基于網(wǎng)絡(luò)的自動調(diào)節(jié)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

王博，趙孟文，樊澤明

(1.西安航空學(xué)院機械工程學(xué)院，陜西西安 710089；2.西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，陜西西安 710072)

0 前言

理論、實驗實踐教學(xué)這兩個環(huán)節(jié)，本應(yīng)相輔相成自成一體，而目前的傳統(tǒng)教學(xué)模式是以分離模式為向?qū)1]，產(chǎn)生了理論教學(xué)在教室、實驗實踐教學(xué)在實驗室或?qū)嵱?xùn)基地，這種時空分離的教學(xué)模式，導(dǎo)致了理論教學(xué)、實驗實踐教學(xué)不能同步進(jìn)行，這樣使得學(xué)生在聽理論課時不僅理解困難，而且枯燥無味[2]。同時，理論與實踐教學(xué)由不同老師負(fù)責(zé)，理論課教師和實驗教師上課的風(fēng)格節(jié)奏不同，會讓學(xué)生無所適從。《自動控制原理》這樣理論性很強的課程，對于初學(xué)的學(xué)生來說是很抽象和難學(xué)的?；诖嗽O(shè)計一套網(wǎng)絡(luò)化自動調(diào)節(jié)教學(xué)平臺[3]，使老師在理論課上就能調(diào)動實驗資源，幫助學(xué)生理解復(fù)雜、深奧的理論知識，同時，學(xué)生也可以課下自行預(yù)約排隊實驗，對老師所講內(nèi)容實現(xiàn)鞏固與復(fù)習(xí)，最大化實現(xiàn)理論與實踐教學(xué)的無縫對接[4-5]。

1 實驗臺基本原理

實驗臺由兩級機電伺服單元和機電加載單元構(gòu)成，由2個轉(zhuǎn)動軸實現(xiàn)連接，分別為內(nèi)軸和外軸。因為結(jié)構(gòu)關(guān)系，稱內(nèi)軸為內(nèi)框、外軸為中框。另外還有2個軸為預(yù)留備用，分別稱為外框和底框。4個電機分別安裝在兩個軸的兩端，通過彈性聯(lián)軸器與軸相連，每個軸的其中一端安裝一個交流伺服電機，用于位置控制，另一端安裝直流力矩電機。力矩電機能夠給出各種力矩信號，這個信號可以作為運動控制電機的力矩干擾信號或負(fù)載信號。不同的軸，電機型號和規(guī)格不同。每個軸分別安裝多種不同的傳感器，可以采集角位移、速度、力矩等各種反饋信號。實驗臺外觀及布局如圖1所示。

圖1 實驗臺外觀及布局

轉(zhuǎn)臺的各種電機及其傳感器與各自的驅(qū)動器相連，同時工控機內(nèi)部安裝板卡，板卡端子與驅(qū)動器相連，實現(xiàn)工控機與驅(qū)動器的通信，進(jìn)而實現(xiàn)了控制與反饋數(shù)據(jù)的傳輸。

工控機采用NI公司測控軟件LabWindows/CVI，利用該軟件編寫C語言程序，借助其強大功能可實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的搭建。平臺分為本地部分和遠(yuǎn)程部分。本地部分有自己的測控界面，通過修改C語言代碼可實現(xiàn)各種控制算法的加入。本地測控界面支持開環(huán)、單位反饋以及數(shù)字PID實驗，可將其運動曲線以及傳感器數(shù)據(jù)顯示在界面上。遠(yuǎn)程通過打開360瀏覽器輸入實驗臺服務(wù)器網(wǎng)址，即可進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程界面，進(jìn)入界面即可預(yù)約實驗。網(wǎng)絡(luò)實驗界面包括實時在線視頻和實時傳感器數(shù)據(jù)。

1.1 實驗系統(tǒng)本地部分

實驗系統(tǒng)本地部分構(gòu)成了系統(tǒng)的主體，它決定了系統(tǒng)的主要功能及結(jié)構(gòu)，內(nèi)軸、外軸伺服電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同。內(nèi)、外軸采樣周期為0.02 s；閉環(huán)輸入為角度指令，范圍是0～360°；輸出為角位移，單位是(°)。圖2所示為伺服電機控制系統(tǒng)方框圖，其中給定元件、比較元件、校正元件均為工控機及CVI測控軟件。工控機通過串口與伺服電機驅(qū)動器相連，驅(qū)動器輸出電壓控制伺服電機；光電編碼器構(gòu)成測量元件檢測位置脈沖個數(shù)，伺服驅(qū)動器根據(jù)光電編碼器傳來的數(shù)據(jù)計算位置及速度信號；最后，通過Moxa卡傳回主控計算機構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。

