开放式运动控制系统（精选七篇）
开放式运动控制系统 篇1
随着PC (个人计算机) 性能的迅速上升、价格的急剧下降, 以PC为基础的运动控制技术得到了迅速的发展。电机运动控制是最活跃和应用最为广泛的电动运动控制技术之一, 一个完整的伺服电机运动控制系统由主机、位置控制器、电机、传感器反馈和传动装置组成[1]。在PC机的基础上扩展各类数控模块所形成的PC数控系统的典型结构, 具有较好的开放性, 易于采用标准部件 (各种位控卡、开关量控制卡、伺服系统等) 组成系统, 开发和生产方便, 成本相对较低[2]。以PC机为主控制器, 运动控制卡作为从机, 通过自定义的命令通信协议, 主控制器发送运动控制命令至运动控制卡, 并接收应答信号, 实现位置与速度的精确控制[3]。由于PCI总线具有工作频率高、传输速度大等优点, 可实现数据稳定高速传输, 目前基于PCI总线的运动控制卡在数控系统中得到了良好的应用[4,5,6,7]。
本文提出一种基于PCI总线的开放式运动控制系统, 具有八个控制轴并可扩展。该系统具有模块化功能, 可用于直接用于数控系统的组装或普通机床的数控改造。本系统在激光快速成型机中进行了实例应用, 大量的工作实例表明本系统具有良好的稳定性及高效率。
1系统硬件设计
以PC机为基础的开放式运动控制系统模型如图1所示。上位机 (PC机) 负责完成数据处理、图形图像处理、文件转换、人机交互等功能, 下位机 (运动控制卡) 接收上位机传来的运动指令, 完成运动控制及各种信号的输入输出。主从式多CPU同时工作, 实现数据处理和运动控制等多个任务的并行工作。
图1中的执行电机为数字电机, 包括步进电机或者全数字式伺服电机, 是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机, 其最大的特点是“数字性”。对于控制系统发过来的每一个脉冲信号, 数字电机在其驱动器的推动下运转一个固定的角度, 如图2 (a) 所示, 当接受到一串连续的脉冲时, 数字电机将连续运转一段相应角度, 如图2 (b) 所示。通过控制输入的脉冲个数来控制步进电机角位移量, 达到准确定位的目的;同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度, 达到调速的目的。
(a) (b)
本系统采用一主二从式设计, 上位机为PC机, 下位机为两块PCI总线架构的多功能运动控制卡。系统工作时, 通过PC机给运动控制卡发出速度和位置命令, 运动控制卡接受后产生相应的脉冲序列, 驱动器根据脉冲信号提供电能, 驱动电机运转, 最终利用驱动机械设备系统, 实现具体的运动过程。硬件系统的组成框图如图3所示。
本系统采用的运动控制卡利用PCI总线的资源特点, 支持突发式工作方式, 后面可跟无限个数据周期;并且存取延迟小, 能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需的时间, 保证数据传输的畅通。PCI总线具有自动配置功能, 即插即用, 微处理器与总线上的主控器同时并行工作, 不受主机CPU限制, 可以适应不同机型。每块运动控制卡可控制4个电机, 一台PC机最多可使用8块PCI运动控制卡, 控制32个电机。每块运动控制卡的地址由PC系统自动分配, 以不同的卡号参数加以识别。
基于PCI总线的运动控制卡由三个模块组成:脉冲信号输出模块、专用数字I/O模块、通用数字I/O模块。其中脉冲信号输出模块是核心模块, 用于控制电机的运动方向、速度、加速度、位移量等。专用数字I/O模块用于原点、限位、报警等专用信号的输入以及编码器的输入等。通用数字I/O模块提供给开发者进行自主设计及编程。
2系统软件设计
系统的软件结构与硬件系统相对应, 分为上层软件与下层软件。上层软件由用户按照自定义的控制功能模块在PC机上进行开发和运行, 主要负责完成数据处理、命令发送、操作管理、图形显示、人机交互等任务。下层软件是指PCI运动控制卡内部本身的与硬件紧密相关的软件系统, 主要包括跟主机进行通信的协议、驱动程序、板卡内的指令系统等。下层软件根据上层软件发送的命令, 执行相应的脉冲输出及I/O功能。软件的结构框图如图4所示。
采用的PCI运动控制卡提供了丰富的函数供高级语言程序调用, 包括控制卡初始化函数、单轴及多轴联动控制函数、通用及专用I/O接口函数、原点设置函数、线性插补函数、圆弧插补函数、位置管理及位置比较函数等。可使用如VB、VC++等的高级编程语言进行软件系统的开发, 实现用户自制的运动控制功能。
3应用实例
本系统具有开放性, 其硬件系统及下层软件均实现模块化, 可嵌入不同的机械传动设备中, 通过开发特定的上层软件系统实现特定的数控功能。本系统在激光快速成型机上已进行了大量的应用, 激光快速成型机具有XYZ三轴联动机构以及供料、铺粉二轴运动机构。将运动机构与运动控制系统硬件组装, 使用VB6.0进行上层软件的开发, 其主界面如图5所示, 快速制造出的伞齿轮原形如图6所示,
4结束语
提出了一种模块化的PCI总线开放式运动控制系统, 此系统采用PC机作为主机, PCI运动控制卡作为从机, 主从式多CPU并行工作, 保证用户自定义功能与运动控制功能的高速协调运行, 互不干扰。PCI运动控制卡最多可扩展至8块, 实现32轴的运动控制。系统具有开放性与模块化功能, 可嵌入不同的机械传动设备中实现数字化控制。本系统在激光快速成型机中进行了大量的应用, 实例应用表明了本系统具有良好的开放性与稳定性。
参考文献
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开放式运动控制系统 篇2
采用专用计算机的传统数控系统,对用户来讲其实现过程是封闭的,使用户无法对系统进行重新定义和扩展。为改变这种状况,开放式数控系统(Open CNC)应运而生。源于PC机具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点,基于PC机的开放式数控系统成为当前数控技术的主要发展潮流。[1]
1 开放式数控系统
1.1 系统特征
上世纪80年代末,美国提出了开放式数控系统的概念,并定义为:可与其他系统互换操作应用于多个平台,并给用户提供统一风格的交互方式。开放式数控系统一般具有如下特征:
(1)模块化:数控功能采用模块化结构,各模块具有即插即用的能力,以满足具体控制功能的要求。
(2)可交互:系统中的各硬件模块或功能软件可根据功能要求、性能要求和可靠性要求等进行相互替换操作,而不至于影响系统的整体运行。
(3)易重构:根据需要用户可对系统进行二次开发,重构、编辑系统,实现同一个系统的多种用途。
(4)网络化:随着网络技术的迅速发展及其在工业生产领域中的广泛应用,为了便于各功能模块实现信息交换,应具备较好的通信和接口协议以满足实时控制的需求。
1.2 系统种类
目前,开放式数控系统可概括为两大类:
(1)基于运动控制器的控制系统:该系统的结构是以通用PC机为平台,以插件(ISA或PCI总线)形式的开放式运动控制器为核心来构建的。以PC机作为系统上层软件,用于数控人机界面、通信等功能,运动控制器则完成机床的运动与逻辑控制等,控制器是由专用控制芯片(如DSP)来实现运动控制功能。
(2)开放式软件数控系统:这是一种完全采用PC机软件控制的数控系统。该系统已完全是通用计算机主流操作系统上的标准应用,它将运动控制器以应用软件的形式实现,提供给用户最大的选择性和灵活性,是一种最新开放体系结构的数控系统,将成为新一代数控系统的主流。
2 GT400运动控制卡
GT-400-SV是固高科技公司开发的高性能插卡式基于PCI总线的运动控制器,其总体结构如图1所示。GT400核心由ADSP2181数字信号处理器和FPGA组成,可实现4轴伺服电机或步进电机的点位运动(梯型曲线、S型曲线,JOG模式)及电子齿轮同步运动规划功能控制,同时还具有多轴插补(直线、圆弧插补)运动规划功能,适合于高速雕铣、雕刻、切割、PCB加工等行业。该板卡的I/O功能强大,提供16路通用数字输入、16路通用数字输出、8路模拟量输入(12位精度,±10 V)、4路控制电压输出(±10 V,16位精度)、6路编码器输入、4路脉冲输出(最高1 MHz,部分轴占空比可调)、1路RS232串行口等等,便于实现复杂的多轴协调运动。
