[发明专利]一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置及方法

权利要求书

1.一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置，其特征在于，包括被控对象单元、执行机构单元、检测单元和控制器；所述被控对象单元、执行机构单元及控制器依次连接，同时所述检测单元与控制器连接；

所述被控对象单元包括风机、空气管路、调节阀门和轻质小球，所述风机的入口与空气管路出口之间安装有调节阀门，所述空气管路中包含有一段与地面垂直放置的透明管路，透明管路内放置有轻质小球，所述透明管路的两端安装有隔离装置；当所述风机通电运行时，在透明管路中产生向上的吸力即产生对轻质小球的托举力，当吸力大小等于轻质小球本身的重力时，轻质小球在透明管路中处于的悬浮状态，而轻质小球的悬浮高度就是本实验装置的被控变量；

所述执行机构包括电机调速装置和阀门执行器，所述电机调速装置的输出端与风机相连，电机调速装置的输入端与所述控制器的输出端连接，所述阀门执行器的输出端与调节阀门相连，阀门执行器的输入端与控制器的输出端连接；

所述检测单元为基于无线传输的检测单元，包括网络摄像机、视频数据终端、无线接入点终端、接入控制器终端和计算机，所述网络摄像机用于拍摄透明管路的实时图像，网络摄像机与视频数据终端无线连接，视频数据终端用于接收摄像机采集到的图像数据，实现到无线接入终端的端口映射，以及设置网络控制实验的时延参数和丢包参数，视频数据终端与无线接入点终端无线连接，经由无线接入点终端，完成实时图像信息的发送；所述无线接入点终端与接入控制器终端无线连接，无线接入点终端将实时图像信息发送至无线接入控制器终端传至计算机，并将接收到的实时图像信息传送至所述计算机中，在计算机中采用图像识别程序在线识别轻质小球的位置，并转换成高度信号送至控制器中；

所述控制器用于实现并运行各种控制算法，控制器接收来自计算机图像识别程序给出的处于悬浮状态的轻质小球的高度信号，所述控制器与检测单元中的计算机连接，控制器的两个输出端分别与电机调速装置的输入端和阀门执行器的输入端相连，用于发出控制指令和扰动指令，控制指令来自用于实验者编制的控制算法，扰动指令来自实验者在计算机上所选择的扰动信号；由于在视频数据终端中设置了时延和丢包，因而可以对处理延时问题和丢包问题的网络控制算法的性能进行实验验证。

2.根据权利要求1所述的一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置，其特征在于：所述透明管路的后侧设置有与摄像机正对放置，且颜色与轻质小球颜色具有明显区别的平板，用于增强轻质小球与背景之间的对比。

3.采用权利要求1所述的一种单变量开环不稳定对象的网络控制实验装置来进行自动控制实验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：选择电机调速指令或调节阀门开度指令作为控制量，以轻质小球在垂直放置的透明管路内的高度测量值为被控变量，从而构成具有单输入单输出的具有开环不稳定特性的被控对象；

步骤 2：在视频数据终端设置时延参数和丢包参数；

步骤3：启动风机，手动将风机转速和调节阀门开度调整至合适的工作点，即轻质小球已经上浮至垂直的透明管路的顶端；

步骤4：在计算机中运行关于网络控制算法的回路控制程序，实验者给出轻质小球的高度设定值，而后切换至自动控制模式，调整控制器参数，使得闭环系统稳定，并且轻质小球的高度保持在设定值处；

步骤5：闭环控制期间，通过施加时变的或者时不变的扰动信号至干扰变量上，使得闭环系统持续受到外界的干扰作用，从而可以对于所实验的控制算法的抗干扰性能做出比较和评估。