本發(fā)明涉及一種半實物仿真系統(tǒng)，具體地說是一種便攜式集成多被控對象的半實物仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

CN201410152888.0號專利公開了一種AGV運動控制半實物仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括AGV運動仿真模塊、通訊模塊、AGV人機界面模塊、AGV控制器模塊和系統(tǒng)監(jiān)控計算機模塊，其中，AGV運動仿真模塊和通訊模塊設置于嵌入式控制器內(nèi)，AGV人機界面模塊和系統(tǒng)監(jiān)控計算機模塊設置于計算機內(nèi)，AGV運動仿真模塊通過通訊模塊與AGV控制器模塊相連并進行通訊，系統(tǒng)監(jiān)控計算機模塊通過網(wǎng)口與嵌入式控制器相連并進行通訊，同時通過計算機軟件監(jiān)控嵌入式控制器的內(nèi)部數(shù)據(jù)，AGV人機界面模塊通過網(wǎng)口與嵌入式控制器相連并進行通訊。該發(fā)明能夠設定AGV車輛和堆場的基本參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和傳感器狀態(tài)，接收控制器命令，實時計算車輛的運動狀態(tài)，將傳感器數(shù)據(jù)返回給控制器，并動態(tài)顯示車輛在堆場中的運動狀況，從而方便控制器的調(diào)試和性能測試。

但是，這種半實物仿真系統(tǒng)不能進行專業(yè)教學過程中的自動控制相關(guān)理論的演示、研究與驗證；其他已有的半實物仿真系統(tǒng)則存在有控制對象單一、只能演示針對一種被控對象進行分析和控制的缺陷，并且還存在有體積和重量大、不適于課堂教學過程中的隨身攜帶等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種便攜式集成多被控對象的半實物仿真系統(tǒng)，以解決專業(yè)仿真教學裝置缺少和不能對自動控制相關(guān)理論進行形象的演示、研究與驗證的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：一種便攜式集成多被控對象的半實物仿真系統(tǒng)，包括：

電路連接板，在其上設置有自動控制系統(tǒng)常用被控對象的各基本環(huán)節(jié)的仿真模擬電路和提供直流電源的電源連接電路，在其板面上設有與所設各基本環(huán)節(jié)仿真模擬電路相對應的基本環(huán)節(jié)標識區(qū)、集成各基本環(huán)節(jié)仿真模擬電路的輸入/輸出接線端子的信號輸入/輸出端口標識區(qū)以及集成電源接線端子的電源標識區(qū)；

嵌入式裝置，在其上設置有模擬量輸入通道和模擬量輸出通道，并通過模擬量輸入通道和模擬量輸出通道與所述電路連接板上的各基本環(huán)節(jié)的仿真模擬電路相接，其作為各被控對象與計算機之間的接口，通過模擬量輸出通道向被控對象施加由計算機輸入的激勵信號，通過模擬量輸入通道由計算機采集被控對象的響應信號；同時，所述嵌入式裝置還與所述電路連接板上的電源連接電路電連接，通過電平轉(zhuǎn)換，為所述電路連接板上的各基本環(huán)節(jié)的仿真模擬電路提供工作電源；以及

通過數(shù)據(jù)線與所述嵌入式裝置相接，并與所述電路連接板上的電源連接電路電連接，用于外接計算機，以通過計算機對模擬的被控對象施加激勵信號、利用計算機采集被控對象的響應信號以及利用計算機提供系統(tǒng)工作電源。

自動控制系統(tǒng)常用被控對象的各基本環(huán)節(jié)包括比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)。

自動控制系統(tǒng)的被控對象包括比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)等，還包括有這些環(huán)節(jié)的串、并聯(lián)。不同控制對象的工作特性不一樣，分析與控制方法也會有差異。

本發(fā)明利用常用電路對自動控制系統(tǒng)被控典型對象(包括比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)等)進行模擬，并使各環(huán)節(jié)參數(shù)可通過電位器進行調(diào)節(jié)(包括比例系數(shù)K、時間常數(shù)T和阻尼系數(shù)ζ等)；同時，各環(huán)節(jié)基于良好阻抗特性的獨立運算放大器設計實現(xiàn)，為被控典型對象各環(huán)節(jié)的串并聯(lián)提供便利，進而可以得到自控控制系統(tǒng)常用的被控對象。