由GT运动控制器组成的控制系统框图如图2所示,控制卡与端子板的连接如图3所示。在该控制系统中,GT运动控制卡是核心,主要完成系统中的插补运算、输出脉冲的分配、高速运动控制、实时信息问题等,充分发挥了DSP的高速计算性能。此外,系统中机床各轴的限位信号、控制主轴和进给速度的模拟信号等,还需要通过运动控制卡对外部控制信号不断查询后,再根据不同的外部信号实现相应的控制操作。
3 应用实例——数控雕刻机运动控制实现
3.1 硬件构成
雕刻机的机械结构相对简单,是比较典型的直角三坐标结构,其中X、Y两轴分别通过滚珠丝杠带动平面滑台做左右、前后的运动,Z轴在Z轴伺服电机的驱动下做垂直平面运动。
数控雕刻机系统控制框图如图4所示,主要包括主控计算机、GT运动控制卡、Panasonic伺服驱动器。
主控计算机为通用个人计算机,作为上位机进行操作控制,利用PC机的软、硬件资源,在Windows环境下可开发出雕刻机的人机交互界面,用于实现系统的参数设置、功能操作、运行状态显示等。由GT-400-SV-PCI运动控制卡作为下位机,通过PCI总线接收来自主控计算机的程序指令,按照预定的模式,完成相应的实时运动规划。伺服驱动部分采用了Panasonic(松下)Minas A4系列MADDT1207型交流伺服驱动器,执行电机为Panasonic(松下)MSMD022PIU型伺服电机,伺服驱动器通过相应的接口(如驱动器接口、编码器接口等)接收来自控制卡的运动指令驱动伺服电机旋转,通过滚珠丝杆带动雕刻机的机械平台,以完成设定的机械运动。
3.2 软件实现
系统控制软件是在Windows XP环境下基于Visual C++6.0软件平台,采用模块化和面向对象的设计思想,结合固高GT-400-SV运动控制器提供的Windows下的运动函数动态链接库来构建的。
对于PCI卡,Windows下的动态链接库共有3个文件:GT400.h、GT400.lib、GT400.dll。在VC中使用时,首先,要在用户程序中加入:#include“GT400.h”;其次,在VC环境菜单中,选择Project-Setting-Link,在Object/Library modules 中输入GT400.lib,然后用户即可在程序中调用动态链接库中的函数。用户通过主机程序调用运动函数库中的函数,就可以实现运动控制器的各种功能,即运动控制器将根据主机发出的运动控制命令,驱动伺服电机完成预设的轨迹运动等。系统主程序流程如图5所示。
4 结束语
基于“PC+运动控制卡”的开放式数控雕刻机控制系统,有效地利用了PC机信息处理能力强和开放的特点,结合了运动控制卡良好的运动轨迹控制能力,使系统具有信息处理能力强、运动控制精确、通用性好、开放程度高等特点。利用Visual C++语言开发的用户界面友好,功能强大,具有十分广阔的应用前景,更是新世纪数控技术的发展方向。[2]
参考文献
[1]卢美慧.浅析开放式数控系统[J].科技创新导报,2009(25):42-43.
开放式运动控制系统 篇3
嵌入式技术以其高集成性和易移植的特点在电力电子、工业控制、国防军事等方面获得广泛应用。开放式数控系统就是在嵌入式技术基础上提出来的一门数控技术。传统的数控系统一般都是专用的、封闭的, 不具备兼容性的。因各厂家生产出来的数控产品不具有互移植性, 限制了产品的使用范围, 而开放式数控系统弥补了传统数控系统诸多不足, 构造了一个模块化、可重构、可扩充的软、硬件控制系统。1992年, 欧共体开始实施自动化系统控制装置的开放式数控系统, 该系统是以PC为标准平台, 加上能自由组合的软件模块, 构成不依赖于特定卖主的开放型控制器结构。后来, 由东芝机器公司、丰田机器厂和Mazda公司3家机床制造商和日本三菱电子及SML信息系统公司共同组建了控制器开放系统环境。当前, 我国的中、高档产品主要还是通过进口国外产品进行补充, 国内的开放式数控系统较低档经济性产品占主导地位[1]。目前, 国内的开放式数控系统主要有基于单片机的和基于运动控制卡两类。基于单片机的开放式数控系统结构简单、实用, 能完成普通的数控加工, 开发技术比较成熟, 而且成本和开发费用也较低。但由于单片机的技术屏障, 难以实现对数控平台的高性能控制[2,3]。基于运动控制卡的数控系统具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性强的特点, 但是, 这类形式的数控系统存在封闭性、二次开发困难、运动控制卡和操作系统之间很难达到无缝连接等诸多不足[4]。
本研究构建以STM32F103ZET6微控处理器为核心的开放式数控系统, 利用仿真技术研究以光栅尺作为反馈元件结合PID控制算法形成的闭环控制系统的控制精度和稳定性, 从而证实该开放式数控系统的可行性。
1 开放式数控运动平台的总体方案设计
基于STM32F103ZET6和步进电机的开放式闭环数控运动平台的总体设计方案如图1所示。X、Y向的运动均采用步进电机驱动, 通过挠性联轴器与丝杠连接传递运动, 使工作台作X-Y平面的运动。
该平台主要用于模拟数控系统的运动控制原理。所采用的步进电机具有快速启停、精确步进以及直接接收数字量的特点, 可用单片机/ARM的控制器直接对步进电机进行控制, 使得步进电机在定位场合得到广泛应用。
1—X-Y平台;2—电机1;3—电机2;4—联轴器;5—限位开关
2 开放式数控运动平台的硬件设计
控制系统的硬件设计包含以下几个模块: (1) 电机驱动控制模块; (2) 闭环控制模块; (3) 限位模块; (4) 通信模块。
微处理器STM32F103ZET6[5]是一款32位Coretex-M3内核处理器, 其工作频率为72 MHz, 内置高速存储器 (包括512 KB字节的闪存、64 KB字节的SRAM) , 具有丰富的增强型GPIO端口, 可实现外设与存储器之间的高速数据传输, 供电电压为0~3.6 V。STM32F103ZET6的最小系统如图2所示。
2.1 电机控制模块
步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号, 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度θ (称为“步距角”) , 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。该模块可以通过控制脉冲个数来控制角位移量, 从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度, 从而达到调速和定位的目的[6]。
步进电机的驱动控制信号主要有以下两组[7]: (1) +CW和-CW (+PLS和-PLS) ; (2) +CCW和-CCW (+DIR和-DIR) 。
设计中步进电机驱动器采用单脉冲输入方式:DIR输入为正时, PLS每输入一个脉冲, 则电机朝CW方向旋转一个步级 (步进) ;DIR输入为零时, PLS每输入一个脉冲, 则电机朝CCW方向旋转一个步级 (步进) 。单脉冲输入方式的时序图如图3所示。
电机的转速n与电机两端电压成比例, 而电机两端的电压又与控制波形的占空比成正比, 因此电机的转速与占空比α成比例, 即占空比α越大, 电机就转速n越快。
电机与运动平台之间的运动传递通过一个挠性联轴器和丝杠来实现, 挠性联轴器的作用是保证主动轴与从动轴的角速度相等, 即传动比为1, 丝杠用来将角位移转化成线位移。设丝杠的导程为P, 步进电机的步距角为θ, 细分数为4, PWM信号脉冲数为mc, 则平台运动速度和运动位移分别为:
STM32F103ZET6的定时器4 (TIM4) 工作于PWM模式来产生脉冲PLS (PB6) , 用PB5来产生方向控制信号DIR;STM32F103ZET6的定时器2 (TIM2) 工作于计数器方式来对PLS进行精确计数, 计数脉冲记为N1, 将定时器4 (TIM4) 脉冲输出端PB6与定时器2 (TIM2) 的计数输入端PA0相接。
2.2 闭环控制模块
本研究在电机控制的反馈环节选用光栅尺, 它是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置[8]。其测量输出的信号为数字脉冲, 具有检测范围大, 检测精度高、响应速度快的特点。
