智能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種智能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，其組成連接結(jié)構(gòu)是：微控制器分別接有圖形顯示器、數(shù)據(jù)存儲器、數(shù)據(jù)傳輸接口、以及MODBUS接口等，并由上述組件構(gòu)成開放式運(yùn)動控制器。上位機(jī)含有智能測評設(shè)計(jì)模塊和測試用例設(shè)計(jì)模塊，開放式運(yùn)動控制器含有智能測評模塊和測試用例執(zhí)行模塊。該控制器的智能測評包含以下步驟：執(zhí)行用戶設(shè)計(jì)的伺服控制算法；產(chǎn)生控制算法性能監(jiān)控信號；測試用例執(zhí)行模塊按順序自動運(yùn)行各測試用例等。由智能測評模塊進(jìn)行實(shí)時測評，得到伺服控制算法的分項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評價指標(biāo)，作為測評結(jié)果并自動顯示。本發(fā)明能夠根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)對運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行智能化、自動化的客觀測評，且具有開放、易用、直觀等特點(diǎn)。
【專利說明】
智能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械自動化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到與運(yùn)動控制類相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué) 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 運(yùn)動控制技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)的核心技術(shù)之一，在高等院校的自動化、電氣工程、機(jī)械 制造、精密儀器等專業(yè)的本科生和研究生教學(xué)中，涉及多個與運(yùn)動控制相關(guān)的課程，如《伺 服控制》、《數(shù)控技術(shù)》、《機(jī)器人控制》等。由于運(yùn)動控制技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，因此實(shí)驗(yàn)環(huán) 節(jié)是這類課程的重要組成部分，研發(fā)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備是培養(yǎng)優(yōu)秀人才必不可缺的手 段之一。
[0003] 遺憾的是目前現(xiàn)有的運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備普遍存在以下不足：（1)對學(xué)生實(shí)驗(yàn) 收效的結(jié)果沒有一個綜合的測評方法，對實(shí)驗(yàn)成績的評價過多依賴教師經(jīng)驗(yàn)；（2)所利用的 實(shí)驗(yàn)裝置無法滿足開放性和易用性的要求，人為教學(xué)因素過多，限制了創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)的開展；
[3] 缺乏自動化、智能化的測試技術(shù)與執(zhí)行手段，難以快速、全面評估控制效果。基于此，本 發(fā)明裝置以及實(shí)驗(yàn)方法的提出，可對上述課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)收到良好的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是，提出一種智能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，以解決目前 運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備裝置的多種功能缺陷。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：智能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置具有:上位機(jī)、N 組驅(qū)動器及電機(jī)、運(yùn)動機(jī)構(gòu)本體、傳感器組、開放式運(yùn)動控制器模塊、控制算法設(shè)計(jì)模塊、控 制仿真模塊、控制程序生成模塊、智能測評設(shè)計(jì)模塊、測試用例設(shè)計(jì)模塊、通信服務(wù)模塊、開 放式伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集記錄模塊、數(shù)據(jù)展示模塊、智能測評模塊、以及測試用例執(zhí)行 豐吳塊等。
[0006] 其中開放式運(yùn)動控制器具有:微控制器、圖形顯示器、數(shù)據(jù)存儲器、控制程序下載 接口、數(shù)據(jù)傳輸接口、D/A接口、編碼器接口、A/D接口、I/O接口、以及MODBUS接口。驅(qū)動系統(tǒng) 包括N組驅(qū)動器及電機(jī)、以及運(yùn)動機(jī)構(gòu)本體。
[0007] 其系統(tǒng)組成是：開放式運(yùn)動控制器模塊與驅(qū)動系統(tǒng)以及傳感器組構(gòu)成串接模式。 上位機(jī)與開放式運(yùn)動控制器連接，上位機(jī)設(shè)有實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境(22)，開放式運(yùn)動控制器模塊 運(yùn)行著實(shí)時測控系統(tǒng)。