本發(fā)明利用系統(tǒng)的物理等價原理，即被控對象的外部表現(xiàn)可能是電氣系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、化學過程，只要其數(shù)學表達一樣，則其系統(tǒng)特性就會一樣，由此設計出本便攜式集成多被控對象的半實物仿真系統(tǒng)。一方面，能為自動控制基本原理的教學、演示提供所有基本被控對象的半實物仿真平臺；另一方面，保持裝置的完整性和便攜性。

本發(fā)明將組成自動控制系統(tǒng)常用被控對象的基本環(huán)節(jié)，通過運算放大器進行模擬，基本環(huán)節(jié)的參數(shù)通過電位器進行調(diào)節(jié)。通過基本環(huán)節(jié)、及其附帶的加法器與減法器，可以得到經(jīng)典控制理論或現(xiàn)代控制理論常用的被控對象，包括比例、比例+積分、慣性、比例+慣性、比例+微分+慣性、比例+振蕩、比例+積分+振蕩、比例+微分+振蕩、比例+微分+慣性+振蕩等的單輸入—單輸出、單輸入—雙輸出、雙輸入—單輸出、雙輸入—雙輸出等多種形式的被控對象。

本發(fā)明能夠彌補常用自動控制半實物仿真系統(tǒng)只能對固定對象進行分析的缺陷，而且被控對象參數(shù)可調(diào)。本發(fā)明的系統(tǒng)重量輕，適于課堂教學過程中教師的隨身攜帶。

附圖說明

圖1是本發(fā)明仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是被控對象連接板的板面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是仿真系統(tǒng)各環(huán)節(jié)單獨使用的接線示意圖。

圖4、圖5是仿真系統(tǒng)各環(huán)節(jié)兩兩串聯(lián)使用的接線示意圖。

圖6是仿真系統(tǒng)三環(huán)節(jié)串聯(lián)使用的接線示意圖。

圖7是仿真系統(tǒng)四環(huán)節(jié)串聯(lián)使用的接線示意圖。

圖8是仿真系統(tǒng)反饋使用的接線示意圖。

圖9是被控對象為反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10是仿真系統(tǒng)兩輸入/兩輸出使用的接線示意圖。

圖11是被控對象為兩輸入/兩輸出的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12是慣性環(huán)節(jié)實施電路的電原理圖。

圖13是積分環(huán)節(jié)實施電路的電原理圖。

具體實施方式

如圖1、圖2所示，本發(fā)明便攜式集成多被控對象的半實物仿真系統(tǒng)包括電路連接板1、嵌入式裝置2和USB接口3。

在電路連接板1上設置有自動控制系統(tǒng)常用被控對象的各基本環(huán)節(jié)的仿真模擬電路和提供直流電源的電源連接電路，在其板面上設有與所設各基本環(huán)節(jié)仿真模擬電路相對應的基本環(huán)節(jié)標識區(qū)11、集成各基本環(huán)節(jié)仿真模擬電路的輸入/輸出接線端子的信號輸入/輸出端口標識區(qū)12以及集成電源接線端子的電源標識區(qū)13。自動控制系統(tǒng)常用被控對象的各基本環(huán)節(jié)包括比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)。

在嵌入式裝置2上設置有模擬量輸入通道21和模擬量輸出通道22，通過模擬量輸入通道21和模擬量輸出通道22與電路連接板1上的各基本環(huán)節(jié)的仿真模擬電路相接。嵌入式裝置2作為各被控對象與計算機4之間的接口，計算機4通過模擬量輸出通道22向被控對象施加激勵信號，并通過模擬量輸入通道21采集被控對象的響應信號。同時，嵌入式裝置2還與電路連接板1上的電源連接電路電連接，通過進行電平轉(zhuǎn)換DC/DC，產(chǎn)生運算放大器所需±12V直流電源，為電路連接板1上的各基本環(huán)節(jié)的仿真模擬電路提供工作電源。

