[发明专利]倒立摆远程实验系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动控制技术科研与教学领域，特别涉及一种能通过远程实验系统进行倒立摆实验的倒立摆远程实验系统。

背景技术

高等教育中许多理论和技术应用的教学需要实验演示以增强形象性效果和形象性验证。倒立摆控制系统是一个典型的不稳定的、高阶次、多变量、强耦合的非线性系统，是进行自动控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。对倒立摆系统的研究能有效的反映控制中的许多典型问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题以及跟踪问题等。然而，由于学生理论课程安排较满，能够选做实验的时间非常有限，同时倒立摆实验设备比较昂贵，维修费时，资源有限。由此可见，倒立摆实验的效果、学生的学习热情与现有的设备资源、实验可选做时间之间形成了明显的矛盾。

计算机技术特别是网络技术的应用为实验教学提供了强有力的辅助。随着计算机科学的快速发展，计算机辅助实验教学技术也得到快速发展为实验教学提供了新的广阔途径。计算机辅助实验教学主要涉及软件技术、多媒体技术、虚拟现实技术、网络技术和远程控制技术等。但现有的技术存在交互性差、缺乏物理现实的真实形象感等不足之处，远程实验是在传统实验的基础上，在采用遥控遥测技术、计算机网络技术和计算机控制技术，这样几项功能组合应用中，还存在诸多关键问题，有待开发。

发明内容

为了解决上述倒立摆远程实验中仪器资源与学生需求之间存在的日益加剧的矛盾，提高远程教育的水平，在原实验室实验的基础上，结合远程控制技术、网络技术，以及多媒体技术和虚拟现实技术，针对教学实验的要求和特点实现低成本、方便的倒立摆远程实验系统。

根据本发明的一个方面，提供一种倒立摆远程实验系统，包括至少一个倒立摆系统、至少一个实验系统服务器、至少一个远程用户计算机、网络系统和视频传输系统，其特征在于：

所述网络系统用于连接所述远程用户计算机与所述实验系统服务器；所述实验系统服务器连接到所述倒立摆系统，为所述远程用户计算机提供远程访问服务，以进行倒立摆实验的软件仿真和对所述倒立摆系统的控制，并将软件仿真结果和倒立摆实时控制状态的视频图像返回远程用户计算机；所述远程用户计算机通过所述实验系统服务器发送对所述倒立摆系统进行控制的控制命令，并显示从所述实验系统服务器接收的软件仿真结果和倒立摆实时控制状态的视频图像；以及所述视频传输系统与所述实验系统服务器连接，实时地拍摄所述倒立摆系统运行的视频图像，并将所拍摄到的视频图像通过所述实验系统服务器经所述网络系统传输到远程用户计算机。

优选地，所述视频传输系统包括摄像头和视频传输软件，所述摄像头实时地拍摄所述倒立摆系统运行的视频图像，视频传输软件将所拍摄到的视频图像通过所述实验系统服务器经所述网络系统传输到远程用户计算机。

优选地，所述网络系统是因特网或局域网。

优选地，所述实验系统服务器进一步包括用于从倒立摆系统获取实验参数并向倒立摆系统传送控制命令的数据采集卡。

优选地，所述实验系统服务器基于Matlab软件平台和Simulink仿真软件，所述用户计算机通过网络系统远程登录所述实验系统服务器后，利用实时工具箱、Matlab实时窗口目标工具箱和Matlab Simulink仿真工具，通过所述数据采集卡控制倒立摆系统。

根据本发明的另一方面，提供了一种倒立摆系统远程实验方法，包括以下步骤：使用远程用户计算机通过网络系统登录到实验系统服务器；远程用户计算机通过实验系统服务器设置倒立摆控制参数并进行倒立摆系统仿真；实验系统服务器将倒立摆系统仿真结果返回远程用户计算机；实验系统服务器根据控制命令控制倒立摆系统；以及实时地拍摄倒立摆系统的状态并将所拍摄到的视频图像通过视频服务器传输到远程用户计算机。

优选地，所述控制命令是由远程用户通过远程计算机发送到实验系统服务器的。

优选地，所述实验系统服务器基于Matlab软件平台和Simulink仿真软件，所述用户计算机通过网络系统远程登录所述实验系统服务器后，利用实时工具箱、Matlab实时窗口目标工具箱和Matlab Simulink仿真工具，通过数据采集卡控制倒立摆系统。

优选地，倒立摆系统视频图像是通过摄像头拍摄并且通过视频传输软件传输到远程用户计算机的。