[0008] 實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境包括:控制算法設(shè)計(jì)模塊、控制仿真模塊、控制程序生成模塊、智能 測評設(shè)計(jì)模塊、測試用例設(shè)計(jì)模塊、以及第一通信服務(wù)模塊。
[0009] 實(shí)時測控系統(tǒng)包括:開放式伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集記錄模塊、數(shù)據(jù)展示模塊、智 能測評模塊、測試用例執(zhí)行模塊、以及第二通信服務(wù)模塊。
[0010] 上述智能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的運(yùn)行方法，由開放式運(yùn)動控制器進(jìn) 行智能測評，開放式運(yùn)動控制器的運(yùn)行包含以下步驟：
[0011] SI:啟動所述開放式伺服控制模塊，執(zhí)行用戶設(shè)計(jì)的伺服控制算法;同時對伺服控 制算法的執(zhí)行時間和內(nèi)存占用進(jìn)行監(jiān)視，產(chǎn)生控制算法性能監(jiān)控信號。
[0012] S2:啟動所述測試用例執(zhí)行模塊，按順序自動運(yùn)行各個測試用例。
[0013] S3:利用所述數(shù)據(jù)采集記錄模塊獲取來自所述傳感器組中位置、電流、溫度傳感器 的反饋，產(chǎn)生外部監(jiān)控信號；同時讀取電機(jī)指令信號、伺服控制算法內(nèi)部狀態(tài)變量、驅(qū)動器 內(nèi)部狀態(tài)等數(shù)據(jù)，產(chǎn)生內(nèi)部監(jiān)控信號。
[0014] S4:綜合內(nèi)部監(jiān)控信號、外部監(jiān)控信號和控制算法性能監(jiān)控信號，由所述智能測評 模塊進(jìn)行實(shí)時測評，得到伺服控制算法的分項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評價指標(biāo)，作為測評結(jié)果。
[0015] S5:測試用例執(zhí)行完畢后，數(shù)據(jù)展示模塊自動顯示測評結(jié)果。
[0016] 上述智能測評模塊包括特征指標(biāo)實(shí)時計(jì)算引擎、特征提取支持庫和測評指標(biāo)計(jì)算 網(wǎng)絡(luò)，測評指標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)部分采用全連接的三層前饋線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn):第一層為輸入層， 第二層為分項(xiàng)評價層，第三層為綜合評價層;步驟S4中所述計(jì)算分項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評價 指標(biāo)的過程，包括以下步驟：
[0017] S41:讀取需要的內(nèi)部監(jiān)控信號、外部監(jiān)控信號及控制算法性能監(jiān)視信號。
[0018] S42:特征指標(biāo)實(shí)時計(jì)算引擎調(diào)用特征提取支持庫中定義的特征提取算法，根據(jù)步 驟S41中讀取的信號實(shí)時在線計(jì)算運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)。
[0019] S43:將步驟S42中計(jì)算出的運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)輸入到測評指標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的輸 入層節(jié)點(diǎn)，輸入層節(jié)點(diǎn)的輸出即為各運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)。
[0020] S44:根據(jù)輸入層到分項(xiàng)評價層節(jié)點(diǎn)間的權(quán)重，對輸入層節(jié)點(diǎn)的輸出進(jìn)行線性加權(quán) 求和，計(jì)算分項(xiàng)評價層各節(jié)點(diǎn)的輸出，得到各分項(xiàng)評價指標(biāo)。
[0021] S45:根據(jù)分項(xiàng)評價層到綜合評價層節(jié)點(diǎn)間的權(quán)重，對分項(xiàng)評價層各節(jié)點(diǎn)輸出進(jìn)行 線性加權(quán)求和，計(jì)算綜合評價層節(jié)點(diǎn)的輸出，得到綜合評價指標(biāo)。
[0022] 上述上位機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境中的智能測評設(shè)計(jì)模塊，對開放式運(yùn)動控制器中的智能 測評模塊進(jìn)行配置，配置過程包含以下步驟：
[0023] S101:設(shè)定需要記錄的內(nèi)、外部監(jiān)控信號、控制算法性能監(jiān)視信號。
[0024] S102:選擇特征提取支持庫中的算法，配置特征指標(biāo)實(shí)時計(jì)算引擎。
[0025] S103:設(shè)定測評指標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重系數(shù)。
[0026] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)以及產(chǎn)生的積極效果在于：
[0027] (1)能夠基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行智能化、自動化的測評， 可以快速、客觀地反映控制算法的效果。分層次的評價方法能夠使學(xué)生快速分析影響實(shí)驗(yàn) 結(jié)果的原因，快速的反饋能夠加快學(xué)生試錯、改進(jìn)過程，自動執(zhí)行的測評減少了主觀評價的 影響，也減少了教師的工作量。
