可视化的快速设计与验证控制教学实验系统转让专利
申请号 : CN200810012934.1
文献号 : CN100590678C
文献日 : 2010-02-17
发明人 : 方正 , 柴天佑 , 王良勇 , 葛树志 , 何洪生 , 李志伟 , 吕海
申请人 : 东北大学
摘要 :
一种可视化的快速设计与验证控制教学实验系统，属于自动化专业教学实验技术领域，该系统由机电联合仿真系统和控制系统快速成型与验证系统组成，机电联合仿真系统包括机械设计子系统、3D可视化仿真子系统、实验解决方案子系统和集成开发环境子系统，所述的控制系统快速成型与验证系统，包括运动控制子系统、实验解决方案子系统和集成开发环境子系统。本发明采用虚拟实验仿真验证的算法，利用图形化的编辑环境替换相应接口模块后，自动生成实时代码并进行编译、连接、下载和自动运行。
权利要求 :
1、一种可视化的快速设计与验证控制教学实验系统，其特征在于该系统由机电联合仿真系统 和控制系统快速成型与验证系统组成，所述的机电联合仿真系统，包括机械设计子系统、 3D可视化仿真子系统、实验解决方案子系统和集成开发环境子系统，其中3D可视化仿 真子系统包括；
a、3D视觉渲染引擎模块，利用渲染引擎为虚拟被控对象建立3D的视觉渲染模型；
b、物理引擎模块，利用物理引擎为虚拟被控对象建立精确的物理计算模型；
c、模型在线编辑模块，实现仿真模型的实时编辑和参数修改；
集成开发环境子系统包括：
a、代码编辑器模块，进行代码的编写、编译、调试以及智能纠错；
b、基本数学库模块，提供了基本的数学函数的API函数；
c、控制算法库模块，提供了控制算法，包括PID算法，LQR算法，神经网络控制算法；
d、代码化通讯接口模块，提供代码化的与虚拟3D被控对象进行通讯的仿真驱动接口和 与实际被控对象的硬件系统进行通讯的实时驱动接口；
实验解决方案子系统包括：
a、可扩展的实验案例模块，提供了自动化专业的基本课程的实验案例，包括了自动控制 原理、现代控制理论和计算机控制系统课程；
b、算法开发模版模块，在此模版上进行修改或者重建来建立控制算法；
c、控制工具箱模块，提供可扩展的控制算法工具，包括模糊控制工具箱和神经网络控制 工具箱；
d、图形化通讯接口模块，提供图形化的与虚拟3D被控对象进行通讯的仿真驱动接口和 与实际被控对象的硬件系统进行通讯的实时驱动接口；
所述的控制系统快速成型与验证系统，包括运动控制子系统、实验解决方案子系统和集成 开发环境子系统；
所述的运动控制子系统有两种实现方式：第一种实现方式包括PC、数据采集卡、放大/ 驱动电路、采样电路和被控对象系统，其中PC机的功能为监控和控制算法执行；第二种实 现方式包括PC、嵌入式控制器、放大/驱动电路、采样电路和被控对象系统，其中PC机功能 为监控控制过程，而嵌入式控制器执行实时控制算法；采用第一种方式的时候，所有的控制 程序都是运行在PC机上的，其控制系统的实时性有基于PC机的实时控制内核来保证，而采 用第二种方式的时候，在PC机上利用图形化编程环境建立控制算法然后自动生成实时代码 并进行编译、连接，然后下载到嵌入式控制中运行。
2、按照权利要求1所述的一种可视化的快速设计与验证控制教学实验系统，其特征在于该教 学实验系统的过程如下：首先利用机械设计子系统建立3D模型，然后导入到3D可视化 仿真子系统并生成物理模型，接下来在集成开发环境子系统选择图形化的编程环境还是高 级语言编程环境，如果是高级语言，则利用所提供的基本数学库模块和控制算法库模块进 行控制器设计，如果是图形化编程环境，则利用控制工具箱模块完成控制器的设计；在控 制器设计完成之后，在实验解决方案子系统选择实验方式，如果是虚拟对象仿真实验，则 选择图形化通讯接口模块的仿真驱动接口进行虚拟仿真实验，通过调节控制器参数来观察 控制效果；如果是实物对象实验，则将仿真驱动接口替换成实时驱动接口进行实物实验， 进行代码自动下载并实时控制来观察控制效果；如果效果不满意，则修改控制器并调节参 数，直到获得满意控制效果，实验结束为止。
3、按照权利要求1所述的一种可视化的快速设计与验证控制教学实验系统，其特征在于所述 的机电联合仿真系统的工作流程如下：步骤一：
机械设计软件环境中建立实验对象的视觉模型，存储为标准渲染模型文件；
步骤二：
3D仿真环境子系统根据渲染模型文件生成精确的物理模型用于物理引擎的动力学运算， 并渲染其视觉模型；
步骤三：
通过3D可视化仿真环境子系统的物理引擎和渲染引擎的访问接口来调整虚拟样机的相 关参数，使其物理特性与实物样机的一致；
步骤四：
设计仿真对象的仿真驱动接口模块实现与3D可视化仿真的虚拟被控对象连接；
步骤五：
设计控制器，并利用图形化编程语言或者高级语言编写控制算法，对整个机电系统进行 联合仿真，在线调整控制器参数，并在3D环境中直观感受控制效果。
4、按照权利要求1所述的一种可视化的快速设计与验证控制教学实验系统，其特征在于所述 的控制系统快速成型与验证系统的工作流程如下：步骤一：
首先进行实验分析，根据实验需求选择实验解决方案或自定义实验算法；
步骤二：
根据实验方案进行算法设计，并在集成开发环境子系统或者实验解决方案子系统中以图 形模块或代码搭建实验算法，并进行实时驱动接口系统连接和设置；
步骤三：
连接运动控制系统和实物被控对象，进行实验验证，监控并存储实验数据和曲线，对不 理想的实验结果进行分析，并进一步通过在线调整控制器设计或调节控制参数；
步骤四：
确定控制系统，定型机械系统和控制系统。
说明书 :
技术领域
本发明属于自动化相关专业教学实验技术领域，涉及一种可视化的快速设计与验证控制 教学实验系统。
背景技术
