第7章 基于手臂机器人远程控制的网络教学实验系统设计与实现课件.ppt

* 第七章 基于手臂机器人远程控制的网络教学实验系统设计与实现 内容提要 研究背景与意义 国内外研究现状 系统结构与功能 现场监控子系统设计 远程控制子系统设计 结论与展望 研究背景与意义 研究背景 20世纪90年代，虚拟实验的崛起给远程实验教学带来了希望。但是，虚拟实验的局限在于它不能远程控制实验设备实物进行实验。因此，希望建立一个能够远程控制设备实物的实验系统。 根据中南大学、北京理工大学、日本东京工科大学达成合作开发国际网络教学实验系统的协议，以手臂机器人实验设备作为研究平台，开发具有远程控制设备实物功能的多用户网络教学实验系统。 研究背景与意义 研究意义 网络教学实验系统的建立，将打破传统实验教学的禁锢，使得实验的教学范围不再局限于实验室，为控制理论教学提供一个理想实验教具； 实验设备能被多个用户同时使用，提高了资源利用率，也能为学校节省大量开销。 国内外研究现状 国内外一些大学和教育机构都开展了对具有远 程控制实验设备实物功能的实验系统的研发 意大利锡耶纳大学开发的一套远程自动控制实验（ACT）装 置，可以远程控制直流电机、水位箱的液体水位、悬浮磁铁 以及直升机实验 德国Fern大学的手臂机器人远程实验系统，可以进行抛球实验 哈尔滨工业大学电气学院设计开发了嵌入式远程教学实验系 统——“基于DeviceNet现场总线恒压供水系统” 厦门大学开发的“电阻炉远程控制与仿真实验室系统”为实验者 提供了电阻炉控制的PID控制的仿真和实时控制实验 系统结构与功能—设计需求 丰富的控制算法实验类型 共享三校手臂机器人硬件资源 远程监控实验功能 仿真实验功能 实验数据查询功能 数据库存储功能 系统结构与功能 物理结构 系统结构与功能—手臂机器人硬件系统 手臂机器人硬件系统 手臂结构 机械臂 齿轮 θ 驱动电压 旋转角度 机械结构 系统结构与功能 体系结构 现场监控子系统设计—被控对象模型 传递函数 s Ts K + 2 手臂机器人数学模型 现场监控子系统—控制算法 极点配置 输入控制参数设计 P1S ：配置极点P1的实部 P2X ：配置极点P2的虚部 P1X ：配置极点P1的虚部 P2S ：配置极点P2 的实部 闭环控制框图 s Ts K + 2 控制率为： 现场监控子系统—控制算法 反馈系数确定 配置极点共轭: 配置极点为实数： 现场监控子系统—控制算法 最优跟踪控制 取二次型性能指标为： 输入控制参数设计 加权系数 设计为输入控制参数 闭环控制框图同前类似 控制率中系数确定 现场监控子系统—控制算法 积分分离PID 输入控制参数设计 控制思想 比例系数P 、微分系数Td 、积分系数Ti、阈值 设计 设计为输入控制参数 当偏差 ，不计积分项，避免过大超调 当偏差 ，计算积分项，保证控制精度 现场监控子系统—控制算法 现场监控子系统—闭环控制原理 控制器 PWM脉 宽调制 被控 对象 光电编码 r(kT) b(kT) u(kT) u(t) y(t) 滤波 执行 脉冲计数 E(kT) + _ 现场监控子系统—接口电路设计 0x378H的8位D0~D7(P2~P9) 用作电压输出。 0x379H的高4位Busy, /Ackn ,Paper, Select，(P10~P13)连接单片机的I/O,读取单片机对光电编码器的计数脉冲.第15位/Error 用来作为单片机对PC机的应答信号 0x37AH的第1位/Strobe 用来建立PC与单片机的握手，第14位/Autofdxt用作读取状态计数值高低位选通位。 现场监控子系统—单片机接口电路 现场监控子系统—光电编码器原理 遮光片 u1，u2真值表 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 u1 u2 逆时针旋转 顺时针旋转 24.5° e1 e2 u2 u1 e1 e2 内部电路 现场监控子系统—光电编码脉冲计数 计数值减1 结束 与上一次u1,u2电压比较 此次u1是否与上次u2相等 计数值加1 存储该次u1,u2 N Y N Y 开始 变化? 读取当前电压u1,u2 现场监控子系统—下位机通信程序 开始 系统上电 单片机初始化 设定中断、计时器、PWM初始化 启动定时器、设定全局中断改变位 NOP 中断开始 W,STAT