[0028] (2)該實(shí)驗(yàn)裝置具有開放、易用、直觀的優(yōu)點(diǎn)。不但實(shí)現(xiàn)了控制算法的開放式設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方案，而且自動測評方法也是開放可配置的，可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行自 定義，提高了運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)的靈活性。上位機(jī)具有仿真功能，可直觀安全地對系統(tǒng)進(jìn)行模 擬;控制器配置了數(shù)據(jù)采集、展示、傳輸功能，使學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)裝置上觀察控制系統(tǒng)內(nèi)、外 部信號的狀態(tài)，并可在上位機(jī)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果作進(jìn)一步分析。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明的硬件連接框圖。
[0030]圖2是本發(fā)明的上位機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境模塊架構(gòu)圖。
[0031 ]圖3是本發(fā)明的開放式運(yùn)動控制器實(shí)時測控系統(tǒng)模塊架構(gòu)圖。
[0032]圖4是本發(fā)明的智能測評工作原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]以下結(jié)合附圖并通過實(shí)施例對本發(fā)明裝置的組成以及實(shí)施步驟作進(jìn)一步的說明。 需要說明的是下述實(shí)施例是敘述性的，不是限定性的，本發(fā)明所涵蓋的內(nèi)容并不限于下述 實(shí)施例。
[0034]如圖1所示，智能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置具有:上位機(jī)11、開放式運(yùn)動 控制器15、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感器組14。驅(qū)動系統(tǒng)包括N組驅(qū)動器及電機(jī)12-1、12-2、……12-n、 以及運(yùn)動機(jī)構(gòu)本體13。
[0035]其中開放式運(yùn)動控制器15具有:微控制器1、圖形顯示器2、數(shù)據(jù)存儲器3、控制程序 下載接口 4、數(shù)據(jù)傳輸接口 5、D/A接口 6、編碼器接口 7、A/D接口 8、I/0接口 9、以及MODBUS接口 10。
[0036] 本發(fā)明裝置硬、軟件的組成結(jié)構(gòu)為:開放式運(yùn)動控制器模塊15與驅(qū)動系統(tǒng)以及傳 感器組14構(gòu)成串接模式，上位機(jī)11與開放式運(yùn)動控制器15連接。上位機(jī)11設(shè)有實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán) 境22,開放式運(yùn)動控制器模塊運(yùn)行著實(shí)時測控系統(tǒng)28。
[0037] 如圖2所示，實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境包括:控制算法設(shè)計(jì)模塊16、控制仿真模塊17、控制程序 生成模塊18、智能測評設(shè)計(jì)模塊19、測試用例設(shè)計(jì)模塊20、以及第一通信服務(wù)模塊21-1。 [0038]如圖3所示，實(shí)時測控系統(tǒng)包括:開放式伺服控制模塊23、數(shù)據(jù)采集記錄模塊24、數(shù) 據(jù)展示模塊25、智能測評模塊26、測試用例執(zhí)行模塊27、以及第二通信服務(wù)模塊21-2。
[0039] 上述智能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的運(yùn)行方法，由開放式運(yùn)動控制器進(jìn) 行智能測評，開放式運(yùn)動控制器的運(yùn)行包含以下步驟：
[0040] S1:啟動開放式伺服控制模塊23,執(zhí)行用戶設(shè)計(jì)的伺服控制算法；同時對伺服控制 算法的執(zhí)行時間和內(nèi)存占用進(jìn)行監(jiān)視，產(chǎn)生控制算法性能監(jiān)控信號。
[0041 ] S2:啟動測試用例執(zhí)行模塊27，按順序自動運(yùn)行各個測試用例。
[0042] S3:利用數(shù)據(jù)采集記錄模塊24獲取來自所述傳感器組14中位置、電流、溫度傳感器 的反饋，產(chǎn)生外部監(jiān)控信號；同時讀取電機(jī)指令信號、伺服控制算法內(nèi)部狀態(tài)變量、驅(qū)動器 內(nèi)部狀態(tài)等數(shù)據(jù)，產(chǎn)生內(nèi)部監(jiān)控信號。
[0043] S4:綜合內(nèi)部監(jiān)控信號、外部監(jiān)控信號和控制算法性能監(jiān)控信號，由智能測評模塊 26進(jìn)行實(shí)時測評，得到伺服控制算法的分項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評價指標(biāo)，作為測評結(jié)果。 [0044] S5:測試用例執(zhí)行完畢后，數(shù)據(jù)展示模塊25自動顯示測評結(jié)果。
[0045] 智能測評模塊26包括特征指標(biāo)實(shí)時計(jì)算引擎、特征提取支持庫和測評指標(biāo)計(jì)算網(wǎng) 絡(luò)，測評指標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)部分采用全連接的三層前饋線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn):第一層為輸入層，第 二層為分項(xiàng)評價層，第三層為綜合評價層。