本实验系统是为控制类专业、机器人专业以及机电一体化等相关工科专业研究开发的一 套教学实验系统。在中国高等教育中，自动化专业是一个融合了控制理论与技术、机械设计、 电子设计、软件工程为一体的综合性学科。当今，社会需求的自动化专业的人才要求有扎实 的理论基础，较强的实际动手能力，这就需要学生在学校阶段要有很好的理论设计和实际开 发的训练。而目前，国内外的自动化专业的教学实验系统很难满足以上需求，一个重要的原 因就是教学实验系统的落后。
国内现有的自动化教学产品参差不齐，功能较单一且技术较落后，不能很好地将最新的 控制技术、计算机技术、软件技术等融入到教学产品中。针对于这种情况，国内很多高校都 开始引进了国外较先进的实验系统。这样虽然设备都比较先进了，但是往往这些系统不符合 中国自动化学科教学实际情况(在国外是没有自动化专业的，所谓的自动化专业都是隶属于 某一特定学科的，如机械、化工等，而中国的自动化学科是一个独立的专业)，很难满足本科 生和研究生的实验教学需求。此外由于这些系统一般都比较昂贵，所以通常变成了只有少数 研究生才可以使用的“贵重固定资产”。目前国内外比较著名的自动化教学产品系统主要有加 拿大Quanser系统、美国的ECP系统和英国的Feedback系统，国内的有深圳固高科技以等。 但是这些系统都不符合中国自动化学科的需求，不能很好地贴近中国自动化学科的实际教学， 只能完成某些固定的实验或者用于理论研究，仍然不能很好地将机械、电子与控制相融合。 如Quanser系统、ECP系统等，在国外广泛应用于机械学院的控制专业，这些专业通常有较 好的机械设计基础，可以对其机械以及控制进行研究学习，因此很适合于该专业。而国内很 多学校将其买过来用于控制教学，则只能完成某些控制算法的研究，而不能对其机械、电子 等技术进行研究，在一定程度上浪费了资源。这主要有两个方面的原因：一是国内高校使用 不当，第二个重要的问题就是这些教学产品在设计的时候没有考虑到中国的自动化实际情况， 产品的各个环节的联系不够紧密，不能将控制器设计、机械设计、电子设计、软件开发集成 到一个教学实验系统中并且密切结合自动化教学的实际课程，这是目前现有教学产品共同存 在的问题。
一般来讲，传统的涉及到控制器设计、机械设计、电子设计和软件设计的控制系统的开 发主要流程由如下几个阶段组成：
(1)机械设计阶段：在传统的机电一体化系统设计过程中，学生要首先使用3D机械设计 软件(如Solidworks、Pro/E等)设计出被控对象的机械结构，然后再利用机械运动学 和动力学仿真软件(如ADAMS)，利用脚本语言编写控制命令来进行仿真分析。如果 结果可行，则可以进行机械加工。
(2)控制算法设计阶段：如果第一步的仿真结果可行，则开始研究系统的控制模型建立。 这一部分通常要根据系统的物理特性来建立被控对象的控制模型，然后利用仿真分析 软件(如Matlab/Simulink、LabView等)根据所建立的数学模型进行数值仿真，并通 过数据进行控制效果分析，如果仿真结果满意则控制器设计结束。
(3)控制器硬件设计阶段：这一阶段主要是根据控制算法的实时性以及复杂程度来设计实 际控制系统，如选用单片机或者其他高性能处理器等。
(4)系统整体调试阶段：当机械样品生产完成后，连接实际控制系统进行整机调试，学生 往往需要重新将仿真用的控制算法(如Matlab/Simulink、LabView等编写的)变成硬 件可执行的代码(如C代码)来进行实际系统控制，并利用源代码进行控制算法调试。
以上4个阶段基本上完成了传统的机电一体化设计与开发。但是，实际设计中如果发现 上述的某一步设计存在问题，则会造成很多重复性的工作。比如，如果机械设计有问题，则 会导致第二步的数学模型需要重新建立，需要重新做控制器仿真实验并且实际控制算法的程 序也需要重新编写。此外，以上四个步骤涉及了机械、控制、电子、软件等好几个学科的知 识，学生很难在短时间内掌握如此多的软件技能(如Solidworks，ADAMS，Simulink，C/C++)。 由于存在以上原因，因此在目前的高等学校教学系统中还没有能提供如此综合的实验教学系 统。然而，以上四步的技能又恰恰是社会对自动化学科复合型人才的基本需求。
总的来讲，目前教学实验系统存在的主要问题有：
(1)在目前的控制算法仿真中，大多数集中在模型的数值方面，即仅仅是数值计算结果简 单显示。这样仿真的结果给学生的印象不深，而且较枯燥，虽然目前有些系统提供了 将仿真结果三维可视化，但是只是简单的考虑了三维可视，而没有在3D环境中考虑 被控对象的物理特性，不是基于物理学仿真实体的算法仿真。
(2)目前的实验系统缺少一个友好的、开放的实验系统操作界面，操作复杂；没有丰富的、 全面的实验解决方案，面向的最终用户范围小；可扩展性不好，无法添加新的实验解 决方案；使用者无法制作符合自己需要的实验解决方案；缺少符合中国自动化相关专 业教学实际的相关实验设计。
(3)算法建立困难，算法验证困难，算法及参数调试周期长，通过需要编写大量代码才能 完成一个控制实验或者仿真实验，这对于一些理论研究者来讲会大大降低研究的效率；
(4)基本无法进行半实物仿真(硬件在回路仿真)，即使能够实现半实物仿真，也只是针对 某一固定的实验设备，无法根据实验的实际需要更换实验设备，并且无法对全部的实 验解决方案进行半实物仿真。
(5)实验系统各环节脱节，目前的教学实验系统，不能将控制器设计、机械设计、电子设 计、软件开发集成到一个软件系统中，造成了各环节脱离。如果学生想完成整个系统 的设计，则需要自学许多相关的软件和专业知识才行。因此，这些教学产品系统只能 完成其中的一部分实验(如控制算法验证、软件编程等)，而无法为自动化相关专业学 生提供系统的训练(加拿大的Quanser系统只用于控制理论的研究)。
因此，针对于以上存在的问题，设计一个综合性的实验教学系统是非常有研究意义和实 际应用价值的。
