[发明专利]复杂网络旋转运动同步控制实验系统及实验方法

说明书

技术领域

本发明教学仪器领域，尤其涉及一种复杂网络旋转运动同步控制实验系统及实验方法。

背景技术

复杂网络是自然与社会的基本形态，复杂网络上的同步现象是重要的科学知识，许多学校开设了包含同步内容的复杂网络课程。复杂网络同步知识的教学内容主要包括同步行为的解释、同步行为稳定性、同步过渡过程分析、网络结构及参数对同步性能的影响、同步控制算法的设计等等。目前网络同步知识的教学手段主要有数学公式表达、图片展示、曲线说明和软件模拟，这些仅有的教学手段使得本来精彩纷呈的网络同步现象变得枯燥和乏味，因此需要实物系统开展复杂网络同步现象的物理实验。旋转运动同步是一类典型的机械运动同步现象，在网络动力学或者控制算法的作用下，多个圆盘在角位置与角速度上逐渐取得一致，可以明了地展示机械运动的同步现象。但遗憾的是，目前还没有专门针对旋转运动同步的复杂网络实验设备，这种现状使得网络参数对同步过渡过程的影响无法演示，同步控制算法的控制效果也不能得到物理系统的验证。

发明内容

为了解决复杂网络上旋转运动同步及控制的物理实验问题，本发明提供了一种复杂网络旋转运动同步控制实验系统及实验方法。

本发明实现该目的的技术方案，是由嵌入式智能运动节点(4)执行节点的动力学特性和控制算法，由节点之间的通讯总线（12）传输节点的状态信息，由投影仪(2)及网络拓扑结构投影板(3)展示网络的拓扑结构（30），由操纵计算机系统(1)对相关参数进行设置，并操纵实验系统的运行。具体地说，实验系统包括操纵计算机系统(1)、投影仪(2)、网络拓扑结构投影板(3)、通讯总线（12）和若干个智能运动节点(4)。每个智能运动节点(4)表示一个网络节点，智能运动节点(4)上的角位置指示盘（19）指示该节点当前的运动状态，所有的智能运动节点(4)围成一圈安装在网络拓扑结构投影板(3)上，智能运动节点所围绕的区域用于显示网络拓扑结构。网络拓扑结构由投影仪(2)投射显示，投影仪(2)与操纵计算机系统(1)相连，把操纵计算机系统(1)传来的网络拓扑结构图像投射到网络拓扑结构投影板(3)上智能运动节点(4)围成的区域。当两个节点之间有边相连时，对应的两个智能运动节点之间会投射出一条连线(11)，所投射的连线(11)可以区分节点之间的有向或者无向连接关系。所有智能运动节点(4)之间的连线(11)就显示了整个网络的拓扑结构（30）。实验过程的操纵与参数设定通过操纵计算机系统(1)上安装的实验操纵软件(6)完成。实验操纵软件(6)包含网络拓扑结构设定与显示子模块(7)、角运动同步参数设定子模块(8)、同步控制算法设定子模块(9)和操纵通讯子模块(10)。操纵计算机系统(1)通过通讯总线（12）与所有的智能运动节点(4)相连，利用通讯总线（12）把同步实验命令和所设定的参数下传给所有的节点。智能运动节点(4)是一个嵌入式计算机系统，包含嵌入式最小系统(13)、电动机驱动电路(14)、电动机(15)、角位置检测电路(16)、角位置传感器(17)和通讯接口(18)。电动机(15)用于输出旋转运动，电动机(15)输出轴上安装有角位置指示盘（19）,用于指示该节点当前的角位置。角位置传感器(17)用于检测本节点当前的角位置和角速度，电动机(15)输出角位置引入到角位置传感器(17)。通讯接口(18)与通讯总线（12）相连，用于获得监控计算机系统(1)下传的各种信息，并把节点(4)的各种信息上传给监控计算机系统(1)。嵌入式最小系统(13)是包含CPU在内的计算机核心系统，是存储与执行程序、驱动外围模块、实现节点功能的核心部件。智能运动节点(4)的功能由节点智能软件（21）实现。节点智能软件（21）包含节点通讯子模块（22）、耦合关系模拟子模块（23）、角位置角速度检测子模块（24）、节点状态运算与控制子模块（25）和电机驱动子模块（26）。

本发明进行复杂网络旋转运动同步控制实验的方法基于上述实验系统进行，主要通过多个步骤的操作和实验系统及节点软硬件的执行，实现网络拓扑结构（30）和旋转运动同步过渡过程的同时展示。实验方法的步骤包括：

S1.通过网络拓扑结构设定与显示子模块(7)设定网络拓扑结构（30）；

S2.网络拓扑结构设定与显示子模块(7)通过投影仪(2)将网络拓扑结构投射到网络拓扑结构投影板(3)上，所投射的拓扑结构反映以智能运动节点(4)为代表的网络节点之间的连接关系；

S3.通过角运动同步参数设定子模块(8)设定节点动力学特性（31）、各节点初始状态（33）、网络内耦合关系和网络耦合强度；