[0046] 上述步驟S4中計(jì)算分項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評價指標(biāo)的過程，包括以下步驟：
[0047] S41:讀取需要的內(nèi)部監(jiān)控信號、外部監(jiān)控信號及控制算法性能監(jiān)視信號。
[0048] S42:特征指標(biāo)實(shí)時計(jì)算引擎調(diào)用特征提取支持庫中定義的特征提取算法，根據(jù)步 驟S41中讀取的信號實(shí)時在線計(jì)算運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)。
[0049] S43:將步驟S42中計(jì)算出的運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)輸入到測評指標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的輸 入層節(jié)點(diǎn)，輸入層節(jié)點(diǎn)的輸出即為各運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)。
[0050] S44:根據(jù)輸入層到分項(xiàng)評價層節(jié)點(diǎn)間的權(quán)重，對輸入層節(jié)點(diǎn)的輸出進(jìn)行線性加權(quán) 求和，計(jì)算分項(xiàng)評價層各節(jié)點(diǎn)的輸出，得到各分項(xiàng)評價指標(biāo)。
[0051] S45:根據(jù)分項(xiàng)評價層到綜合評價層節(jié)點(diǎn)間的權(quán)重，對分項(xiàng)評價層各節(jié)點(diǎn)輸出進(jìn)行 線性加權(quán)求和，計(jì)算綜合評價層節(jié)點(diǎn)的輸出，得到綜合評價指標(biāo)。
[0052]上位機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境中的智能測評設(shè)計(jì)模塊19,對開放式運(yùn)動控制器15中的智能 測評模塊26進(jìn)行配置。智能測評設(shè)計(jì)模炔基于Matlab腳本構(gòu)建，用于教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求對 開放式運(yùn)動控制器中的智能測評模塊進(jìn)行配置，配置過程包含以下步驟：
[0053] S101:設(shè)定需要記錄的內(nèi)、外部監(jiān)控信號、控制算法性能監(jiān)視信號。
[0054] 內(nèi)部監(jiān)控信號可以包含電機(jī)指令信號、控制算法內(nèi)部狀態(tài)變量、以及驅(qū)動器內(nèi)部 狀態(tài)等;外部監(jiān)控信號是編碼器信號、電流、轉(zhuǎn)矩、溫度等傳感器信號;控制算法性能監(jiān)視信 號包含控制算法的執(zhí)行時間和內(nèi)存占用。
[0055] S102:選擇特征提取支持庫中的算法，配置特征指標(biāo)實(shí)時計(jì)算引擎。
[0056] 特征值提取支持庫包含各種實(shí)時計(jì)算功能，如平均值、方差值、均方根值、最大最 小值、功率、上升時間、調(diào)整時間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、跟蹤誤差、輪廓誤差的計(jì)算函數(shù)。
[0057] S103:設(shè)定測評指標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重系數(shù)。
[0058]權(quán)重系數(shù)可以直接指定，也可通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法對專家評分經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)， 自動生成系數(shù)。
[0059] 完成的配置通過Matlab Coder轉(zhuǎn)換為C語言程序和C語言常量數(shù)組，并加入到運(yùn)動 控制器的控制程序工程中。
[0060] 作為實(shí)施例:運(yùn)動機(jī)構(gòu)本體采用X-Y雙軸直角坐標(biāo)運(yùn)動平臺，因此N= 2。運(yùn)動機(jī)構(gòu) 本體上安裝有位置傳感器、電流傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和溫度傳感器。上位機(jī)采用臺式PC機(jī)， 電機(jī)及驅(qū)動器采用永磁交流伺服電機(jī)及配套的具有模擬量輸入控制方式的驅(qū)動器。
[0061] 如圖1所示，各部件具體連接方案是:開放式運(yùn)動控制器15上的微控制器1的通過 其總線與開放式運(yùn)動控制器的其他硬件模塊連接?？刂瞥绦蛳螺d接口 4采用JTAG編程接口， 上位機(jī)11與控制程序下載接口連接，用于更新控制器的運(yùn)動控制程序。數(shù)據(jù)傳輸接口 5采用 RS-232接口，上位機(jī)與數(shù)據(jù)傳輸接口連接，用于控制器與上位機(jī)交換運(yùn)動控制狀態(tài)、參數(shù)等 數(shù)據(jù)。D/A接口 6將控制器的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，作為各組電機(jī)的指令，分別與X軸和Y 軸的驅(qū)動器及電機(jī)12-1、12-2的模擬指令輸入端口連接。X軸和Y軸的驅(qū)動器及電機(jī)分別接 至運(yùn)動機(jī)構(gòu)本體13 (即X-Y雙軸直角坐標(biāo)運(yùn)動平臺），驅(qū)動器將D/A接口輸出的模擬量信號放 大，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩，帶動運(yùn)動機(jī)構(gòu)本體運(yùn)行。由位置傳感器、電流傳感器、轉(zhuǎn) 矩傳感器、以及溫度傳感器組成傳感器組14,其中位置傳感器安裝在接至運(yùn)動機(jī)構(gòu)本體X和 Y軸上，采用光電編碼器輸出正交編碼信號，通過編碼器接口 7與開放式運(yùn)動控制器連接。電 流傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在電機(jī)上，溫度傳感器安裝在運(yùn)動副上，電流、轉(zhuǎn)矩和溫度傳感 器均采用模擬信號輸出，通過A/D接口8與開放式運(yùn)動控制器連接。I/O接口9連接了2臺驅(qū)動 器的使能信號、報(bào)警信號及運(yùn)動機(jī)構(gòu)本體上X-Y軸的正、負(fù)限位開關(guān)信號。MODBUS接口 10接 驅(qū)動器的MODBUS接口，形成MODBUS總線，用于讀寫驅(qū)動器內(nèi)部狀態(tài)與參數(shù)。