国内现有的自动化教学产品参差不齐，功能较单一且技术较落后，不能很好地将最新的 控制技术、计算机技术、软件技术等融入到教学产品中。针对于这种情况，国内很多高校都 开始引进了国外较先进的实验系统。这样虽然设备都比较先进了，但是往往这些系统不符合 中国自动化学科教学实际情况(在国外是没有自动化专业的，所谓的自动化专业都是隶属于 某一特定学科的，如机械、化工等，而中国的自动化学科是一个独立的专业)，很难满足本科 生和研究生的实验教学需求。此外由于这些系统一般都比较昂贵，所以通常变成了只有少数 研究生才可以使用的“贵重固定资产”。目前国内外比较著名的自动化教学产品系统主要有加 拿大Quanser系统、美国的ECP系统和英国的Feedback系统，国内的有深圳固高科技以等。 但是这些系统都不符合中国自动化学科的需求，不能很好地贴近中国自动化学科的实际教学， 只能完成某些固定的实验或者用于理论研究，仍然不能很好地将机械、电子与控制相融合。 如Quanser系统、ECP系统等，在国外广泛应用于机械学院的控制专业，这些专业通常有较 好的机械设计基础，可以对其机械以及控制进行研究学习，因此很适合于该专业。而国内很 多学校将其买过来用于控制教学，则只能完成某些控制算法的研究，而不能对其机械、电子 等技术进行研究，在一定程度上浪费了资源。这主要有两个方面的原因：一是国内高校使用 不当，第二个重要的问题就是这些教学产品在设计的时候没有考虑到中国的自动化实际情况， 产品的各个环节的联系不够紧密，不能将控制器设计、机械设计、电子设计、软件开发集成 到一个教学实验系统中并且密切结合自动化教学的实际课程，这是目前现有教学产品共同存 在的问题。
一般来讲，传统的涉及到控制器设计、机械设计、电子设计和软件设计的控制系统的开 发主要流程由如下几个阶段组成：
(1)机械设计阶段：在传统的机电一体化系统设计过程中，学生要首先使用3D机械设计 软件(如Solidworks、Pro/E等)设计出被控对象的机械结构，然后再利用机械运动学 和动力学仿真软件(如ADAMS)，利用脚本语言编写控制命令来进行仿真分析。如果 结果可行，则可以进行机械加工。
(2)控制算法设计阶段：如果第一步的仿真结果可行，则开始研究系统的控制模型建立。 这一部分通常要根据系统的物理特性来建立被控对象的控制模型，然后利用仿真分析 软件(如Matlab/Simulink、LabView等)根据所建立的数学模型进行数值仿真，并通 过数据进行控制效果分析，如果仿真结果满意则控制器设计结束。
(3)控制器硬件设计阶段：这一阶段主要是根据控制算法的实时性以及复杂程度来设计实 际控制系统，如选用单片机或者其他高性能处理器等。
(4)系统整体调试阶段：当机械样品生产完成后，连接实际控制系统进行整机调试，学生 往往需要重新将仿真用的控制算法(如Matlab/Simulink、LabView等编写的)变成硬 件可执行的代码(如C代码)来进行实际系统控制，并利用源代码进行控制算法调试。
以上4个阶段基本上完成了传统的机电一体化设计与开发。但是，实际设计中如果发现 上述的某一步设计存在问题，则会造成很多重复性的工作。比如，如果机械设计有问题，则 会导致第二步的数学模型需要重新建立，需要重新做控制器仿真实验并且实际控制算法的程 序也需要重新编写。此外，以上四个步骤涉及了机械、控制、电子、软件等好几个学科的知 识，学生很难在短时间内掌握如此多的软件技能(如Solidworks，ADAMS，Simulink，C/C++)。 由于存在以上原因，因此在目前的高等学校教学系统中还没有能提供如此综合的实验教学系 统。然而，以上四步的技能又恰恰是社会对自动化学科复合型人才的基本需求。
总的来讲，目前教学实验系统存在的主要问题有：
(1)在目前的控制算法仿真中，大多数集中在模型的数值方面，即仅仅是数值计算结果简 单显示。这样仿真的结果给学生的印象不深，而且较枯燥，虽然目前有些系统提供了 将仿真结果三维可视化，但是只是简单的考虑了三维可视，而没有在3D环境中考虑 被控对象的物理特性，不是基于物理学仿真实体的算法仿真。
(2)目前的实验系统缺少一个友好的、开放的实验系统操作界面，操作复杂；没有丰富的、 全面的实验解决方案，面向的最终用户范围小；可扩展性不好，无法添加新的实验解 决方案；使用者无法制作符合自己需要的实验解决方案；缺少符合中国自动化相关专 业教学实际的相关实验设计。
(3)算法建立困难，算法验证困难，算法及参数调试周期长，通过需要编写大量代码才能 完成一个控制实验或者仿真实验，这对于一些理论研究者来讲会大大降低研究的效率；
(4)基本无法进行半实物仿真(硬件在回路仿真)，即使能够实现半实物仿真，也只是针对 某一固定的实验设备，无法根据实验的实际需要更换实验设备，并且无法对全部的实 验解决方案进行半实物仿真。
(5)实验系统各环节脱节，目前的教学实验系统，不能将控制器设计、机械设计、电子设 计、软件开发集成到一个软件系统中，造成了各环节脱离。如果学生想完成整个系统 的设计，则需要自学许多相关的软件和专业知识才行。因此，这些教学产品系统只能 完成其中的一部分实验(如控制算法验证、软件编程等)，而无法为自动化相关专业学 生提供系统的训练(加拿大的Quanser系统只用于控制理论的研究)。
因此，针对于以上存在的问题，设计一个综合性的实验教学系统是非常有研究意义和实 际应用价值的。
发明内容
本发明针对现有教学实验系统的不足和缺陷，提出了一种由机械设计、3D可视化仿真、 半实物仿真、丰富实验解决方案构成的教学实验系统。利用该教学系统，可以快速地完成机 电系统联合仿真以及机电系统快速成型与验证，适合于自动化相关专业的教学实验使用。