在一个莫尔条纹宽度内, 按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。由于位移是一个矢量, 既要检测其大小, 又要检测其方向, 因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波, 通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏器件 (细分数为4, 分辨率为5μm) 获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端, 从差分放大器输出的两路信号相位差为π/2, 为得到判向和计数脉冲, 需对这两路信号进行整形, 首先把它们整形为占空比为1∶1的方波。然后, 通过对方波的相位进行判别比较, 就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数, 可以得到光栅尺的位移和速度。
为了实现可逆计数和提高测量速度, 本研究在光栅尺与STM32F103ZET6单片机相接时采用193可逆计数器。设光栅尺输出信号频率为f, 光栅传感器栅距为d, 细分数为N, 则光栅尺表征的运动平台速度为:
由光栅尺输出的方波信号输入到193可逆计数器 (74LS193) , 然后再接到STM32F103ZET6单片机的PA1口, 对光栅尺输出的方波脉冲进行计数, 计数脉冲记为N2。本研究在STM32F103ZET6单片机中比较N1、N2和v1、v2, 根据比较结果调整电机驱动参数实现闭环控制。
2.3 限位模块
限位模块用来对机械结构进行保护, 避免控制器误动作对机械系统造成损坏。电路之间的信号传输, 通过采用TLP521光电耦合器使其前端与负载完全隔离来减小电路干扰, 增加电路安全性。在运动平台的运动导轨上设有4个限位开关, X、Y方向各设有2个, 用作起点设置和末位保护。限位模块的硬件设计图如图4所示。
2.4 通信模块
STM32F103ZET6集成了2个串口:串口1和串口2。其中, 串口2可通过跳线支持RS-232接口和RS-485接口;串口1和串口2作为通信串口, 都可以作为3线RS-232串口, 其中串口2还可以RS-485接口, 通信模块的原理图如图5所示。
在多机进行数据通信时, 各单元分布于系统的不同位置, 相互之间的距离虽然不远, 但要实现多点的实时双向通信, 选用RS-232标准一般难以满足要求。综合各种因素, 本研究选用RS-485标准, 该标准采用平衡发送和差分接收方式来实现通信。但大多数普通PC机只有常用的RS-232标准串行通信接口, 而不具备RS-485标准串行通信接口。因此, 为了实现RS-485协议的串口通信, 必须设置跳线支持RS-232/RS-485之间的转换[9]。
3 开放式数控运动平台的软件设计
3.1 系统软件设计
系统软件设计是基于MDK编译环境的, Real View MDK是ARM公司最先推出的基于ARM微控制器的专业嵌入式开发工具, 适合不同层次的开发者使用[10]。特别地, MDK支持最新的Cortex-M3处理器, Cortex-M3处理器是ARM公司推出的最新针对微控制应用的内核, 提供业界领先的高性能和低成本解决方案。
系统软件包括初始化程序、主程序和中断服务程序3个部分。系统在每次复位后, 首先执行初始化程序, 完成控制器内部设定和初始状态检测, 然后开启中断, 执行主程序, 一旦中断条件满足时, 系统执行中断服务程序, 直到系统重新复位。系统软件设计流程图如图6所示。
3.2 驱动模块软件设计
本研究采用STM32F103ZET6的定时器产生PWM信号来驱动步进电机, PWM的周期及占空比均由STM32F103ZET6定时器控制, 然后通过配置GPIO口来输出PWM信号[11]。
第一步, 进行定时器初始化, 选择通用定时器TIM4, 时钟频率TIM4CLK是72 MHz, 设置一个更新事件载入活动的自动重装载寄存器周期的值TIM_Period (预装载值) 和一个用来作为TIMx时钟频率除数TIM_Prescaler (预分频值) , 由此可知TIM4在下面定义的频率下工作:TIM4频率=TIM4CLK/[ (TIM4_Period+1) ·TIM4_Prescaler], 进一步设置时钟分割TDTS=TCK_tim=0, 设置TIM的工作模式为向上计数模式。
第二步, 设置PWM信号输出引脚为复用输出功能, 输出TIM4-CH2 (TIM4部分重映射) 的PWM脉冲波形。
第三步, 使占空比可控, 从0~100%分10个阶级控制占空比, 控制参数设置为pp和num, 定时器进入一次中断pp加1, num由按键S1控制。
3.3 闭环控制模块软件设计
闭环控制模块中, 利用光栅尺获取的运动平台的实时速度v和实时位移L, 经过4个光敏元件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端, 从差分放大器输出两路信号, 两路信号的电流经PI调节后输入至电流矢量控制环节, 输出两相电流Ia和Ib, 整形为占空比为1∶1的方波, 然后可以根据两相方波的相位判别移动方向, 通过对方波脉冲进行计数获得光栅尺的位移和速度。闭环模块的控制方框图如图7所示。
4 仿真调试
步进电机闭环仿真系统的相关仿真结果表明, 该控制系统具有较好的控制性能与动态响应性能。虽然在开始阶段转矩与速度有一定的波动, 但是很快地趋于稳定状态, 在施加负载扰动后, 系统也能较快地稳定下来。在实验台上进行调试结, 采用转子齿数为50, 二相混合式步进电机, 则其步距角为0.9°;步进电机细分数为4;传动机构采用挠性联轴器和滚珠丝杠, 其中滚珠丝杠的导程为4 mm;光栅传感器的分辨率为5μm;理论上每发一个脉冲丝杠移动2.5μm。当发送N1个脉冲, 驱动步进电机运行, 闭环控制系统对光栅传感器反馈回来的信号进行计数N2, 与N1比较后发送偏差命令进行实时修正到最后达到预定位置。同时本研究也进行了速度调节实验, 通过调整PWM信号的占空比, 步进电机运行平稳, 研究结果表明该控制系统是可靠的。
5 结束语
STM32系列嵌入式是应coretex时代潮流而产生的一款硬实时性高且高性能的处理器, STM32F103ZET6是认准了旧时代单片机的应用而量身定制的一款低成本、低功耗的高级单片机。
摘要：为了解决高校学生学习数控技术缺少一个相对开放的数控环境的问题, 将嵌入式技术应用到一个自搭建的开放式数控平台中, 分析了基于嵌入式技术的开放式数控加工的基本原理。以STM32FZET6为控制器, 采用PWM控制技术, 控制了两部两相式混合步进电机;根据光栅尺提供的速度和位置反馈信息, 结合PID控制算法, 构建了一个高控制精度且稳定性好的闭环控制系统。建立控制系统的数学模型, 通过Simulink仿真实验验证了系统的可靠性及稳定性。研究结果表明, 基于STM32FZET6的开放式数控运动控制系统对于构建一套教学用的数控系统具有重要意义。
关键词：STM32F103ZET6,步进电机,PWM控制技术,PID控制算法,Simulink仿真
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开放式运动控制系统 篇4
运动控制技术是现代工业化进程中必不可少的元素, 不管是数控领域, 还是新兴的装备制造乃至机器人领域, 都离不开运动控制, 运动控制器已经深入了现代化工业的每个角落。高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。传统的运动控制器的核心器件主要是基于单片机 (MCU) 或者数字信号处理器 (DSP) 等嵌入式芯片开发, 受嵌入式芯片的运算速度和功能的限制, 部分复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿[1]和更复杂的运动学、动力学计算无法在装备了传统运动控制器的数控设备或机器人设备上实现, 这就要求我们新型的运动控制器的核心处理器具有更快的处理速度、更高的运算精度和更多任务的处理能力。随着工业PC技术的发展, 功能越来越强大、可靠性越来越高、价格越来越低廉、体积越来越小巧, 是现代运动控制器及运动控制系统发展的必然趋势。