[0062]上位機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境基于Windows 7搭建，用于支持上位機(jī)各軟件模塊的運(yùn)行。 [0063]控制算法設(shè)計(jì)模塊16采用Simulink軟件的模型設(shè)計(jì)功能，用于學(xué)生自主設(shè)計(jì)適用 于開放式運(yùn)動控制器的控制算法，帶有運(yùn)動控制器的專用接口，支持圖形化的編程方法。 [0064]控制仿真模塊17采用Simulink的模型仿真功能，并設(shè)計(jì)了驅(qū)動器、電機(jī)及運(yùn)動機(jī) 構(gòu)本體的仿真模型，通過調(diào)用學(xué)生自主設(shè)計(jì)的控制算法，可以對控制算法進(jìn)行模擬仿真測 試，用于驗(yàn)證算法的可行性。
[0065]控制程序生成模塊18基于Matlab軟件的Coder功能，用于將設(shè)計(jì)好的控制算法編 譯為可以在開放式運(yùn)動控制器的微處理器上運(yùn)行的運(yùn)動控制程序，含有為以開放式運(yùn)動控 制器為目標(biāo)平臺的自動編譯系統(tǒng)專用配置文件。設(shè)計(jì)的控制算法經(jīng)過檢驗(yàn)后，首先通過 Matlab Coder自動轉(zhuǎn)換為C語言程序。在運(yùn)動控制器的控制程序工程中將包含轉(zhuǎn)換的C語言 程序。
[0066]測試用例設(shè)計(jì)模塊20基于Matlab腳本語言構(gòu)建，用于教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)多個 可以在運(yùn)動控制器上自動化執(zhí)行的運(yùn)動測試用例。
[0067] 測試用例1。測試X軸（本實(shí)施例中是驅(qū)動器、電機(jī)1組所在軸）速度環(huán)響應(yīng)特性指 標(biāo)，具體構(gòu)建了X軸的速度階躍輸入測試用例，速度由靜止經(jīng)1秒延遲后階躍至100mm/ S，同 時在測評模塊中配置在測試用例1中采集X軸實(shí)際速度信號，并計(jì)算上升時間、調(diào)整時間、超 調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差的具體數(shù)值。
[0068] 測試用例2。測試Y軸(本例中是驅(qū)動器、電機(jī)2組所在軸)速度環(huán)響應(yīng)特性指標(biāo)，與X 軸速度環(huán)響應(yīng)測試原理一致。
[0069] 測試用例3。測試直線聯(lián)動下運(yùn)動平穩(wěn)性指標(biāo)，測試用例為從坐標(biāo)（0,0)到（100， 100)的直線運(yùn)動命令，測評模塊中配置采集實(shí)際運(yùn)動中的最大加速度、加加速度作為平穩(wěn) 性指標(biāo)。
[0070] 測試用例4。測試圓周運(yùn)動中的輪廓誤差，測試用例為圓心坐標(biāo)(50,0)半徑50的圓 形軌跡，測評模塊中配置采集實(shí)際軌跡與指令軌跡間的輪廓誤差。
[0071] 測試用例最終由Matlab Coder自動轉(zhuǎn)換為C語言程序，并加入運(yùn)動控制器的控制 程序工程。
[0072] 第一通信服務(wù)模塊21-1用于與開放式運(yùn)動控制器通信，下載編譯好的控制軟件， 以及讀寫開放式運(yùn)動控制器的控制狀態(tài)、參數(shù)數(shù)據(jù)。下載功能首先調(diào)用單片機(jī)的C語言編譯 器，將運(yùn)動控制器的控制程序工程中準(zhǔn)備好的程序編譯、鏈接轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制鏡像文件，然后 通過控制程序下載接口 4將鏡像文件下載到開放式運(yùn)動控制器15上，完成控制軟件更新工 作。狀態(tài)與參數(shù)讀寫功能通過數(shù)據(jù)傳輸接口 5與開放式運(yùn)動控制器進(jìn)行通信，讀寫記錄的控 制狀態(tài)、參數(shù)等數(shù)據(jù)。
[0073]在開放式運(yùn)動控制器上實(shí)時測控系統(tǒng)28用于支持各控制軟件模塊的運(yùn)行。實(shí)時測 控系統(tǒng)對運(yùn)動控制器單片機(jī)和各硬件模塊進(jìn)行初始化，然后啟動主控循環(huán)，在此循環(huán)中將 循環(huán)調(diào)用各控制軟件模塊。
[0074]開放式伺服控制模塊23實(shí)時執(zhí)行在上位機(jī)設(shè)計(jì)的控制算法，并對控制算法的執(zhí)行 時間和內(nèi)存占用進(jìn)行監(jiān)視，產(chǎn)生控制算法性能監(jiān)控信號。通過調(diào)用上位機(jī)轉(zhuǎn)換成C語言后的 控制算法，即可實(shí)現(xiàn)學(xué)生設(shè)計(jì)控制算法的實(shí)時執(zhí)行。在調(diào)用控制算法時可以監(jiān)視控制算法 的執(zhí)行時間和內(nèi)存占用情況，生成控制算法性能監(jiān)視信號。