本发明提出了从三维机械设计到控制算法的图形/代码化快速实现、高可信度3D仿真算 法验证、半实物仿真算法验证、实物在线/离线算法验证的完整实验系统的技术解决方案。实 验系统主要包括：机械设计子系统、集成开发环境子系统、3D可视化仿真子系统、实验解决 方案子系统、运动控制子系统和被控对象子系统，其中机械设计子系统、3D可视化仿真子系 统、实验解决方案子系统和集成开发环境子系统构成了机电联合仿真系统，实验解决方案子 系统、集成开发环境子系统、运动控制子系统以及被控对象子系统组成了控制系统快速成型 与验证系统。
机械设计子系统的主要是采用学生易于使用的3D机械设计软件(如Solidworks)，可以 进行零件建模、部件装配和整机装配，并且还可以进行简单运动学、动力学以及应力应变分 析等，为基于物理模型的3D仿真奠定基础。
集成开发环境子系统主要包含如下功能模块：
a、代码编辑器模块，进行代码的编写、编译、调试以及智能纠错；
b、基本数学库模块，提供了基本的数学函数的API函数；
c、控制算法库模块，提供了控制算法，包括PID算法，LQR算法，神经网络控制算法；
d、代码化通讯接口模块，提供代码化的与虚拟3D被控对象进行通讯的仿真驱动接口和
与实际被控对象的硬件系统进行通讯的实时驱动接口；
代码编辑器模块可以进行代码的编写、编译、调试以及智能纠错等。基本数学库模块主 要提供了基本的数学函数的API函数，如矩阵运算，优化算法等。控制算法库模块主要提供 了大量的控制算法，如PID算法，LQR算法，神经网络控制算法等。代码化通讯接口模块主 要提供了与虚拟3D被控对象进行通讯的仿真驱动接口和与实际被控对象的硬件系统进行通 讯的实时驱动接口。集成开发环境子系统主要提供了代码化(如C/C++语言)的编辑环境、 基本数学库和算法库，能够以在线和离线的方式进行实物对象实验和虚拟仿真实验。集成开 发环境提供的基本数学库模块和算法库模块方便终端用户快速的实现算法；通过相应的驱动 接口实现仿真对象和实物对象的在线和离线实验，程序可直接下载到实验对象或进行远程控 制；通过半实物仿真技术实现算法在所选实验设备上的快速验证。
3D可视化仿真子系统主要有3D视觉渲染引擎模块、物理引擎模块、模型在线编辑模块 组成。3D视觉渲染引擎模块，其主要功能是利用渲染引擎为虚拟被控对象建立3D的视觉渲 染模型。物理引擎模块，其主要功能是利用物理引擎为虚拟被控对象建立精确的物理计算模 型。模型在线编辑模块，实现仿真模型的实时编辑和参数修改；3D可视化仿真子系统的主要 功能是提供高仿真度的可视化虚拟仿真系统，可以完成虚拟对象的3D模型在线编辑、物理 模型建模、实体参数实时调整(如长度、高度、质量等)等，。3D可视化仿真子系统的渲染 引擎可以是常用的OpenGL，OSG等等，而物理引擎可以是PhysX，ODE等。3D仿真子系 统可以采用C，C++，Python等语言结合相应的渲染引擎和物理引擎来开发，也可以采用集 成渲染引擎和物理引擎的开发平台进行开发，如Microsoft Robotics Studio等。3D可视化仿真 子系统可以直接导入通用3D设计软件(Solidworks，Pro/E等)模型文件，用于渲染引擎的 3D渲染，同时根据模型文件生成精确的物理模型，用于物理引擎的动力学运算并生成仿真接 口；3D可视化仿真子系统提供了模型编辑环境和基本的物理形体来实现仿真模型的实时编辑 和参数修改以及实时的交互；3D可视化仿真子系统通过物理引擎和渲染引擎的访问接口来调 整3D仿真系统的相关参数，从而使3D可视化仿真的子系统具有较高的仿真可信度和仿真相 似度。目前在教学中用到的虚拟仿真实验，很多是没有物理引擎的虚拟现实，需要在控制算 法的编写过程中加入系统的模型来设计控制器，而本3D仿真系统则是基于真实的物理引擎 实现的，可以很好地展现刚性物体的连接、碰撞、摩擦等等特性，仿真相似度远远高于一般 的虚拟现实系统。
通过以上4部分，可以快速地完成被控对象的机械系统设计、模型仿真验证以及控制器 仿真验证，并且用于仿真研究的代码无需任何修改就可以直接应用于下一步的系统快速成型 与验证，大大地提高了研究效率。因此，利用本实验系统时，即使没有很深机械设计背景的 学生也能快速地掌握被控对象设计以及模型验证与仿真验证的知识，这是现有教学产品所不 具备的。
实验解决方案子系统主要包括如下功能模块：可扩展的实验案例模块、算法开发模版模 块、控制工具箱模块和图形化通讯接口模块。其中可扩展的实验案例模块提供了自动化专业 的基本课程的主要实验案例，包括了自动控制原理、现代控制理论、计算机控制系统等课程。 用户可以在此开放式结构之上自己添加其他课程的案例。算法开发模版模块主要是为用户进 行二次算法开发提供一个模版，用户可以在此模版上进行修改或者重建来建立自己的控制算 法。该算法开发模版可以基于不同的开发语言，如采用Simulink或者Labview等。控制工具 箱模块主要是提供可扩展的控制算法工具，如模糊控制工具箱，神经网络控制工具箱等。本 实验系统提供的图形化、模块化算法建立环境保证了建模的快速性、模型的直观性，便于最 终用户建立模型，便于非建模用户理解模型。图形化通讯接口模块，主要是提供图形化的与 虚拟3D被控对象进行通讯的仿真驱动接口和与实际被控对象的硬件系统进行通讯的实时驱 动接口。实验解决方案子系统的主要功能是为终端用户提供一个实验案例系统以及图形化的 二次开发环境。该子系统采用开放的存储结构及实验操作界面，提供面向最终用户的实验解 决方案开发环境，提供丰富的模板、模块库和实验解决方案，终端用户可以以此开发自己的 模板、模块库和实验解决方案。图形化的实时驱动接口是实验解决方案系统的实时实验接口 软件，它无缝地集成了实验解决方案子系统的实时内核和I/O硬件模型，实现由控制算法模 型到控制系统实时代码的自动生成、编译、连接、下载和执行。该实时驱动接口模块还可以 根据信号和参数产生一个变量文件，由相应的试验工具软件对变量进行实时访问和在线参数 调整。