圖2 伺服電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

內(nèi)、外軸力矩電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，內(nèi)、外軸閉環(huán)輸入為力矩指令，范圍是0～4；輸出為力矩，當(dāng)力矩電機作為干擾給伺服電機加力時，輸入范圍為0～1。圖3所示為力矩電機控制系統(tǒng)方框圖，其中給定元件、比較元件、校正元件均為工控機及CVI測控軟件；工控機通過PCI8932數(shù)據(jù)采集卡與力矩電機驅(qū)動器相連，力矩電機通過PCI8932DA輸出控制力矩電機電樞繞組電壓(單極性)；通過PCI8932DO控制力矩電機方向；驅(qū)動器輸出電壓控制伺服電機，光電編碼器和力矩驅(qū)動器構(gòu)成測量元件檢測位置脈沖個數(shù)和采集電流；伺服驅(qū)動器和力矩驅(qū)動器根據(jù)電流和脈沖計算力矩、位置及速度并轉(zhuǎn)換為原碼后存儲；最后，通過Moxa卡傳回主控計算機，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。

圖3 力矩電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 實驗系統(tǒng)遠(yuǎn)程部分

遠(yuǎn)程部分依托于TCP/IP技術(shù)與Web界面通過服務(wù)器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接[6]，可以實時采集網(wǎng)絡(luò)實驗臺的傳感器數(shù)據(jù)并在網(wǎng)絡(luò)端實現(xiàn)計算機控制閉環(huán)。網(wǎng)絡(luò)端支持兩種模式:一種為直接輸入控制參數(shù)進(jìn)行對應(yīng)的開環(huán)、閉環(huán)以及PID控制；另外一種為網(wǎng)絡(luò)在線編程模式，提供閉環(huán)所需要的變量，即控制量與反饋量?？梢宰孕性O(shè)計控制器并實時驗證控制效果，網(wǎng)絡(luò)控制采樣周期為0.05 s。圖4所示為網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的無網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場式控制系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有很多優(yōu)點：(1)系統(tǒng)成本低；(2)系統(tǒng)柔性強、可靠性高；(3)系統(tǒng)靈活性強、易于擴展；(4)易于安裝維護(hù)，便于進(jìn)行故障診斷；(5)信息資源能共享；(6)可實現(xiàn)復(fù)雜的大系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制[7]。

圖4 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 實驗臺硬件構(gòu)成

(1)實驗臺動力總成。實驗臺由內(nèi)軸、外軸組成，每一個軸依次由交流伺服電機、聯(lián)軸器、框體、聯(lián)軸器、直流力矩電機組成。伺服、力矩電機選型如下：內(nèi)外伺服電機為臺達(dá)ECMA-CA0604RS;內(nèi)外力矩電機為北京永光高特110LYX01F。

(2)動力總成接線。交流伺服電機由前端的電機本體與尾部的編碼器組成。電機本體接頭通過轉(zhuǎn)臺內(nèi)部線路與電機驅(qū)動器的u、v、w快速接頭連接，負(fù)責(zé)電機供電、調(diào)速、換向等功能，伺服電機為單相220 V供電。電機尾部的編碼器由信號正負(fù)、電源正負(fù)、電池盒正負(fù)6根線組成，同樣通過轉(zhuǎn)臺內(nèi)部線路與電機驅(qū)動器CN2快速接頭相連，負(fù)責(zé)采集伺服電機的位移、速度、力矩等信息，采集到的信息暫時儲存在驅(qū)動器內(nèi)，等待與工控機的數(shù)據(jù)交互。直流力矩電機僅通過兩根線經(jīng)過轉(zhuǎn)臺內(nèi)部線路與驅(qū)動器相連。這兩根線即為加在電樞繞組上的24 V電源正負(fù)。通過這兩根線驅(qū)動器即可控制電樞繞組兩端電壓，實現(xiàn)控制力矩輸出大小的功能，并且可以采集其電流，通過系數(shù)換算(直流電機力矩與電樞電流成正比)得到力矩電機輸出的力。具體接線如圖5所示。

圖5 實驗臺電機驅(qū)動器接線

(3)數(shù)控板卡。此教學(xué)平臺一共使用了3塊測控板卡[8],分別為1塊阿爾泰科技PCI8932(AD/DA;DI/DO)以及2塊MOXACP-134U(1塊板卡可實現(xiàn)4路485通信，2個伺服電機用1塊卡通信，2個力矩電機用1塊卡通信，剩下的用于后期擴展。3塊板卡均通過工控機內(nèi)部的PCI卡槽與工控機相連。PCI8932有4路DA輸出，其中第1路和第2路對應(yīng)內(nèi)、外軸2個力矩電機的模擬量輸入接口，該板卡可以通過控制DA輸出的大小控制力矩電機(與力矩電機驅(qū)動器COM端以及AI1/AI2端相連)的轉(zhuǎn)速/力矩。PCI8932有16路DO/DI，其中2路DO依次與內(nèi)、外軸2個力矩電機驅(qū)動器的DE端相連，控制對應(yīng)力矩電機的方向，串口卡MOXACP-134U板卡插入PCI卡槽后，將其側(cè)面接頭與一轉(zhuǎn)四轉(zhuǎn)接器相連，無需改變撥碼開關(guān)，安裝驅(qū)動即可與工控機進(jìn)行通信。轉(zhuǎn)接器與4路兩線485相連，實現(xiàn)伺服電機驅(qū)動器(控制信號與采集信號交互)、力矩電機驅(qū)動器(電流反饋)與工控機的通信[8]。外接線過程中會用到一些接線端子，作用為將細(xì)小的板卡接頭放大為可直接與電線相連的接線端子。板卡接線端子板如圖6所示。

