[發明專利]復雜網絡旋轉運動同步控制實驗系統及實驗方法

有效

• 申請號: 201210442420.6
• 申請日: 2012-11-07
• 公開（公告）號: CN102968917A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 劉歌群;李文惠;辛辰;郝陳祥;江琨;馬小美;任冠琦;朱春香;郭東逸
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G09B5/08
• 分類號: G09B5/08
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 郁旦蓉

技術領域

本發明教學儀器領域，尤其涉及一種復雜網絡旋轉運動同步控制實驗系統及實驗方法。

背景技術

復雜網絡是自然與社會的基本形態，復雜網絡上的同步現象是重要的科學知識，許多學校開設了包含同步內容的復雜網絡課程。復雜網絡同步知識的教學內容主要包括同步行為的解釋、同步行為穩定性、同步過渡過程分析、網絡結構及參數對同步性能的影響、同步控制算法的設計等等。目前網絡同步知識的教學手段主要有數學公式表達、圖片展示、曲線說明和軟件模擬，這些僅有的教學手段使得本來精彩紛呈的網絡同步現象變得枯燥和乏味，因此需要實物系統開展復雜網絡同步現象的物理實驗。旋轉運動同步是一類典型的機械運動同步現象，在網絡動力學或者控制算法的作用下，多個圓盤在角位置與角速度上逐漸取得一致，可以明了地展示機械運動的同步現象。但遺憾的是，目前還沒有專門針對旋轉運動同步的復雜網絡實驗設備，這種現狀使得網絡參數對同步過渡過程的影響無法演示，同步控制算法的控制效果也不能得到物理系統的驗證。

發明內容

為了解決復雜網絡上旋轉運動同步及控制的物理實驗問題，本發明提供了一種復雜網絡旋轉運動同步控制實驗系統及實驗方法。

本發明實現該目的的技術方案，是由嵌入式智能運動節點(4)執行節點的動力學特性和控制算法，由節點之間的通訊總線（12）傳輸節點的狀態信息，由投影儀(2)及網絡拓撲結構投影板(3)展示網絡的拓撲結構（30），由操縱計算機系統(1)對相關參數進行設置，并操縱實驗系統的運行。具體地說，實驗系統包括操縱計算機系統(1)、投影儀(2)、網絡拓撲結構投影板(3)、通訊總線（12）和若干個智能運動節點(4)。每個智能運動節點(4)表示一個網絡節點，智能運動節點(4)上的角位置指示盤（19）指示該節點當前的運動狀態，所有的智能運動節點(4)圍成一圈安裝在網絡拓撲結構投影板(3)上，智能運動節點所圍繞的區域用于顯示網絡拓撲結構。網絡拓撲結構由投影儀(2)投射顯示，投影儀(2)與操縱計算機系統(1)相連，把操縱計算機系統(1)傳來的網絡拓撲結構圖像投射到網絡拓撲結構投影板(3)上智能運動節點(4)圍成的區域。當兩個節點之間有邊相連時，對應的兩個智能運動節點之間會投射出一條連線(11)，所投射的連線(11)可以區分節點之間的有向或者無向連接關系。所有智能運動節點(4)之間的連線(11)就顯示了整個網絡的拓撲結構（30）。實驗過程的操縱與參數設定通過操縱計算機系統(1)上安裝的實驗操縱軟件(6)完成。實驗操縱軟件(6)包含網絡拓撲結構設定與顯示子模塊(7)、角運動同步參數設定子模塊(8)、同步控制算法設定子模塊(9)和操縱通訊子模塊(10)。操縱計算機系統(1)通過通訊總線（12）與所有的智能運動節點(4)相連，利用通訊總線（12）把同步實驗命令和所設定的參數下傳給所有的節點。智能運動節點(4)是一個嵌入式計算機系統，包含嵌入式最小系統(13)、電動機驅動電路(14)、電動機(15)、角位置檢測電路(16)、角位置傳感器(17)和通訊接口(18)。電動機(15)用于輸出旋轉運動，電動機(15)輸出軸上安裝有角位置指示盤（19）,用于指示該節點當前的角位置。角位置傳感器(17)用于檢測本節點當前的角位置和角速度，電動機(15)輸出角位置引入到角位置傳感器(17)。通訊接口(18)與通訊總線（12）相連，用于獲得監控計算機系統(1)下傳的各種信息，并把節點(4)的各種信息上傳給監控計算機系統(1)。嵌入式最小系統(13)是包含CPU在內的計算機核心系統，是存儲與執行程序、驅動外圍模塊、實現節點功能的核心部件。智能運動節點(4)的功能由節點智能軟件（21）實現。節點智能軟件（21）包含節點通訊子模塊（22）、耦合關系模擬子模塊（23）、角位置角速度檢測子模塊（24）、節點狀態運算與控制子模塊（25）和電機驅動子模塊（26）。

本發明進行復雜網絡旋轉運動同步控制實驗的方法基于上述實驗系統進行，主要通過多個步驟的操作和實驗系統及節點軟硬件的執行，實現網絡拓撲結構（30）和旋轉運動同步過渡過程的同時展示。實驗方法的步驟包括：

S1.通過網絡拓撲結構設定與顯示子模塊(7)設定網絡拓撲結構（30）；

S2.網絡拓撲結構設定與顯示子模塊(7)通過投影儀(2)將網絡拓撲結構投射到網絡拓撲結構投影板(3)上，所投射的拓撲結構反映以智能運動節點(4)為代表的網絡節點之間的連接關系；

S3.通過角運動同步參數設定子模塊(8)設定節點動力學特性（31）、各節點初始狀態（33）、網絡內耦合關系和網絡耦合強度；