运动控制子系统有两种实现方式：第一种实现方式包括PC、数据采集卡、放大/驱动电路、 采样电路和被控对象系统，其中、PC机的功能为监控和控制算法执行。第二种实现方式包括 PC、嵌入式控制器、放大/驱动电路、采样电路和被控对象系统，其中、PC机功能为监控控 制过程，而嵌入式控制器执行实时控制算法。采用第一种方式的时候，所有的控制程序都是 运行在PC机上的，其控制系统的实时性有基于PC机的实时控制内核来保证，而采用第二种 方式的时候，在PC机上利用图形化编程环境建立控制算法然后自动生成实时代码并进行编 译、连接，然后下载到嵌入式控制中运行。
实验解决方案子系统、集成开发环境子系统和运动控制子系统组成了机电快速成型与验 证系统。通过该系统，可与终端用户所使用的实验设备相连接，实现半实物仿真。应用于研 究实验时，以本实验解决方案系统提供的丰富模板、模块库和实验解决方案为基础，能够加 速算法的建立和参数调试，为最终用户提供直观的实验效果，便于得到满意的实验数据。应 用于教学实验时，依托本实验系统提供的丰富的实验解决方案，为最终用户提供了一个深入 了解学科知识的途径，将抽象的理论知识转化为直观的实验数据和实验效果，实现学科教学 实验的最终目的。依托本实验系统提供的丰富模板、模块库和实验解决方案，最终用户可以 针对不同的实验设备，在不同模板上对不同的已提供的实验解决方案的相关参数及相关设置 进行调整，也可以在选取的模板上根据自己的需要建立自己的实验解决方案。通过实验设备 提供的通讯方式将实验解决方案的控制信息传送或下载到指定实验设备上的控制对象中，在 实验中对实验设备进行控制及信息反馈，记录及比较实验数据，调整实验模型的参数，最终 获得满意的实验数据和实验效果，实现研究实验或教学实验的目标。
各子系统之间的连接关系描述如下：机械设计子系统设计后的3D模型可以保存为一个装 配体文件，此装配体文件通过3D仿真子系统的“导入”菜单可以很方便地生成仿真子系统 3D模型文件供仿真用。3D仿真子系统与实验解决方案子系统和集成开发环境子系统通过通 讯接口——仿真驱动接口模块进行数据信息交换。同时，实验解决方案子系统和集成开发环 境子系统可以通过实时驱动接口模块与硬件设备运动控制子系统进行物理数据信息交换。运 动控制子系统与被控对象通过数据线进行电信号连接。
整个系统的运行过程如下：首先利用机械设计子系统建立3D模型，然后导入到3D可视 化仿真子系统并生成物理模型，接下来在集成开发环境子系统选择图形化的编程环境还是高 级语言编程环境，如果是高级语言，则利用所提供的基本数学库模块和控制算法库模块进行 控制器设计，如果是图形化编程环境，则利用控制工具箱模块完成控制器的设计；在控制器 设计完成之后，在实验解决方案子系统选择实验方式，如果是虚拟对象仿真实验，则选择图 形化通讯接口模块的仿真驱动接口进行虚拟仿真实验，通过调节控制器参数来观察控制效果； 如果是实物对象实验，则将仿真驱动接口替换成实时驱动接口进行实物实验，进行代码自动 下载并实时控制来观察控制效果；如果效果不满意，则修改控制器并调节参数，直到获得满 意控制效果，实验结束为止。其特征在于可以先利用虚拟对象进行控制算法设计，在算法设 计时采用易于控制学科人员快速设计的图形化编程语言，进行虚拟仿真实验。虚拟仿真实验 结束后，可以仅修改控制算法的驱动接口，就可以实现实时C语言控制代码的自动生成、下 载并进行实时控制，大大提高了控制实验的效率。
本发明具有实质性的特点和显著进步，其优越性在于虚拟实物仿真与半实物仿真相结合， 提供快速直接的虚拟仿真对象建模方法。经过虚拟实验仿真验证的算法，利用图形化的编辑 环境替换相应接口模块后，可自动生成实时代码并进行编译、连接、下载和自动运行。无需 任何额外工作即可直接进行实物对象实时控制实验。在利用本实验系统教学的时候，老师可 以先给学生安排在虚拟被控对象，让学生设计控制器进行机电联合仿真的控制算法研究。如 果控制算法的控制效果满意，则再进行实物实验。这样一方面保证了实际实验的安全性，另 一方面也极大地提高了设备的利用率，同时也提高了研究和实验的效率。此外，还拓展了学 生的实验场所和实验时间，学生可以在任意时间先在虚拟对象上做算法研究，然后程序无需 任何修改就可以在设备可利用的时间再进行实际物理实验来检验实际控制效果，极大地拓展 了传统实验的概念。
本发明提出了从三维机械设计到控制算法的图形/代码化快速实现、高可信度3D仿真算 法验证、半实物仿真算法验证、实物在线/离线算法验证的完整实验系统的技术解决方案。实 验系统主要包括：机械设计子系统、集成开发环境子系统、3D可视化仿真子系统、实验解决 方案子系统、运动控制子系统和被控对象子系统，其中机械设计子系统、3D可视化仿真子系 统、实验解决方案子系统和集成开发环境子系统构成了机电联合仿真系统，实验解决方案子 系统、集成开发环境子系统、运动控制子系统以及被控对象子系统组成了控制系统快速成型 与验证系统。
机械设计子系统的主要是采用学生易于使用的3D机械设计软件(如Solidworks)，可以 进行零件建模、部件装配和整机装配，并且还可以进行简单运动学、动力学以及应力应变分 析等，为基于物理模型的3D仿真奠定基础。
集成开发环境子系统主要包含如下功能模块：
a、代码编辑器模块，进行代码的编写、编译、调试以及智能纠错；
b、基本数学库模块，提供了基本的数学函数的API函数；
c、控制算法库模块，提供了控制算法，包括PID算法，LQR算法，神经网络控制算法；
d、代码化通讯接口模块，提供代码化的与虚拟3D被控对象进行通讯的仿真驱动接口和
与实际被控对象的硬件系统进行通讯的实时驱动接口；