圖6 板卡接線端子板

3 實驗臺軟件設(shè)計

(1)本地軟件設(shè)計。實驗臺軟件本地測控程序采用LabWindows/CVI進(jìn)行編寫[9]，界面設(shè)計劃分為3個分區(qū)，分別為電機控制區(qū)、啟動與模式選擇區(qū)、記錄曲線與數(shù)據(jù)區(qū)[10]，具體如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 電機控制

圖8 啟動與模式

圖9 數(shù)據(jù)記錄

(2)Web遠(yuǎn)程操作界面設(shè)計。該遠(yuǎn)程控制界面采用了樊澤明教授的發(fā)明專利“一種理論與實驗一體化同步教學(xué)系統(tǒng)”，實驗臺遠(yuǎn)程操作界面利用JavaScript編寫[11]，圖10所示為針對實驗臺所開發(fā)的遠(yuǎn)程實驗控制界面。該實驗界面由現(xiàn)場視頻、采集顯示和操作界面三部分構(gòu)成[12]?，F(xiàn)場視頻負(fù)責(zé)實時監(jiān)測實驗室內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)，采集顯示負(fù)責(zé)將傳回的傳感器采集數(shù)據(jù)以曲線的形式在頁面顯示，操作界面提供實驗排隊、控制參數(shù)設(shè)定等操作功能。

圖10 遠(yuǎn)程操作界面

4 實驗效果展示

開始實驗前，學(xué)生需要先登錄并“點擊排隊”，如圖11所示，若此時設(shè)備空閑，則直接進(jìn)入實驗，否則等待隊列之前的學(xué)生完成實驗后，方可進(jìn)入實驗。系統(tǒng)為學(xué)生權(quán)限分配的實驗時間為5 min，教師為45 min。若計時結(jié)束前未“退出實驗”，系統(tǒng)會自動移除當(dāng)前實驗用戶，將隊列中的用戶按順序推入實驗。

圖11 排隊界面

然后，點擊編寫程序，彈出程序編寫窗口，學(xué)生將記事本中預(yù)先寫好的程序復(fù)制進(jìn)該窗口，如果熟練也可以直接進(jìn)行編程，然后依次點擊提交編譯、生成代碼、發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示界面、圖像顯示界面分別如圖12、圖10所示。在圖12中可以看到實時數(shù)據(jù)，包括該軸目前角位移情況，可以看出角位移為202.54°、目標(biāo)值為200°。內(nèi)框PID控制程序如下：

內(nèi)框伺服(控制角度在0～360°)：

var error;//誤差

var error_sum=0;//誤差和

var error_last=0;//上一拍誤差

var p,i,d;//比例、積分、微分控制量

var goal=200;//目標(biāo)值

var KP=4;//比例系數(shù)

var KI=0.2;//積分系數(shù)

var KD=0;//微分系數(shù)

function diyCirculate()

{

command[0]=1;//開定時器

command[1]=1;//

error = goal-feedback[0];

p = KP * error;

error_sum += error;

i = KI * error_sum*0.05;

d = KD *(error-error_last)/0.05;

error_last = error;

command[9]= p+i+d;

}

把目標(biāo)值改為var goal=150時，PI控制器輸出曲線如圖13所示?？梢钥闯觯嚎刂菩Ч缓?，超調(diào)太大，還有穩(wěn)態(tài)誤差[13]。主要原因是代碼中微分系數(shù)是0，導(dǎo)致系統(tǒng)中缺乏阻尼作用，積分系數(shù)不夠[14]。這時把KD設(shè)為1.2、KI設(shè)為0.7再次提交編譯[15]、生成代碼、發(fā)送數(shù)據(jù)，記錄曲線如圖14所示，可以看出性能改善明顯。

圖13 PI控制器輸出曲線 圖14 改進(jìn)后PID控制器輸出曲線

5 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)化的自動調(diào)節(jié)教學(xué)系統(tǒng)，使教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)突破了時空限制，教師在課堂上講解復(fù)雜深奧的控制理論知識的同時，能夠通過網(wǎng)絡(luò)使課堂快速轉(zhuǎn)接至實驗室，使學(xué)生能趁熱打鐵，迅速掌握所學(xué)理論知識，同時也能將理論聯(lián)系實際。學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)，也可以隨時注冊登錄實驗臺服務(wù)器網(wǎng)址，隨時隨地進(jìn)行專業(yè)化實驗訓(xùn)練，使寶貴的實驗設(shè)備最大化地為廣大師生提供服務(wù)。