开放式运动控制器的研究始于1987年, 美国空军在政府的资助下发表了著名的“NGC (下一代控制器) 研究计划”[2]。从1996年开始, 美国几个大型研究机构对NGC计划分别发表了相应的内容, 美国通用、福特和克莱斯勒等公司提出和研究了“OMAC (开放式、模块化体系结构控制器) ”, 其目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具有柔性、更加敏捷。目前, 国外的一些公司已经有了相关的产品, 例如softservo公司[3]针对数控加工领域开发了4轴的运动控制器, 贝福自动化公司则主推Ethercat[4]相关的自动化运动控制产品, 包括嵌入式系统的硬件、软件平台以及工控PC。近年来, 一些人试图已经开始探寻将网络服务直接嵌入到运动器中[5], 例如张艳琼[6]等人研究了基于Web service的工业控制系统, 企图利用Internet的开放性来实现远程的工业数据交互, 和多平台的接入等特点。
前面提到的运动控制器及相关产品已经开始向开放式PC和网络化的方向靠近, 但还是存在一些缺点和不足, 例如采用计算机标准总线的运动控制器由于存在金手指链接, 单边固定等缺点, 不宜长期工作;采用嵌入式系统的运动控制器其资源和配置以及运算能力有限;本文基于以上原因实现了基于工控机和网络设备的运动控制器, 通过将所有运动控制算法运行在实时的工控机内核上实现快速的实时运算, 并且通过实时以太网的应用实现了工控机与现场设备的实时联网。与此同时在工控机上搭载了因特网接口, 可以实现多平台和多点的动态接入和控制。
1 运动控制器的系统的整体架构
如图1所示, 运动控制器搭载网络服务通过网关连接到工厂的局域网或广域网络;而针对多轴的电机控制方面, 控制器搭载实时的通讯网络 (并口, Can或者Ethercat) , I/O端子板实现将收到的数据翻译成现场的I/O控制量 (如, 数字量输入输入出, 模拟量输入输出以及PWM等) , 这样通过Linux实时系统和相应的实时传输协议便可实现一个控制器控制多轴的电机同时运行;运动控制器与运动控制器之间可以通过网关进行网内的数据交换。
图2是运动控制器软件结构框图, 控制器以PC和实时Linux技术 (RTAI或者Preempt-RT) 构成的实时操作系统 (RTOS) 为基础开发平台, 操作系统中的程序分为实时和非实时两种类型, 其中实时以太网驱动等程序的运的优先级最高, 此外, 硬件驱动、运动学和动力学计算、轨迹规划和网络服务等内容也在实时进程中实现;而对系统实时性要求不高的内容, 例如代码解释等, 则是在非实时的进程中实现。人机交互方面, 通过网络节点上的用户可以通过网络GUI的服务实现远程的访问和多点的接入。
2 运动控制器网络及远程控制功能实现
1) 搭建Web服务
对于Web的工作原理简要介绍如图3所示, Web服务器作为服务端存放相应的服务网页并提供服务, 将Web服务器融合到运动控制器中, 所以运动控制器的数据可以与Web服务器进行实时通讯。Web客户端发出浏览网页和下载文件等命令申请, 申请成功后, 由服务器直接传输所需要的文本和数据到客户端。
针对服务器的搭建, 我们采用Apache等方式来配置。Apache是开源的Web服务器软件, 是最常用的Web服务器之一。其主要特点是:简单、速度快、性能稳定;它可以运行于所有计算机平台, 包括UNIX/LINUX系统;集成代理服务器和Perl编程脚本;对用户的访问会话过程跟踪;可对服务器日志定制;还支持虚拟主机及HTTP认证等等。同时在服务器端还需要配置My SQL服务器和PHP应用程序服务器等软件, 其中My SQL是关系型数据库管理系统, 而PHP是网站流行的Web程序开发语言。三者的结合是用来配置Web服务器的标准组合。
2) SSH远程登录控制
SSH为建立在应用层和传输层基础上的安全协议。SSH是目前较可靠, 专为远程登录会话和其他网络服务提供安全性的协议。利用SSH协议可以有效防止远程管理过程中的信息泄露问题。在Linux的操作系统上建立和链接SSH服务是非常简单方便的, 并且用户可以通过不同终端进行访问。首先在运动控制器上安装SSH协议, 在加入实时内核补丁的ubuntu操作系统下, 安装SSH协议是非常方便的, 只需要在联网状态下终端输入apt-get install SSH, 系统便可以自动安装SSH服务。同理, 在另外一台终端安装SSH服务之后便可以采用SSH+IP地址+用户名来实现两台计算机的互访。这样便实现了采用局域网中任意一台机器来控制开放式的运动控制器。
3 运动控制器性能研究
由于运动控制器必须要保证设备的实时性, 因此我们首先需要研究操作系统和通讯系统的实时性, 只有解决了这两大核心问题, 系统的精度和控制速度才能够提高并且适应现场的不同设备。本文主要采用以实时的Linux操作系统为基础, 首先调查和研究Linux操作系统对外围设备的实时性表现, 同时研究基于Linux下的现场实时总线的技术和通信标准。
1) 操作系统的实时性研究
由于标准的Linux内核是采用内核层和用户层分离的接口, 普通用户无法直接更改内核进程, 因此需要采取一些特殊的办法来提高其实时性, 比如说瘦内核方法、超微内核方法、资源内核方法和实时内核补丁等等。
图4 (a) ~ (d) 显示了普通内核和带实时内核补丁的Linux操作系统的实时性的表现, 本测试在每个操作系统上分别运行了5个线程, 针对每个线程的实时性进行了捕捉 (图中max:表示最大延迟, Avg表示平均延迟, 单位均为ns) , 结果发现采用普通Linux操作系统内核的最大延迟比较大 (最大延迟为1000ns以上) , 并且在干扰情况下, 内核的稳定性得不到保证 (最大延迟跳动比较大) 。采用实时内核则稳定性和实时性大大提高了 (最大延迟在10ns左右) 。
2) 通讯系统的性能研究
上位机要想控制现场设备, 那么通讯过程是必不可少的, 我们采用linuxcnc作为上位机的控制软件, 通过编写实时进程下的hal驱动和内核模块文件来实现实时的运动控制功能。这里我们采用了三种通讯模式开发了相关的通讯系统软件和硬件来控制下位机的电机及IO设备:基于并口通讯, 基于Canopen通讯和基于Ethercat通讯。
基于并口的通讯:由于并口相对于其他方式来说, 其开发过程比较简单, 成本低廉, 因此我们首先采用并口进行测试, 但其局限性在与, 通讯距离比较短, 通讯速率比较慢。通过重写Linux内核并口驱动程序, 通讯方式采用EPP模式, 并且下位机采用单片机模拟并口, 下位机根据接收到的值发出相应的模拟量或者数字量来控制现场设备。
采用并口通讯实现开放式运动控制系统的设备如图5所示, 主要包括了工控机, 并口转接板和I/O端子板, 在Linux系统实时系统下, 我们选取了系统中断为1ms, 通讯协议中, 每发送一个16位的过程数据, 需要在上位机发送四次8位数据, 由于EPP通讯模式的速率大约在1Mbyte左右, 因此我们每个1ms的通讯间隔可以发送和读写大约30个16位的数据。数据编码方式如表1所示。
其中h0h7组成8位数据头, c0~c7代表数据的代码号, 用来识别设备编号和数据等, d0~d15代表实际数据。
通过实验验证, 在这样的方式下, 我们每一路并口最多只能实时控制2两路电机。我们可以通过PCI的并口扩展卡来实现多路电机的同时控制。因此, 在控制轴数不多, 廉价的场合, 采用并口来实现是可行的。如果需要增加更多路的控制, 我们可以使用PCI或者PCIE转并口转接来实现。
基于Canopen的通讯:由于普通电脑上并没有Can通讯的硬件, 因此我们需要研发基于Can的PCI通讯卡, 采用Can总线通讯主要特点是, 抗干扰能力强可以同时接入多个控制设备传输距离相对来说比较远, Linux系统下, 我们选择了凌华公司的PCI-7841 (PCI转CAN卡) 进行测试, 编写基于Can总线的程序比较简单, 基于socketcan的方式, 首先创建一个套接字, 然后绑定端口, 然后发送数据, 其主要程序如下:
通过实验发现, 采用Canopen的通讯模式, 其1ms内的实时收发数据量跟并口的差不多, 但是其稳定性和传输距离远远高于并口。另一方面, 由于需要专门设计PCI转Can卡, 成本要高一些。