USB接口3通過數(shù)據(jù)線與嵌入式裝置2相接，并與電路連接板1上的電源連接電路電連接；USB接口3用于外接計算機4，通過計算機4對模擬的被控對象施加激勵信號，通過計算機4采集被控對象的響應信號，通過計算機4提供系統(tǒng)工作電源。由于計算機的USB口只能輸出+5V直流電源，因而，電路連接板上電源連接電路需要進行電平轉(zhuǎn)換DC/DC，以對各基本環(huán)節(jié)中的運算放大器提供±12V直流電源。

如圖2所示，電路連接板1的前板面的中右部區(qū)域為基本環(huán)節(jié)標識區(qū)11，在該標識區(qū)中標注有作為自動控制系統(tǒng)常用被控對象的比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)、加法運算、減法運算、微分環(huán)節(jié)等十二個典型環(huán)節(jié)以及各環(huán)節(jié)對應的數(shù)學模型，在每個基本環(huán)節(jié)上標注一個數(shù)字編號；在電路連接板1上對應這十二個基本環(huán)節(jié)，設置有十二個仿真模擬電路。電路連接板1的前板面的左側(cè)區(qū)域為信號輸入/輸出端口標識區(qū)12和電源標識區(qū)13。在信號輸入/輸出端口標識區(qū)12集成有各基本環(huán)節(jié)仿真模擬電路的輸入/輸出接線端子，另外還設置有兩個地線接線端子(標記為“GND”)。在電源標識區(qū)13設置有+12V、-12V的電源接線端子和地線接線端子。圖2中的各基本環(huán)節(jié)(序號1～12)的輸入/輸出與信號輸入/輸出端口標識區(qū)12內(nèi)的信號輸入/輸出端口間的對應關(guān)系如下表：

本發(fā)明通過對集成在信號輸入/輸出端口標識區(qū)12內(nèi)的各接線端子的不同的導線連接，即可形成自動控制系統(tǒng)中不同的被控對象的半實物仿真模擬。

如圖1所示，嵌入式裝置2是通過USB接口3與計算機4相連接，作為各種被控對象與計算機4間的接口，同時為各仿真模擬電路中使用的運算放大器提供工作電源。

在電路連接板1中完成的被控對象，通過嵌入式裝置2和USB接口3與計算機4相連接，即可利用計算機4，通過嵌入式裝置2中的模擬量輸出通道22，對被控對象施加任意的激勵信號，同時通過模擬量輸入通道21采集被控對象的響應信號。對于單輸入—單輸出的被控對象的仿真模擬，只需使用一個模擬量輸出通道和一個模擬量輸入通道即可；對于兩輸入—兩輸出的被控對象的仿真模擬，則需使用兩個模擬量輸出通道和兩個模擬量輸入通道。

本發(fā)明的被控對象的仿真模擬的使用方法：

1、各環(huán)節(jié)單獨使用：單一環(huán)節(jié)與模擬量輸入/輸出通道的連接，構(gòu)成被控對象。

如圖3所示，將6號慣性環(huán)節(jié)的輸入端I6連接模擬量輸出通道DAC1，6號慣性環(huán)節(jié)的輸出端O6連接模擬量輸入通道ADC1，即可實現(xiàn)由慣性環(huán)節(jié)構(gòu)成的被控對象的半實物仿真，通過調(diào)節(jié)慣性環(huán)節(jié)上的電位器，即可改變時間常數(shù)T的值。

2、各環(huán)節(jié)兩兩串聯(lián)使用：兩個不同環(huán)節(jié)通過輸入/輸出端的導線連接，構(gòu)成被控對象。

如圖4所示，將1號比例環(huán)節(jié)的輸入端I1連接模擬量輸出通道DAC1，1號比例環(huán)節(jié)的輸出端O1連接3號積分環(huán)節(jié)的輸入端I3，3號積分環(huán)節(jié)的輸出端O3連接模擬量輸入通道ADC1，即可實現(xiàn)比例環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)串聯(lián)構(gòu)成的被控對象的半實物仿真，其數(shù)學模型為：