[0075]數(shù)據(jù)采集記錄模塊24用于實(shí)時采集開放式運(yùn)動控制器的內(nèi)部監(jiān)控信號和來自傳 感器組的外部監(jiān)控信號。數(shù)據(jù)采集記錄模塊是固定的C語言程序，根據(jù)智能測評設(shè)計(jì)模塊19 生成的C語言常量數(shù)組，獲得配置信息，根據(jù)配置信息實(shí)時采集需要的內(nèi)部信號和外部信 號，并進(jìn)行記錄。
[0076]數(shù)據(jù)展示模塊25用于在圖形顯示器上以圖形或數(shù)值形式顯示信號狀態(tài)、參數(shù)數(shù)據(jù) 以及智能測評結(jié)果。數(shù)據(jù)展示模塊有數(shù)值顯示、波形顯示、測評結(jié)果顯示三種界面。在數(shù)值 顯示界面下，信號和參數(shù)數(shù)據(jù)按照數(shù)字方式顯示;在波形顯示界面下，信號數(shù)據(jù)繪制為數(shù)值 與時間關(guān)系的波形曲線;在測評結(jié)果顯示界面下，以數(shù)字和柱狀圖方式顯示伺服控制算法 的分項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評價指標(biāo)。
[0077] 智能測評模塊26根據(jù)在上位機(jī)設(shè)計(jì)的智能測評配置，對于運(yùn)動控制算法進(jìn)行智能 在線測評。
[0078] 如圖4所示，智能測評模塊包括特征指標(biāo)實(shí)時計(jì)算引擎、特征提取支持庫和測評指 標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，測評指標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)部分采用全連接的三層前饋線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn):第一層為 輸入層，第二層為分項(xiàng)評價層，第三層為綜合評價層。
[0079] 將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，輸入層各節(jié)點(diǎn)編號為&1、&2……am，分項(xiàng)評價層節(jié) 點(diǎn)為bi、b 2……bn，綜合評價層節(jié)點(diǎn)編號(^。將各層節(jié)點(diǎn)間權(quán)重系數(shù)編號，從輸入層節(jié)點(diǎn)&1(1 = 1,2,......)到分項(xiàng)評價層的節(jié)點(diǎn)bj (j = 1,2,......)的權(quán)值編號為Wij，從分項(xiàng)評價層的節(jié)點(diǎn) bj (j = 1，2，......）到綜合評價層節(jié)點(diǎn)ci的權(quán)值編號為Vj。
[0080] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層節(jié)點(diǎn)間權(quán)重系數(shù)從智能測評設(shè)計(jì)模塊19中生成的C語言常量數(shù)組讀 取。各權(quán)重系數(shù)可以為正、負(fù)或0,在上位機(jī)軟件中的智能測評設(shè)計(jì)模塊確定，有直接指定和 訓(xùn)練兩種方式。在直接指定時，教師可定義分項(xiàng)評價層各節(jié)點(diǎn)輸出的含義，如在本例中bi、 b 2、b3節(jié)點(diǎn)的輸出分別對應(yīng)性能評價、效率評價和可靠性評價。
[0081 ]教師可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求對權(quán)重進(jìn)行設(shè)定，使分項(xiàng)評價和綜合評價結(jié)果針對不同實(shí)驗(yàn) 目標(biāo)有所側(cè)重。在以訓(xùn)練獲取網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的方式中，可以將分項(xiàng)評價層作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含 層，將有經(jīng)驗(yàn)的專家對不同控制性能指標(biāo)組合下給出的分?jǐn)?shù)作為訓(xùn)練樣本，采用BP(反向傳 播)算法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，獲取權(quán)值，從而讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動學(xué)習(xí)到專家評分的原則。
[0082]步驟S4中，智能測評模塊計(jì)算分項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評價指標(biāo)的過程進(jìn)一步包括以 下步驟：
[0083] S41:讀取需要的內(nèi)部監(jiān)控信號、外部監(jiān)控信號及控制算法性能監(jiān)視信號。
[0084]需要記錄的內(nèi)、外部監(jiān)控信號、控制算法性能監(jiān)視信號的配置信息從智能測評設(shè) 計(jì)模塊19中生成的C語言常量數(shù)組讀取。
[0085] S42:特征指標(biāo)實(shí)時計(jì)算引擎調(diào)用特征提取支持庫中定義的特征提取算法，根據(jù)步 驟S41中讀取的信號實(shí)時在線計(jì)算運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)。
[0086] 特征指標(biāo)實(shí)時計(jì)算引擎的配置信息從智能測評設(shè)計(jì)模塊（19)中生成的C語言常量 數(shù)組讀取。本實(shí)施例中采用的運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)包括：
[0087] 精度指標(biāo):X_Y軸速度響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差、X-Y軸定位誤差、X-Y軸重復(fù)定位誤差、X-Y軸 跟蹤誤差平均值、X-Y軸跟蹤誤差方差值、輪廓誤差平均值、輪廓誤差方差值。