基于Ethernet的通讯:传统的运动控制器通过RS232、485等方式来进行运动控制器与现场设备间的通讯, 这类系统的功能和性能受到了诸多的限制, 除了通讯距离短、接线方式繁琐、通讯速率低等, 最显著的缺点是能够控制的轴的数目不多。通过实时以太网的技术引入, 解决了运动控制此类迫在眉睫的问题。
以太网的实时通讯方式, 目前有比较多的种类, 例如:一些人直接使用profi bus DP和world FIP协议取代传统的UDP协议通过较高级的协议层禁止即载波监听多路访问/冲突检测机制存取过程, 并使用时间片或轮询过程来取代它;或者部分方案采用专用交换机, 并采用精确的时间控制方式分配以太网数据包。上述方案不可避免地遇到总线传输的延迟问题, 而Beckhoff公司推出的Ether CAT总线通过从站中的实体硬件实现了部分系统的功能从而解决了关键的实时性问题, 数据可以实时地被插入到在经过该从站的报文中。因此采用Ether CAT通讯协议, 不仅能够提高控制系统的通讯速率, 而且也能保证系统的实时性。
在实验过程中我们通过直接在Linux操作系统上搭载Ether CAT总线的Master节点实现上位机与Ether CAT现场模块的通信。既保证了距离和实时性, 又不需要另外在PC机上加上PCI硬件, 因此是比较合理的方案。图6显示了采用Ethercat的网络化开放式运动控制系统, 我们自主开发了基于倍福公司ET1100和基于MSP430单片机的从站模块, 通过单片机配合ET1100芯片实现与主节点通讯并将其转化为控制驱动器所需的I/O信号。经测试, 网络传输速率根据不同的电脑性能有所变化, 一般1ms内可以发送接收至少300个16位数据因此通讯速率比前两者都快。因此选用Ethercat方案是实现控制器的稳定性和高速性能的保证。
4 基于网络化开放式PC运动控制器的平面Delta机器人的实现
两自由度Delta机器人是工业机器人的一种, 它以简单的结构和高速的运动学性能受到了广泛的青睐, 主要应用于包装行业。其结构特点是:其右端手臂采用两个平行四杆机构使末端执行器始终保持水平。
如图7所示, 本Delta机器人在设计左右的往复行程为1m, 抓取速度每分钟60次, 采用了国产的伺服电机和行星齿轮减速机构, 我们分别采用并口, canopen和Ethercat方式来实现了平面并联Delta机器人, 由于此机器人只需要实现2轴联动, 所需要控制和传递的参数比较少, 所以我们的三种通讯方案均能够保证其控制的实时性和精度。同时通过采用SSH的方式, 我们实现了局域网内部的多平台网络化监控和远程监控。
5 结论
本文提出了基于网络的开放式运动控制系统的设计, 该控制器通过采用工控PC和自制的运动控制通讯卡, 将控制信号实时地转化为现场电机轴的控制信号, 其他的软件可以直接在PC上实现, 不需要下位机的参与。由于PC机具有强大的计算能力, 能够轻松实现复杂的机器人运动学算法, 并且其算法的移植性强, 因此是实现开网络化和开放式的必要条件。本运动控制器通过采用实时的操作系统内核和实时的通讯方式来保证整个系统的实时性。经验证, 此开放式运动控制器很轻松的实现了基于远程控制的平面两自由度Delta并联机器人, 并且通过算法的移植能够很容易地实现各种具有多轴运动特征的机器人。同时, 它还具有多平台的兼容性和远程控制的特征。
摘要：当前机器人已经成为当前国内外人们研究的重点和热点, 由于机器人的构型不确定性和运动学算法结构的复杂性, 导致传统的运动控制器很难适应不同种类的机器人的运动控制。介绍了一种开放式运动控制器, 将运动学和动力学甚至轨迹规划等算法直接运行在工控机上, 通过在工控机上搭载多种通讯模式实现与现场设备的交互, 与传统的运动控制器相比, 不仅提高了运算速度和实时性能, 同时通过在控制器上搭载网络服务, 运动控制器可以满足远程和多平台的接入与控制。
关键词：机器人,运动控制器,实时以太网,运动控制器,开放式运动控制器
参考文献
[1]吴孜越, 胡东方, 杨丙乾.运动控制器在国内的应用及发展[J].机床与液压, 2007 (07) :234-236.
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[3]System S S.http://www.softservo.com/[EB/OL]. (2013-12-23) http://www.softservo.com/.
[4]倍福自动化.http://www.beckhoff.com.cn/[EB/OL].http://www.beckhoff.com.cn/.
[5]研华公司.基于浏览器的HMI/SCADA软件Web Access[EB/OL].http://webaccess.advantech.com.cn/.
开放式运动控制系统 篇5
一、开放式运动技能学习的特点及在篮球组合技术教学中的表现形式
美国学者鲍尔顿把开放性技能定义为, 以环境和本体感觉变化的整体性、统一性为特征, 根据外界环境信息的反馈来调节的技能。由此可见, 开放式运动技能的特点是以外部反馈为主、根据环境变化所执行动作技能的有效性较高、执行动作技能时很少需要注意力调整且速度非常快。
篮球组合技术是指, 两个以上单个技术动作有机衔接、巧妙结合所形成的各种特殊的技术群的总称。篮球组合技术的运用, 不是各个技术间简单的叠加关系, 其内在含义是:运动员根据本人对篮球的理解, 对竞赛规律的认识, 为了达到制约对方的目的, 在一个完整技术完成的变化过程中, 做到时间上的及时性、位置上的准确性 (包括运动肢体位置、场地位置) , 以及变化上的隐蔽性、灵活性和连续性, 才能使组合技术具有实用的和有效的制约对手的特点。
由上可知, 开放式运动技能学习在篮球组合技术教学中的核心特征就是环境的变化性, 在篮球技术教学中体现为运动员的组合技术依赖多变性的情境而运用, 并对临场情况做出适当而准确的判断。因此, 在其教学过程中, 应重视环境与本体的交互作用, 充分体现篮球技能学习与情境之间的密切关系;在教学设计中, 要充分体现本体感知 (预判能力和接应点) 、环境外显特征 (动作表现及器材变化空间位置) 、本体决策 (合理的技能和途径) 、本体应答行为 (技术运用和对器材的控制) 等4个阶段表现形式, 以培养学生在特定情境中运动技能的决断能力与运用能力。
二、开放式运动技能学习在篮球组合技术教学中的应用策略
(一) 注重运动技能系统整体性的学习
针对篮球运动比赛过程情境多变性导致其技术运用的随机选择性的特点, 在篮球技术动作的学习的基础上, 要重视技术学习之外的战术意识、情境变化等因素, 建立整体学习观念, 使学生不仅学会技术动作, 而且要理解这些技术动作在什么情境下合理使用。
(二) 重视学生认知学习能力的提高
在运动技能学习过程中, 要重视学生认知能力的提高:对运动技术本身的认知的提高, 主要体现在对技术结构的理解;情境认知的提高, 主要体现在复杂情境中本体的决策能力。
(三) 善于激发学生的主动性与创造性
在开放式运动技能学习过程中, 由于充分考虑到了外界情境的因素, 而情境因素又是复杂多变的, 这就需要学生根据特定情境创造性地完成技术动作, 由此来激发学生的灵感与临场应变能力。
三、开放式运动技能学习应用在篮球组合技术教学中的练习方法
为了便于系统的教学与训练, 一般把组合技术分为同类组合技术和非同类组合技术两种。同类组合技术是指, 在篮球进攻和防守中由技术内部环节组合而成的一类技术, 主要包括抢篮板球、进攻移动和防守移动;非同类组合技术是指, 在篮球运动中将两项或两项以上不同类别的技术有机巧妙地衔接在一起组合而成的攻击性的技术。在此, 笔者介绍三种常用的教学方法 (同类组合技术一种, 非同类组合技术两种) :
(一) 同类组合技术 (全场综合进攻+防守移动练习)
1. 方法:
如图1所示, 两人一组, 一攻一防。 (6) 从一侧端线处起动, 在▲的防守下做全场多种进攻移动组合技术的综合练习。
注 (本文图例, 下同) : (4) 进攻队员4号▲防守队员教师投篮→队员移动路线传球路线队员运球路线
2. 要求
