或者时不变的扰动信号至干扰变量上，使得闭环系统持续受到外界的干扰作用，从而可以对于所实验的控制算法的抗干扰性能做出比较和评估。

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