代码编辑器模块可以进行代码的编写、编译、调试以及智能纠错等。基本数学库模块主 要提供了基本的数学函数的API函数，如矩阵运算，优化算法等。控制算法库模块主要提供 了大量的控制算法，如PID算法，LQR算法，神经网络控制算法等。代码化通讯接口模块主 要提供了与虚拟3D被控对象进行通讯的仿真驱动接口和与实际被控对象的硬件系统进行通 讯的实时驱动接口。集成开发环境子系统主要提供了代码化(如C/C++语言)的编辑环境、 基本数学库和算法库，能够以在线和离线的方式进行实物对象实验和虚拟仿真实验。集成开 发环境提供的基本数学库模块和算法库模块方便终端用户快速的实现算法；通过相应的驱动 接口实现仿真对象和实物对象的在线和离线实验，程序可直接下载到实验对象或进行远程控 制；通过半实物仿真技术实现算法在所选实验设备上的快速验证。
3D可视化仿真子系统主要有3D视觉渲染引擎模块、物理引擎模块、模型在线编辑模块 组成。3D视觉渲染引擎模块，其主要功能是利用渲染引擎为虚拟被控对象建立3D的视觉渲 染模型。物理引擎模块，其主要功能是利用物理引擎为虚拟被控对象建立精确的物理计算模 型。模型在线编辑模块，实现仿真模型的实时编辑和参数修改；3D可视化仿真子系统的主要 功能是提供高仿真度的可视化虚拟仿真系统，可以完成虚拟对象的3D模型在线编辑、物理 模型建模、实体参数实时调整(如长度、高度、质量等)等，。3D可视化仿真子系统的渲染 引擎可以是常用的OpenGL，OSG等等，而物理引擎可以是PhysX，ODE等。3D仿真子系 统可以采用C，C++，Python等语言结合相应的渲染引擎和物理引擎来开发，也可以采用集 成渲染引擎和物理引擎的开发平台进行开发，如Microsoft Robotics Studio等。3D可视化仿真 子系统可以直接导入通用3D设计软件(Solidworks，Pro/E等)模型文件，用于渲染引擎的 3D渲染，同时根据模型文件生成精确的物理模型，用于物理引擎的动力学运算并生成仿真接 口；3D可视化仿真子系统提供了模型编辑环境和基本的物理形体来实现仿真模型的实时编辑 和参数修改以及实时的交互；3D可视化仿真子系统通过物理引擎和渲染引擎的访问接口来调 整3D仿真系统的相关参数，从而使3D可视化仿真的子系统具有较高的仿真可信度和仿真相 似度。目前在教学中用到的虚拟仿真实验，很多是没有物理引擎的虚拟现实，需要在控制算 法的编写过程中加入系统的模型来设计控制器，而本3D仿真系统则是基于真实的物理引擎 实现的，可以很好地展现刚性物体的连接、碰撞、摩擦等等特性，仿真相似度远远高于一般 的虚拟现实系统。
通过以上4部分，可以快速地完成被控对象的机械系统设计、模型仿真验证以及控制器 仿真验证，并且用于仿真研究的代码无需任何修改就可以直接应用于下一步的系统快速成型 与验证，大大地提高了研究效率。因此，利用本实验系统时，即使没有很深机械设计背景的 学生也能快速地掌握被控对象设计以及模型验证与仿真验证的知识，这是现有教学产品所不 具备的。
实验解决方案子系统主要包括如下功能模块：可扩展的实验案例模块、算法开发模版模 块、控制工具箱模块和图形化通讯接口模块。其中可扩展的实验案例模块提供了自动化专业 的基本课程的主要实验案例，包括了自动控制原理、现代控制理论、计算机控制系统等课程。 用户可以在此开放式结构之上自己添加其他课程的案例。算法开发模版模块主要是为用户进 行二次算法开发提供一个模版，用户可以在此模版上进行修改或者重建来建立自己的控制算 法。该算法开发模版可以基于不同的开发语言，如采用Simulink或者Labview等。控制工具 箱模块主要是提供可扩展的控制算法工具，如模糊控制工具箱，神经网络控制工具箱等。本 实验系统提供的图形化、模块化算法建立环境保证了建模的快速性、模型的直观性，便于最 终用户建立模型，便于非建模用户理解模型。图形化通讯接口模块，主要是提供图形化的与 虚拟3D被控对象进行通讯的仿真驱动接口和与实际被控对象的硬件系统进行通讯的实时驱 动接口。实验解决方案子系统的主要功能是为终端用户提供一个实验案例系统以及图形化的 二次开发环境。该子系统采用开放的存储结构及实验操作界面，提供面向最终用户的实验解 决方案开发环境，提供丰富的模板、模块库和实验解决方案，终端用户可以以此开发自己的 模板、模块库和实验解决方案。图形化的实时驱动接口是实验解决方案系统的实时实验接口 软件，它无缝地集成了实验解决方案子系统的实时内核和I/O硬件模型，实现由控制算法模 型到控制系统实时代码的自动生成、编译、连接、下载和执行。该实时驱动接口模块还可以 根据信号和参数产生一个变量文件，由相应的试验工具软件对变量进行实时访问和在线参数 调整。
运动控制子系统有两种实现方式：第一种实现方式包括PC、数据采集卡、放大/驱动电路、 采样电路和被控对象系统，其中、PC机的功能为监控和控制算法执行。第二种实现方式包括 PC、嵌入式控制器、放大/驱动电路、采样电路和被控对象系统，其中、PC机功能为监控控 制过程，而嵌入式控制器执行实时控制算法。采用第一种方式的时候，所有的控制程序都是 运行在PC机上的，其控制系统的实时性有基于PC机的实时控制内核来保证，而采用第二种 方式的时候，在PC机上利用图形化编程环境建立控制算法然后自动生成实时代码并进行编 译、连接，然后下载到嵌入式控制中运行。
实验解决方案子系统、集成开发环境子系统和运动控制子系统组成了机电快速成型与验 证系统。通过该系统，可与终端用户所使用的实验设备相连接，实现半实物仿真。应用于研 究实验时，以本实验解决方案系统提供的丰富模板、模块库和实验解决方案为基础，能够加 速算法的建立和参数调试，为最终用户提供直观的实验效果，便于得到满意的实验数据。应 用于教学实验时，依托本实验系统提供的丰富的实验解决方案，为最终用户提供了一个深入 了解学科知识的途径，将抽象的理论知识转化为直观的实验数据和实验效果，实现学科教学 实验的最终目的。依托本实验系统提供的丰富模板、模块库和实验解决方案，最终用户可以 针对不同的实验设备，在不同模板上对不同的已提供的实验解决方案的相关参数及相关设置 进行调整，也可以在选取的模板上根据自己的需要建立自己的实验解决方案。通过实验设备 提供的通讯方式将实验解决方案的控制信息传送或下载到指定实验设备上的控制对象中，在 实验中对实验设备进行控制及信息反馈，记录及比较实验数据，调整实验模型的参数，最终 获得满意的实验数据和实验效果，实现研究实验或教学实验的目标。