(1) 进攻方要综合运用变速跑、后滑步、后退跑、快跑、急停、变方向侧身跑等多种移动技术; (2) 防守方要根据进攻方的移动及时调整位置和脚步进行防守, 同时, 进攻方也要根据防守方的位置不断变化移动方向; (3) 攻守双方相互交替, 可由无球练习变为配合有球移动练习。
3. 特点
(1) 充分体现了进攻方与防守方的交互作用; (2) 在攻防位置不断发生变化的过程中熟练运用移动技术。
(二) 非同类组合技术一 (运球+传球+投篮练习)
1. 方法:
如图2所示, 4人一组使用一球, 轮流进行变向运球、传球及投篮练习。学生 (4) 运球依次通过 (5) 、 (6) 后, (5) 、 (6) 迅速切入篮下, (5) 成为进攻方, 接应 (4) ; (6) 防守 (6) ; (4) 适时适机完成后续动作。 (4) 通过传切配合完成投篮。
2. 要求
(1) (5) 、 (6) 的防守要随机侧向移动, 且消极防守, 在被突破后要迅速切入篮下; (2) (4) 要变向运球从防守移动相反一侧持球突破; (3) 突破 (5) 、 (6) 后的 (4) 要根据对环境的判断, 包括防守者 (6) 、 (7) 的动作、队友 (5) 的位置等, 做出最佳的技术选择 (突破或传球) ; (4) (4) 最后的技术选择一定要在短时间内完成, 尽可能不超过两次传球即完成投篮, 可运用传切 (空切) 、突分、急停跳投等。
3. 特点
(1) 突出了情境在技术学习中的重要性, 培养了学生的瞬时决断能力; (2) 提高了判断、反应能力, 且在空间位置不断变化的情况下做出判断。
(三) 非同类组合技术二 (篮板球+快攻练习)
1. 方法:
如图3所示, 5人在移动中抢篮板球发动快攻练习。教师在罚球线持球, 5名队员在罚球圈外按逆时针方向跑动, 教师投碰板球, 同时, 喊某队号码, 某号队员即抢篮板球, 其他队员迅速散开, 如 (6) 抢篮板球, 相邻的左边和右边队员有一人拉边接应, 另一人插上接球, 前边两人弧形侧身跑前锋路线, 接球投篮。
2. 要求
(1) 5人在罚球区逆时针跑动时要保持均等的距离, 防止与抢篮板球队员发生身体冲撞; (2) 教师应安排靠近篮圈的队员抢篮板球; (3) 与抢篮板球队员相邻的左边和右边队员要根据对位置的判断, 在短时间内做出最佳的技术选择 (拉边接应或插上接球) , 其他两名队员及时分边弧形侧身跑前锋路线, 随时准备接球上篮。
3. 特点
开放大旗之下的新圈地运动 篇6
百度首页玩“变脸”
“每一位用户都可以拥有属于自己的百度首页,每一个开发者都可以上百度首页。”9月2日,百度CEO李彦宏正式发布了全新的百度首页,从单一的搜索框变成“网址导航站”再加上“类似苹果APP商店的‘应用中心’”,并向所有站长、开发者、服务提供商开放。李彦宏表示,相比传统搜索表单式的结果排列,百度框计算下的数据开放平台实现了“即搜即得”,应用开放平台实现了“即搜即用”,百度改革首页后则让用户实现了“不搜即得、不搜即用”。
只有拥有百度账号才能体验百度新首页,除了传统的搜索框,新首页增加了导航、实时热点、应用和新鲜事四大模块。其中“导航”包括用户经常访问的网址以及通知提醒,可以自己添加,有点类似网址收藏夹,比较特别的是如果网站有更新,都会在百度新首页上有一站式的展现,例如用户在导航部分添加了人人网,一旦人人网账户出现好友申请,百度新首页就会同步显示。“实时热点”是显示近日热门搜索关键词,点击就会出现百度相应搜索页面。在“应用”部分,用户可以自行添加常用的应用。据了解,目前百度开放平台上线应用近2万个,包括游戏、音乐、生活、视频等六大类别。“新鲜事”则集中显示用户在各个社交网站中的好友更新动态。
对用户来说,新首页上线意味着每次打开百度看到的不再是千篇一律的搜索框,而是可以自己建立的“个性化”首页。对所有站长和开发者来说,百度新首页的开放提供了发展契机,使得自己开发的应用通过用户订制就可以直接在百度首页上显示并运行,以往遥不可及的百度首页有了成为自己舞台的可能。
业内人士认为,百度此次“变脸”标志其从搜索引擎跨入全媒体平台,从以搜索产品为核心转变为以用户为核心,暴露出百度从最初的搜索入口逐步变为整个互联网入口的野心,同时也让互联网公司“开放平台之争”再次升级。
业界齐声喊开放
高举开放大旗的国内互联网企业,百度不是第一个,也不是最后一个。今年以来,国内排得上号的互联网企业几乎都在提及开放。尽管百度的加入为这场没有硝烟的战争增添了几多变数,然而掀起开放平台之争第一个高潮的却是腾讯和360这对老冤家。
6月15日,腾讯CEO马化腾在合作伙伴大会上宣布要打造一个规模最大、最成功的开放平台,与第三方开发者共同分享利益收成,使得腾讯、第三方开发者以及用户共同受益。“这是一个半年前就已经定下的约定。”马化腾表示,从去年12月开始,腾讯步入为期半年的战略转型筹备期,转型的原则就是开放和分享。如今,腾讯朋友、QQ空间、腾讯微博、财付通、电商、搜搜、彩贝以及QQ八大平台全部开放,腾讯的数亿用户也已先后向第三方合作伙伴开放。马化腾还抛出斥资100亿元打造腾讯产业共赢基金的计划。“对我来说,没有什么比把一年的利润全部投给产业链更正确的事情了。”马化腾称,“这个是一点都不艰难的决定,而是很轻松的、正确的决定。”
早在马化腾宣布全面开放的半个月前,奇虎360就捷足先登地召开了“第一届中国互联网开放大会”。掌门人周鸿祎放出豪言,奇虎360推出360度开放计划,包括安全桌面、软件管家、安全浏览器、极速浏览器的应用中心、团购开放平台、游戏中心等全线产品均向合作伙伴开放,并砸下10亿元注资创新基金,建立高达1亿元的开发者奖励基金,还承诺Web游戏分账比例最高。
随着腾讯和奇虎将3Q大战时的博弈延伸至开放平台,一场围绕互联网开放的接龙比赛开始蔓延至整个互联网。新浪开放微博平台、搜狗开放“皮肤”平台、人人网开放社区平台、盛大开放游戏平台,就连为股权风波召开媒体沟通会的马云在当时也不忘顺带强调阿里巴巴、淘宝、支付宝将全线开放。有网友评论说,互联网开放的趋势已经势不可当,以开放平台为核心,互联网新一轮圈地运动正在轰轰烈烈地展开。
开放平台之争成必然
为什么巨头们竞相宣布开放?因为未来十年的互联网游戏规则变了。搜狗市场总监王冠雄认为,过去十年是中国互联网的“黄金时代”,网民数量连年速增,市场到处是机会,只要在产品、渠道、营销、资本等主要方面有所创新并坚持下来,便能赚得盆满钵满。而今,中国互联网界正面临着人口红利下降、巨头之间竞争冲突不断的发展瓶颈。于是,在现实压力和脸谱效应的诱惑之下,国内的互联网巨头走向了“开放之路”。
开放,是为了尽可能吸纳互联网优质资源为己所用。一方面,互联网行业大佬们希望凭借自己的资源,吸引更多的互联网开发者或者合作伙伴进驻自己的平台,圈“开发者”。另一方面,凭借越来越多的开发者、应用和合作网站接入,越来越多的用户会使用自己的平台,并停留更长的时间,“圈用户”。
无论是苹果还是脸谱都已证明,通过吸附各类开发者、服务商资源,开放平台可以增强用户黏性、干预流量走向,进而提升其商业价值。对于那些拥有海量客户和高黏性产品的平台型公司来说,将API开放给第三方开发者以便更大程度地“流量货币化”,已经成为了一种必然。“开放”已经成为未来十年互联网行业发展的关键词。
不过,即便是一片高调的开放声中,亦有诸多纷争。6月,多玩CEO李学凌公开炮轰腾讯封杀YY语音聊天IM软件;5月,人人网被指封杀在社区、团购领域的竞争对手点点网、美团网。3月,评论人李易指责新浪微博开放平台一口气干掉了微博大管家、微博通等几十款应用,理由是这些应用向其他门户同步微博。在竞争规则不明晰、弱肉强食见惯的中国互联网业界,弱势开发者如何面对强势平台令人担忧。
与此同时,易观国际在《中国互联网开放平台专题研究报告2011》中提出,开放平台发展潜力主要取决于四个方面:开放平台运营商自身业务范围界定清晰;开放平台技术路线、策略明确,研发技术实力雄厚;开发者能够通过开放平台生存和发展,在创新的土壤上获得收入;开放平台内部关系处理妥当,资源配置合理整合。能否处理好以上四个方面的问题,是关乎整个产业链健康发展的关键所在。
新世纪法国大学校社会开放运动探究 篇7
一、法国大学校社会开放运动的背景
法国大学校社会开放运动是指21世纪以来,以巴黎综合理工学校(魪cole Polytechnique)、巴黎政治学院(Science Po)、法国高等经济商业学校(ESSEC)等为代表的一批大学校采取一系列措施,推行一系列项目,以鼓励并协助更多弱势群体子女就读大学校,推动入学机会平等。