[0088] 損耗指標(biāo):運(yùn)動運(yùn)行時間、能量消耗、最大瞬時轉(zhuǎn)矩
[0089] 平穩(wěn)性指標(biāo):最大加速度、最大加加速度、階躍響應(yīng)振蕩次數(shù)
[0090]響應(yīng)指標(biāo):速度階躍響應(yīng)上升時間、速度階躍響應(yīng)調(diào)整時間、速度階躍響應(yīng)超調(diào)量 [0091 ]算法指標(biāo):控制算法的平均CPU占用時間、控制算法的最大內(nèi)存占用率 [0092]其他指標(biāo):運(yùn)動副溫升
[0093] S43:將步驟S42中計(jì)算出的運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)輸入到測評指標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的輸 入層節(jié)點(diǎn)，輸入層節(jié)點(diǎn)的輸出即為各運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)。
[0094] S44:根據(jù)輸入層到分項(xiàng)評價層節(jié)點(diǎn)間的權(quán)重，對輸入層節(jié)點(diǎn)的輸出進(jìn)行線性加權(quán) 求和，計(jì)算分項(xiàng)評價層各節(jié)點(diǎn)的輸出，得到各分項(xiàng)評價指標(biāo)。
[0095]假設(shè)連接到輸入層的各評價指標(biāo)數(shù)值為Xl，則分項(xiàng)評價層的各節(jié)點(diǎn)的輸出^可由 下式計(jì)算
[0096] yj=2^^wuxi：
[0097] S45:根據(jù)分項(xiàng)評價層到綜合評價層節(jié)點(diǎn)間的權(quán)重，對分項(xiàng)評價層各節(jié)點(diǎn)輸出進(jìn)行 線性加權(quán)求和，計(jì)算綜合評價層節(jié)點(diǎn)的輸出，得到綜合評價指標(biāo)。
[0098] 綜合評價層各節(jié)點(diǎn)的輸出Z1可由下式計(jì)算
[0099] ^=Y!^lvjyj
[0100] 測試用例執(zhí)行模塊27用于自動執(zhí)行在上位機(jī)測試用例設(shè)計(jì)模塊20中設(shè)計(jì)的各項(xiàng) 運(yùn)動測試用例。本實(shí)施例中，測試用例執(zhí)行模塊27按順序調(diào)用由上位機(jī)測試用例設(shè)計(jì)模塊 設(shè)計(jì)好的測試用例1~4，實(shí)現(xiàn)自動化測試。
[0101] 第二通信服務(wù)模塊21-2用于與上位機(jī)通信，下載編譯好的控制軟件，以及傳輸開 放式運(yùn)動控制器的控制狀態(tài)、參數(shù)等數(shù)據(jù)。下載功能首先擦除單片機(jī)內(nèi)部Flash存儲器中的 原有控制程序，然后與上位機(jī)建立連接。通過控制程序下載接口接收新的控制軟件，并寫入 單片機(jī)內(nèi)部Flash存儲器。運(yùn)動控制數(shù)據(jù)讀寫功能可以通過數(shù)據(jù)傳輸接口與上位機(jī)進(jìn)行通 訊，上傳采集到的數(shù)據(jù)或讀寫參數(shù)。
[0102] 在完成控制軟件更新后，開放式運(yùn)動控制器即可在學(xué)生自主設(shè)計(jì)的運(yùn)動控制算法 的支持下自動執(zhí)行教師設(shè)計(jì)的一系列測試用例。在此期間，可獲取位置傳感器、電流傳感器 和溫度傳感器讀數(shù)、電機(jī)指令信號、驅(qū)動器內(nèi)部狀態(tài)以及控制算法內(nèi)部的狀態(tài)變量等數(shù)據(jù)， 并進(jìn)行展示和傳輸，并通過智能測評模塊對控制效果進(jìn)行實(shí)時測評。在運(yùn)行結(jié)束后，智能測 評模塊將給出測評結(jié)果，并將結(jié)果即時反饋給參與實(shí)驗(yàn)的師生?？梢钥闯觯景l(fā)明提出的智 能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置實(shí)現(xiàn)了對控制算法的自動化、智能化的快速、客觀測 評，同時具備開放、靈活、易用、直觀的優(yōu)點(diǎn)，能夠極大改善傳統(tǒng)運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效 果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 智能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，具有:上位機(jī)、N組驅(qū)動器及電機(jī)、運(yùn)動機(jī)構(gòu) 本體、傳感器組、開放式運(yùn)動控制器、控制算法設(shè)計(jì)模塊、控制仿真模塊、控制程序生成模 塊、智能測評設(shè)計(jì)模塊、測試用例設(shè)計(jì)模塊、通信服務(wù)模塊、開放式伺服控制模塊、數(shù)據(jù)采集 記錄模塊、數(shù)據(jù)展示模塊、智能測評模塊、以及測試用例執(zhí)行模塊，其中開放式運(yùn)動控制器 具有:微控制器(1)、圖形顯示器(2)、數(shù)據(jù)存儲器(3)、控制程序下載接口（4)、數(shù)據(jù)傳輸接口 (5)、D/A接口（ 6)、編碼器接口（ 7)、A/D接口（ 8)、I/0接口（ 9)、以及MODBUS接口（ IO)，驅(qū)動系 統(tǒng)包括N組驅(qū)動器及電機(jī)（12-1、12-2、……12-n)、以及運(yùn)動機(jī)構(gòu)本體（13)，其特征在于:開 放式運(yùn)動控制器與驅(qū)動系統(tǒng)以及傳感器組（14)構(gòu)成串接模式，上位機(jī)(11)與開放式運(yùn)動控 制器（15)連接，上位機(jī)設(shè)有實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境（22)，開放式運(yùn)動控制器運(yùn)行著實(shí)時測控系統(tǒng) (28)，實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境包括:控制算法設(shè)計(jì)模塊（16)、控制仿真模塊（17)、控制程序生成模塊 (18)、智能測評設(shè)計(jì)模塊（19)、測試用例設(shè)計(jì)模塊(20)、以及第一通信服務(wù)模塊(21-1);實(shí) 時測控系統(tǒng)包括:開放式伺服控制模塊(23)、數(shù)據(jù)采集記錄模塊(24)、數(shù)據(jù)展示模塊(25)、 智能測評模塊(26)、測試用例執(zhí)行模塊(27)、以及第二通信服務(wù)模塊(21-2)。