各子系统之间的连接关系描述如下：机械设计子系统设计后的3D模型可以保存为一个装 配体文件，此装配体文件通过3D仿真子系统的“导入”菜单可以很方便地生成仿真子系统 3D模型文件供仿真用。3D仿真子系统与实验解决方案子系统和集成开发环境子系统通过通 讯接口——仿真驱动接口模块进行数据信息交换。同时，实验解决方案子系统和集成开发环 境子系统可以通过实时驱动接口模块与硬件设备运动控制子系统进行物理数据信息交换。运 动控制子系统与被控对象通过数据线进行电信号连接。
整个系统的运行过程如下：首先利用机械设计子系统建立3D模型，然后导入到3D可视 化仿真子系统并生成物理模型，接下来在集成开发环境子系统选择图形化的编程环境还是高 级语言编程环境，如果是高级语言，则利用所提供的基本数学库模块和控制算法库模块进行 控制器设计，如果是图形化编程环境，则利用控制工具箱模块完成控制器的设计；在控制器 设计完成之后，在实验解决方案子系统选择实验方式，如果是虚拟对象仿真实验，则选择图 形化通讯接口模块的仿真驱动接口进行虚拟仿真实验，通过调节控制器参数来观察控制效果； 如果是实物对象实验，则将仿真驱动接口替换成实时驱动接口进行实物实验，进行代码自动 下载并实时控制来观察控制效果；如果效果不满意，则修改控制器并调节参数，直到获得满 意控制效果，实验结束为止。其特征在于可以先利用虚拟对象进行控制算法设计，在算法设 计时采用易于控制学科人员快速设计的图形化编程语言，进行虚拟仿真实验。虚拟仿真实验 结束后，可以仅修改控制算法的驱动接口，就可以实现实时C语言控制代码的自动生成、下 载并进行实时控制，大大提高了控制实验的效率。
本发明具有实质性的特点和显著进步，其优越性在于虚拟实物仿真与半实物仿真相结合， 提供快速直接的虚拟仿真对象建模方法。经过虚拟实验仿真验证的算法，利用图形化的编辑 环境替换相应接口模块后，可自动生成实时代码并进行编译、连接、下载和自动运行。无需 任何额外工作即可直接进行实物对象实时控制实验。在利用本实验系统教学的时候，老师可 以先给学生安排在虚拟被控对象，让学生设计控制器进行机电联合仿真的控制算法研究。如 果控制算法的控制效果满意，则再进行实物实验。这样一方面保证了实际实验的安全性，另 一方面也极大地提高了设备的利用率，同时也提高了研究和实验的效率。此外，还拓展了学 生的实验场所和实验时间，学生可以在任意时间先在虚拟对象上做算法研究，然后程序无需 任何修改就可以在设备可利用的时间再进行实际物理实验来检验实际控制效果，极大地拓展 了传统实验的概念。
附图说明
图1是本发明系统架构图，
图2是3D可视化仿真子系统结构图，
图3是集成开发环境子系统结构图，
图4是实验解决方案子系统结构图，
图5是机电联合仿真流程图，
图6是快速原型控制流程图，
图7是本发明的一个实例：图形化代码化编程建立控制算法图，
图8是本发明的一般实验过程的总体流程图。
图2是3D可视化仿真子系统结构图，
图3是集成开发环境子系统结构图，
图4是实验解决方案子系统结构图，
图5是机电联合仿真流程图，
图6是快速原型控制流程图，
图7是本发明的一个实例：图形化代码化编程建立控制算法图，
图8是本发明的一般实验过程的总体流程图。
具体实施方式
本发明公开的是许多不同形式的实施方案。在附图中显示的以及在下文中详细描述的都 是本发明的优选实施例。然而，下面公开的实施例是本发明原理的范例，并不是将本发明限 定到该实施例。图1为本发明的系统架构图，如图1所示本发明架构由机电系统联合仿真以 及机电系统快速成型与验证两部分组成，其中机械设计子系统、3D可视化仿真子系统、实验 解决方案子系统和集成开发环境子系统构成了机电联合仿真系统，实验解决方案子系统、集 成开发环境子系统、运动控制子系统以及被控对象子系统组成了控制系统快速成型与验证系 统，而控制工具箱、控制算法库和基本数学库为对实验解决方案子系统和集成开发环境子系 统的扩展。从图中可以看到机电系统联合仿真和机电系统快速成型与验证系统采用相同的实 验解决方案子系统和集成开发环境子系统，这样仿真和实际实验系统就可以在同一平台下使 用相同的控制软件，可以解决当前仿真和实际系统采用不同开发平台，需要进行重复劳动的 问题，使开发人员和学生可以将更多的精力关注到实验方案的设计与验证上。
下面结合本发明的具体实施例，对本发明作进一步的说明。下面以学生如何进行倒立摆 系统的被控对象设计、控制算法设计以及实时控制实验验证为例，来说明本系统的具体应用 方法。整个倒立摆系统的设计、开发与验证大致可以分为以下两阶段完成：
(1)第一阶段：机械设计以及被控对象虚拟仿真阶段。如图5所示，以倒立摆为实验对象的机 电系统的联合仿真过程为：
步骤一：
机械设计软件(如Solidworks、Pro/E等)环境3中建立实验对象(倒立摆)的视觉模型， 存储为标准渲染模型文件；
步骤二：
3D仿真环境子系统根据渲染模型文件生成精确的物理模型用于物理引擎的动力学运算， 并渲染其视觉模型；
步骤三：
通过3D可视化仿真环境子系统的物理引擎和渲染引擎的访问接口来调整虚拟样机(倒立 摆)的相关参数，使其物理特性与实物样机的一致；
步骤四：
设计仿真对象的仿真驱动接口模块(图形化/代码化)实现与3D可视化仿真的虚拟被控 对象(倒立摆)连接。
步骤五：