如圖5所示，將5號慣性環(huán)節(jié)的輸入端I5連接模擬量輸出通道DAC1，5號慣性環(huán)節(jié)的輸出端O5連接3號積分環(huán)節(jié)的輸入端I3，3號積分環(huán)節(jié)的輸出端O3連接模擬量輸入通道ADC1，即可實現(xiàn)積分環(huán)節(jié)與慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)構(gòu)成的被控對象的半實物仿真，其數(shù)學模型為：

3、三環(huán)節(jié)串聯(lián)使用：三個不同或相同環(huán)節(jié)的串聯(lián)，構(gòu)成高階被控對象。

如圖6所示，1號比例環(huán)節(jié)的輸入端I1連接模擬量輸出通道DAC1，1號比例環(huán)節(jié)的輸出端O1連接3號積分環(huán)節(jié)的輸入端I3，3號積分環(huán)節(jié)的輸出端O3連接5號慣性環(huán)節(jié)的輸入端I5，5號慣性環(huán)節(jié)的輸出端O5連接模擬量輸入通道ADC1，即可實現(xiàn)比例、積分、慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)構(gòu)成被控對象的半實物仿真，其數(shù)學模型為：

4、四環(huán)節(jié)串聯(lián)使用：四個不同或相同環(huán)節(jié)的串聯(lián)，構(gòu)成更為復雜的被控對象。

如圖7所示，2號比例環(huán)節(jié)的輸入端I2連接模擬量輸出通道DAC1，2號比例環(huán)節(jié)的輸出端O2連接6號慣性環(huán)節(jié)的輸入端I6，6號慣性環(huán)節(jié)的輸出端O6連接7號振蕩環(huán)節(jié)的輸入端I7，7號振蕩環(huán)節(jié)的輸出端O7連接8號微分環(huán)節(jié)的輸入端I8，8號微分環(huán)節(jié)的輸出端O8連接模擬量輸入通道ADC1，即可實現(xiàn)比例環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)和振蕩環(huán)節(jié)串聯(lián)構(gòu)成被控對象的半實物仿真，其數(shù)學模型為：

5、反饋的使用：

如圖8所示，減法運算環(huán)節(jié)的11-1號輸入端I11-1連接模擬量輸出通道DAC1，減法運算環(huán)節(jié)的11-1號輸出端O11連接2號比例環(huán)節(jié)的輸入端I2，2號比例環(huán)節(jié)的輸出端O2連接4號積分環(huán)節(jié)的輸入端I4，4號積分環(huán)節(jié)的輸出端O4連接6號慣性環(huán)節(jié)的輸入端I6，6號慣性環(huán)節(jié)的輸出端O6連接減法運算環(huán)節(jié)的11-2號輸入端I11-2，4號積分環(huán)節(jié)的輸出端O4連接模擬量輸入通道ADC1，即可實現(xiàn)圖9所示的反饋系統(tǒng)，相應被控對象的傳遞函數(shù)為：

6、兩輸入/兩輸出被控對象的使用：

現(xiàn)代控制理論可用于研究多輸入/多輸出系統(tǒng)。本連接板也可通過導線連接，獲得此類系統(tǒng)的被控對象，并通過本發(fā)明所設計接口，實現(xiàn)兩輸入/兩輸出系統(tǒng)的半實物仿真。

如圖10所示，第一加法運算環(huán)節(jié)的第9-1號輸入端I9-1連接模擬量輸出通道DAC1，第一加法運算環(huán)節(jié)的輸出端O9連接4號積分環(huán)節(jié)的輸入端I4，4號積分環(huán)節(jié)的輸出端O4連接輸入端I10-2和ADC1，第二加法運算環(huán)節(jié)的第10-1號輸入端I10-1連接模擬量輸出通道DAC2，第二加法運算環(huán)節(jié)的輸出端O10連接6號慣性環(huán)節(jié)的輸入端I6，6號慣性環(huán)節(jié)的輸出端O6分別連接第一加法運算環(huán)節(jié)的輸入端I9-2和模擬量輸入通道ADC2，即可實現(xiàn)圖11所示的兩輸入/兩輸出被控對象的半實物仿真，相應被控對象輸入/輸出的傳遞函數(shù)矩陣為：

按照類似的方法，可構(gòu)成高階、多輸入/多輸出的其它被控對象。因此，本發(fā)明滿足了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論中，對不同被控對象半實物仿真的需要。