其实,大学校的社会开放问题由来已久。早在20世纪60年代,以布尔迪厄(P.Bourdieu)为代表的一批法国社会学家就开始关注该问题。在其所著的《继承人》(Les Héritiers:lesétudiants et la culture)、《再生产》(La Reproduction:éléments pour une théorie du système d'enseignement)和《国家精英》(La Noblesse d'魪tat:grandesécoles et esprit de corps)等著作中,布尔迪厄就深刻地批判了精英大学校及其预备班的社会阶层封闭性,“垄断”、“暴力”、“霸权”等词第一次用来尖锐地批评精英高等教育机构。布尔迪厄指出,大学校和预备班已经成为了“霸权和使霸权合法化的基础之一”。[1]
虽然布尔迪厄的观点在学术理论界产生了深远的影响,但可惜的是,法国政府和社会并没有对大学校的封闭性给予足够的关注和积极的应对。高等教育大众化和普及化的实现,虽然为更多的法国人提供了接受高等教育的机会,但优质的高等教育资源还是被中上阶层家庭的子弟所垄断。精英大学校的学生群体越来越趋向于阶层的同质化,这与社会各个阶层和不同文化的多样性非常不协调。
精英大学校趋向封闭,不但不利于构建多样化的各阶层互动的校园氛围,也不利于培养全面了解法国社会的具有领导力的领袖人才。法国精英阶层内部通过大学校系统进行的再生产,阻碍了社会阶层的流动,也严重威胁着社会的公平和正义。
二、法国大学校社会开放运动的内容和具体措施
2000年,几名巴黎综合理工学校的学生创立了“跳板社”(Association Tremplin),帮助那些贫困地区中学的学生提升学业水平,成功进入大学校。2002年,巴黎政治学院推出了“优先教育公约”计划(Conventionséducation prioritaire)。2003年,法国高等经济商业学校的“大学校,为什么没有我?”(Une grandeécole,pourquoi pas moi?)计划也正式运行。这一系列计划的出台,有一个共同的目标,即鼓励并协助更多弱势群体家庭的子女就读精英大学校。这一系列计划正式宣告法国大学校社会开放运动的兴起。具体来讲,法国大学校社会开放运动的主要内容和措施可以归结为如下三个方面。
1. 构建完善的经济资助体系
法国学生就读大学校的支出主要包括注册费、生活费、住宿费以及参加入学考试的费用等。虽然与美国的大学相比,就读法国大学校的费用要低廉很多,但是就法国的两轨高教而言,大学校的费用依然高出公立大学不少。据2012年8月9日法国高教与科研部公布的2012~2013年的注册费显示,工程师文凭项目的注册费为596欧元,而大学本科项目的注册费仅为181欧元,硕士项目的注册费也只要250欧元。注册费加上不断上涨的食宿、交通等生活费用,最终将一部分优秀的弱势群体子女拒之门外。建立完善的资助体系,帮助弱势群体子女克服经济上的困难是增强大学校社会开放性的首要举措之一。
法国学生资助体系中,最为重要的一个项目便是法国国家助学金。该助学金由法国高等教育与科研部联合法国文化与交流部共同出资,由“全国大学与学校事务中心”(Le centre national des ceuvres universitaires et scolaires,简称CNOUS)负责管理。2006年时任法国总统的希拉克提出,到2010年要实现大学校预备班就读的学生中30%可享受国家助学金的目标,前总统萨科齐当政时也再次确认了希拉克提出的目标。[2]
法国国家助学金评定的依据主要是申请人的家庭经济收入。2011~2012学年,享受国家助学金的条件为,家庭2009年全年的总收入不超过33,100欧元。获得国家助学金资格的学生,还享受免除其所就读的高等教育机构的注册费的待遇。国家助学金共计设置从0~6七个级别。每个级别对应不同数额的助学金。按照2011~2012学年的标准,满足最高第6级别的学生可以获得4,600欧元的助学金。据统计,2010~2011学年,全法国共计有590,967名学生从该助学金获益。[3]
除了国家助学金外,各个大学校也不断加大对贫困学生的资助。据统计,有超过15%的大学校联席会议(la Conférence des grandesécoles,简称CGE)成员每年为学生提供的经济资助超过50万欧元。[4]以巴黎高等商学院(HEC)为例,该校近年来也一直不断致力于增加学校在学生资助方面的投入。数据显示,2009~2010学年,学校用于学生资助的总金额为175万欧元,2010~2011学年为240万欧元,2011~2012学年则为265万欧元。[5]
除此之外,因为精英大学校大多集中在巴黎之类的大城市,住宿费对于那些来自贫困家庭的学生就成了一笔不小的负担。为了缓解这一问题,法国政府于2008年启动了“优质寄宿”项目(Les internats d’excellence),主要目的在于为包括初中生、高中生以及大学生在内的品学兼优的学生提供廉价的住宿。2010年,作为该项目的补充,又启动了“成功公寓”项目(Les résidences pour la réussite),主要为满足接受高等教育以及大学校预备班学生的住宿要求。另外,2007年通过的《特巴法》(loi Tepa,意为针对劳动、就业和购买力的法律),允许在校学生每周打工不超过12小时,且打工的收入免税。这些措施在很大程度上,减轻了弱势群体子女就读大学校的经济负担,有利于吸引更多的品学兼优的弱势群体子女申请就读大学校。
2. 帮助弱势群体做好接受精英高等教育的各项准备
造成精英大学校学生群体中的弱势群体代表性低的另一个重要原因在于弱势群体家庭的子女自身没有完全做好就读大学校的准备。
弱势群体子女做好接受精英高等教育的准备,其中,最为重要的一项便是学业能力的准备,而这主要依靠的是不断推进实现基础教育的均衡发展。以“教育优先区”计划(Zone Education Prioritaire)为代表的一系列计划,在此方面功不可没。近些年来,法国国内掀起的关于学校分区图(la carte scolaire)存废的大辩论,着眼点也在于如何为全体法国青少年提供更加优质的、平等的基础教育。教育公共性原则所要求的“平等地对待所有学校和学生,保持教育资源供给的平等性”,仍是法国基础教育不断追求的目标。[6]
除此之外,一系列针对弱势群体子女的早期干预措施也被实践证明是行之有效的。这些早期干预措施,主要包括两个方面的内容:一是信息引导和服务,为广大中下阶层的子女提供真实客观的有关精英大学校的信息;二是陪伴成长计划,在中下阶层子女成长的各个环节,特别是高中阶段,为其提供心理以及学业上的各种形式的支持和辅导。
(1)信息服务和引导
由于生活环境和信息的闭塞,弱势群体家庭子女通常并不十分了解精英大学校,甚至受社会阶层决定论的影响对大学校存在诸多误解。向出身于中下阶层的初中生和高中生介绍大学校高质量的人才培养模式和良好的就业前景等特点,介绍大学校及其预备班的招生录取途径、各类奖助学金的设置情况、各种对弱势群体子女的支持措施,有助于吸引和鼓励更多来自中下阶层的优秀学子报考大学校。一种非常有效的办法是,邀请毕业于该中学且正在就读大学校或者已从大学校毕业进入职场的校友,进行相关宣讲,与学弟学妹们分享自己的求学经历和职业发展心得。演讲人从自身经历出发的宣讲也更能讲出真情实感,更具有说服力,可以帮助学生冲破“玻璃天花板”(le plafond de verre),树立自信心。
进入21世纪以来,法国教育部加强了对高中阶段学生未来教育和发展规划的咨询辅导。2008年,由法国高教与科研部主办的“大学入学网”(Ad mission post bac),为高中毕业生或具有同等学力并希望继续进行高等教育的学生提供全面的、一站式权威的信息服务。通过这个网站,学生可以全面了解各种类型的高等教育项目,根据自己的兴趣爱好,填报多个大学申请志愿,在线递交申请材料,并可以实时跟踪自己申请材料的流转过程。2011年共计有10,125个高等教育项目、750,350名高中毕业生或者同等学力者通过该网站填报了高等教育志愿,并创建了个人申请文件。法国教育部还要求,自2011~2012学年起,包括综合高中、技术高中和职业高中等在内的所有高中从高二年级开始,对学生进行相关的教育和职业咨询辅导,让学生明确未来教育和职业发展的可能性选择,以及学生在各方面需达到的相关水平要求。