设计控制器，并利用图形化编程语言(如Simulink)或者高级语言(如C/C++)编写控 制算法，对整个机电系统进行联合仿真。在线调整控制器参数，直到控制器性能满足设计要 求为止，并可以在3D环境中直观感受控制效果。
到此为止，虚拟仿真实验完成，并且完成了基于模型的控制器设计。
(2)第二阶段：控制系统快速成型与验证阶段，如图6所示，以倒立摆为实验对象进行快速 实验验证，其步骤为：
步骤一：
首先进行实验分析，根据实验需求选择实验解决方案或自定义实验算法；比如选择《自 动控制原理》中的“二阶系统闭环控制”实验方案，则点击相应的目录树会弹出该实验的相 关介绍，包括实验目的、所需设备，并且给出Demo版的控制程序。学生可以根据此演示程 序进行修改来设计自己的控制器，也可以完全重新设计自己的控制算法。
步骤二：
根据实验方案进行算法设计，并在集成开发环境或者实验解决方案中以图形模块(或代 码)搭建实验算法，并进行实时驱动接口(图形化/代码化)系统连接和设置，这里的连接设 置主要包括软件上的连接设置和硬件上的连接设置。软件上的连接设置步骤主要是在程序图 中删除仿真驱动接口模块，然后替换为相应的实时驱动接口(图形化/代码化)模块，并设置 相应的通道号以及控制参数等，最后保存程序即可。硬件上的连接设置包括连接相应的接口 连线到被控对象和运动控制卡，如电机驱动线，编码器信号线等；(如果在此之前，已经进行 过机电系统的联合仿真，则不必进行控制算法的设计与实现，只是将联合仿真过程中的控制 算法中的仿真驱动接口替换为实时驱动接口即可)。
步骤三：
连接运动控制系统和实物被控对象，进行实验验证，监控并存储实验数据和曲线，这里 可以利用Simulink的示波器可以监控任一参数的变化曲线；对不理想的实验结果进行分析， 并进一步通过在线调整控制器设计或调节控制参数，直到获得满意控制效果为止。
步骤四：
如果实验效果达到设计要求，说明机械设计和控制算法设计正确，那么就可以定型机械 系统和控制算法，学生可以进一步开发控制系统实际硬件系统。
综上所述，利用本发明可以实现由机械设计、3D可视化仿真、控制器设计到控制系统快 速实现与验证的机电一体化快速设计与成型实验，可以将机械设计、控制算法设计、虚拟实 验和实际实验等无缝地连接起来，减少了重复劳动，提高了实验效率，非常适合于自动化相 关学科的本科生和研究生的实验教学和课程设计等，有着非常广泛的应用前景。
下面结合本发明的具体实施例，对本发明作进一步的说明。下面以学生如何进行倒立摆 系统的被控对象设计、控制算法设计以及实时控制实验验证为例，来说明本系统的具体应用 方法。整个倒立摆系统的设计、开发与验证大致可以分为以下两阶段完成：
(1)第一阶段：机械设计以及被控对象虚拟仿真阶段。如图5所示，以倒立摆为实验对象的机 电系统的联合仿真过程为：
步骤一：
机械设计软件(如Solidworks、Pro/E等)环境3中建立实验对象(倒立摆)的视觉模型， 存储为标准渲染模型文件；
步骤二：
3D仿真环境子系统根据渲染模型文件生成精确的物理模型用于物理引擎的动力学运算， 并渲染其视觉模型；
步骤三：
通过3D可视化仿真环境子系统的物理引擎和渲染引擎的访问接口来调整虚拟样机(倒立 摆)的相关参数，使其物理特性与实物样机的一致；
步骤四：
设计仿真对象的仿真驱动接口模块(图形化/代码化)实现与3D可视化仿真的虚拟被控 对象(倒立摆)连接。
步骤五：
设计控制器，并利用图形化编程语言(如Simulink)或者高级语言(如C/C++)编写控 制算法，对整个机电系统进行联合仿真。在线调整控制器参数，直到控制器性能满足设计要 求为止，并可以在3D环境中直观感受控制效果。
到此为止，虚拟仿真实验完成，并且完成了基于模型的控制器设计。
(2)第二阶段：控制系统快速成型与验证阶段，如图6所示，以倒立摆为实验对象进行快速 实验验证，其步骤为：
步骤一：
首先进行实验分析，根据实验需求选择实验解决方案或自定义实验算法；比如选择《自 动控制原理》中的“二阶系统闭环控制”实验方案，则点击相应的目录树会弹出该实验的相 关介绍，包括实验目的、所需设备，并且给出Demo版的控制程序。学生可以根据此演示程 序进行修改来设计自己的控制器，也可以完全重新设计自己的控制算法。
步骤二：
根据实验方案进行算法设计，并在集成开发环境或者实验解决方案中以图形模块(或代 码)搭建实验算法，并进行实时驱动接口(图形化/代码化)系统连接和设置，这里的连接设 置主要包括软件上的连接设置和硬件上的连接设置。软件上的连接设置步骤主要是在程序图 中删除仿真驱动接口模块，然后替换为相应的实时驱动接口(图形化/代码化)模块，并设置 相应的通道号以及控制参数等，最后保存程序即可。硬件上的连接设置包括连接相应的接口 连线到被控对象和运动控制卡，如电机驱动线，编码器信号线等；(如果在此之前，已经进行 过机电系统的联合仿真，则不必进行控制算法的设计与实现，只是将联合仿真过程中的控制 算法中的仿真驱动接口替换为实时驱动接口即可)。
步骤三：
连接运动控制系统和实物被控对象，进行实验验证，监控并存储实验数据和曲线，这里 可以利用Simulink的示波器可以监控任一参数的变化曲线；对不理想的实验结果进行分析， 并进一步通过在线调整控制器设计或调节控制参数，直到获得满意控制效果为止。
步骤四：
如果实验效果达到设计要求，说明机械设计和控制算法设计正确，那么就可以定型机械 系统和控制算法，学生可以进一步开发控制系统实际硬件系统。
综上所述，利用本发明可以实现由机械设计、3D可视化仿真、控制器设计到控制系统快 速实现与验证的机电一体化快速设计与成型实验，可以将机械设计、控制算法设计、虚拟实 验和实际实验等无缝地连接起来，减少了重复劳动，提高了实验效率，非常适合于自动化相 关学科的本科生和研究生的实验教学和课程设计等，有着非常广泛的应用前景。