2. -種按照權(quán)利要求1所述智能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的運(yùn)行方法，其特 征在于：由所述的開放式運(yùn)動控制器進(jìn)行智能測評，開放式運(yùn)動控制器的運(yùn)行包含以下步 驟： Sl:啟動所述開放式伺服控制模塊(23)，執(zhí)行用戶設(shè)計(jì)的伺服控制算法；同時對伺服控 制算法的執(zhí)行時間和內(nèi)存占用進(jìn)行監(jiān)視，產(chǎn)生控制算法性能監(jiān)控信號； S2:啟動所述測試用例執(zhí)行模塊(27)，按順序自動運(yùn)行各個測試用例； S3:利用所述數(shù)據(jù)采集記錄模塊(24)獲取來自所述傳感器組（14)中位置、電流、溫度傳 感器的反饋，產(chǎn)生外部監(jiān)控信號；同時讀取電機(jī)指令信號、伺服控制算法內(nèi)部狀態(tài)變量、驅(qū) 動器內(nèi)部狀態(tài)等數(shù)據(jù)，產(chǎn)生內(nèi)部監(jiān)控信號； S4:綜合內(nèi)部監(jiān)控信號、外部監(jiān)控信號和控制算法性能監(jiān)控信號，由所述智能測評模塊 (26)進(jìn)行實(shí)時測評，得到伺服控制算法的分項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評價指標(biāo)，作為測評結(jié)果； S5:測試用例執(zhí)行完畢后，數(shù)據(jù)展示模塊(25)自動顯示測評結(jié)果。3. 按照權(quán)利要求2所述智能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的運(yùn)行方法，其特征在 于:所述的智能測評模塊(26)包括特征指標(biāo)實(shí)時計(jì)算引擎、特征提取支持庫和測評指標(biāo)計(jì) 算網(wǎng)絡(luò)，測評指標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)部分采用全連接的三層前饋線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn):第一層為輸入 層，第二層為分項(xiàng)評價層，第三層為綜合評價層;步驟S4中所述計(jì)算分項(xiàng)評價指標(biāo)和綜合評 價指標(biāo)的過程，包括以下步驟： S41:讀取需要的內(nèi)部監(jiān)控信號、外部監(jiān)控信號及控制算法性能監(jiān)視信號； S42:特征指標(biāo)實(shí)時計(jì)算引擎調(diào)用特征提取支持庫中定義的特征提取算法，根據(jù)步驟 S41中讀取的信號實(shí)時在線計(jì)算運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)； S43:將步驟S42中計(jì)算出的運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)輸入到測評指標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的輸入層 節(jié)點(diǎn)，輸入層節(jié)點(diǎn)的輸出即為各運(yùn)動控制測評特征指標(biāo)； S44:根據(jù)輸入層到分項(xiàng)評價層節(jié)點(diǎn)間的權(quán)重，對輸入層節(jié)點(diǎn)的輸出進(jìn)行線性加權(quán)求 和，計(jì)算分項(xiàng)評價層各節(jié)點(diǎn)的輸出，得到各分項(xiàng)評價指標(biāo)； S45:根據(jù)分項(xiàng)評價層到綜合評價層節(jié)點(diǎn)間的權(quán)重，對分項(xiàng)評價層各節(jié)點(diǎn)輸出進(jìn)行線性 加權(quán)求和，計(jì)算綜合評價層節(jié)點(diǎn)的輸出，得到綜合評價指標(biāo)。4.按照權(quán)利要求2所述智能測評開放式運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的運(yùn)行方法，其特征在 于:所述上位機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境中的智能測評設(shè)計(jì)模塊（19)，對開放式運(yùn)動控制器（15)中所 述的智能測評模塊(26)進(jìn)行配置，配置過程包含以下步驟： SlOl:設(shè)定需要記錄的內(nèi)、外部監(jiān)控信號、控制算法性能監(jiān)視信號； S102:選擇特征提取支持庫中的算法，配置特征指標(biāo)實(shí)時計(jì)算引擎； S103:設(shè)定測評指標(biāo)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重系數(shù)。
【文檔編號】G05B19/414GK105892406SQ201610288316
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月3日
【發(fā)明人】董靖川, 陸鋼慶, 李曉奇, 盧廣華, 李巾錠
【申請人】天津大學(xué)