(2)陪伴成长计划
该项措施主要是指定期、系统性地组织大学校的学生深入薄弱地区的中学,为中学生提供心理以及学业上的指导和帮助。
比较具有代表性的陪伴成长计划主要有:由法国高等经济商业学校首创的“大学校,为什么没有我?”计划、巴黎综合理工学校的“陪伴成长计划”,以及由亨利四世高中(Lycée Henri IV)最早在2006年创建的大学校预备班预科课程(CPES)计划,等等。下面仅以法国高等经济商业学校的“大学校,为什么没有我?”计划做一简单阐释。
“大学校,为什么没有我?”计划面向的目标群体是成绩优秀且来自于中下阶层家庭的中学生。据统计,参与项目的学生80%是外国移民的后裔,父母没有受过高等教育,职业多为低薪的劳务,大多来自偏远地区,属于中下阶层。
“大学校,为什么没有我?”计划的主要内容是,试图在高中教育的最后3年,为那些家境贫寒、品学兼优、具有发展潜力的学生进行多种形式的辅导和帮助,以提高他们对自己未来的期望,增强其信心,报考更知名的大学校,从而实现更高的人生理想。具体工作方法是,2名导师与6名至8名中学生组成一个小组,每周末进行3个小时的交流与辅导,辅导的周期为3年。活动形式丰富多样,诸如,辩论、文化小演出、时事小测验、参观访问、文化考察,讲座及座谈等。导师可以由包括精英大学校在读学生、教师或社会各界具有一定资历的成功人士担任。辅导的重点并非某一学科的具体知识,而是注重学生能力的发展,包括分析问题的能力和解决问题的能力、语言表达能力、辩论能力、批判精神、创新精神、人际交往的能力和责任感等。
3. 改革大学校的招生体制
近些年来,法国各大学校已经达成一个共识,招生途径的多元化是实现大学校社会开放性的极为重要的途径。传统上来讲,大学校预备班是进入大学校的唯一途径。这在很大程度上限制了大学校入学的社会开放性。而近些年来,这种局面正在发生变化。除了像巴黎综合理工学校、巴黎中央学校(Centrale)、巴黎高科农学院(Agro Paris Tech)等最为著名的大学校还在很大程度上依赖于大学校预备班输送学生外,其他大学校正逐渐走向招生途径的多元化,大学校、大学与高等技术教育(STS)之间的立交桥正在变得更为畅通。
概括来讲,就读大学校的方式,除了大学校预备班之外,目前的途径还有如下几类:
一是高中毕业会考证书(BAC)持有者可以通过考试直接报考大学校。目前,很多大学校直接向高中毕业会考通过者开放。申请人须持有高中毕业会考证书,且通过大学校组织的相关考试。如巴黎政治学院的本科生院就设有多个这样的本科学位项目。
二是读了两年综合大学可以直接转入大学校就读。已经在综合大学完成两年学业且获得大学第一阶段结业证书(DEUG)者,可以通过考试进入大学校一年级就读。
三是其他的所谓“BAC+2”文凭的获得者,即通过高中毕业会考之后,又接受过两年高等教育,如大学科技学院(IUT)阶段技术证书(DUT)或高级技师证书(BTS)的持有者等,可以报名参加大学校的入学考试。通常DUT的获得者可以直接进入大学校的第一年就读,而BTS的获得者的学业水平目前的认可度还较低,一些大学校要求BTS获得者补修一年类似大学校预备班的课程,才能正式入读大学校。
四是在普通综合大学读了3~4年,已获学士文凭(Licence)或硕士学位者(Master),可申请进入精英大学校继续深造。在这种情况下,学生如果被录取的话,将可以直接进入大学校的二年级就读,但不同的报考学校有自己不同的录取规定。
不同的大学校通过上述各种途径录取的学生比例不同。以里昂化学物理电器高等学校(魪cole Supérieure de Chimie Physique魪lectronique de Lyon)为例,大约30%~35%的学生通过传统的大学校预备班来就读,大约50%是高中毕业会考通过后直接申请入学的,另外大约有15%的学生是在获取了DUT或者是BTS等证书之后再申请入学的。
除了上述招生途径的变化与扩展外,大学校预备班和大学校系统也在不断进行课程和项目设置方面的有益探索。譬如,技术路径大学校预备班(classes préparatoires technologiques)的创立,更便于充分开发和挖掘就读于技术高中和职业高中的学生群体的潜力,为更多的就读于这两个路径的毕业生提供接受精英大学校的条件和机会。另外,传统的大学校是没有本科、硕士、博士学位设置的。但近些年来,很多大学校也都新增加了本科学位项目、硕士学位项目和博士学位项目,以及与大学联合设立的双学位项目。为推动继续教育和终身教育理念的发展,一些大学校还新开设了一系列继续教育项目和课程。这种针对不同群体需求创新开发新课程的做法,是提高大学校社会开放性方面的有益探索。
三、法国大学校社会开放性运动的特点
法国大学校的社会开放性运动经过十多年的发展,取得了显著成效。总结其成功的经验和做法,主要有以下几方面特点:
1. 坚持中央政府主导,积极鼓励学生家庭、基础教育和高等教育机构、企业界共同参与,协调合作。
在大学校的社会开放性运动中,法国中央政府扮演着非常重要的角色。多个跨政府各部门的公约的签署,不但充分表明了法国政府在推动大学校社会开放性方面的决心,也确立了社会各界联合推动大学校社会开放性的行动纲领。譬如,2005年签署的“推动精英教育机会平等公约”(charte pour l’égalitédes chances dans l’accès aux formations d’excellence)就是由法国国民教育部、高教与科研部、法国劳工部以及法国大学校长联席会议、大学校联席会议、工程师学校校长联席会议等部门和机构共同签署的。
父母是孩子的第一任老师,对孩子成长的影响力无法超越。对于弱势群体家庭父母的再教育和引导,在培养子女的自信心、鼓励其追求更长时间的和更具有挑战性的高等教育方面,往往会起到事半功倍的效果。法国高等经济商业学校的“大学校,为什么没有我?”计划就特别注重弱势群体家庭父母的参与。通过组织父母参观大学校校园,参加各种有关大学校招生信息和政策的发布会,开办各种家长学校等措施,使学校推进社会开放性的努力得到父母全面的理解、配合和支持,为后续其他项目的开展奠定了良好的基础。
“成功纽带”(Cordées de la réussite)项目是政府部门、整个教育系统以及企业界合作的典范。该项目始于2008年,最初是由法国高教和科研部、与城市政策国家秘书处(la Secrétaire d’Etat en charge de la Politique de la ville)联合启动。2010年,来自法国政府17个部委的部长和秘书长们签署了《成功纽带宪章》(la Charte des Cordées de la réussite)。这一项目旨在通过加强中学、大学、大学校及其预备班,以及职场之间的衔接和协作,引导更多优秀学子选择适合自身发展的高等教育路径来促进高等教育,特别是精英大学校教育的机会平等,确保每一个学生的学业成功。这一项目的一大特色就是特别注重引导企业界的参与和支持。让中学生较早深入大学校园或者大企业实地参观。另外,企业等用人单位还可以通过提供助学金、提供职场发展信息、帮助学生们做好规划等方式全面参与大学校的社会开放性运动。
2. 鼓励高等学校的创新精神,不拘一格地进行探索和实验
2000年以来,法国高等教育界密集出台了一系列增进精英大学校社会开放性的举措,但这些措施并没有形成统一模式。正是这些多角度的审视,不拘一格的探索,不断推进这场运动。下面仅举几个例子。
例如,巴黎政治学院2001年推出的“优先教育公约”计划,从补偿性倾斜政策入手,与一些来自教育优先区的薄弱高中签署一个特别的招生协议,从而使得那些中下阶层等弱势群体中的优秀学生,免于参加大学校入学考试,通过独立的录取渠道就读巴黎政治学院。而法国高等经济和商业学校的“大学校,为什么没有我?”计划,以不降低录取标准为前提,将工作的重点转移到了弱势群体子女的成长过程中。通过长期的“陪伴成长计划”帮助其克服家庭环境和学校教育当中的不利条件和困难,使他们能够在学业上有更好的发展,进而凭借自身的学业水平和综合能力平等地参与大学校的入学竞争。
亨利四世高中则采取了为弱势群体家庭子女开设大学校预备班预科课程的做法。在进入预备班就读之前,利用一年或者两年的时间,为那些已经获得高中毕业会考证书且有志就读精英大学校预备班的中下阶层学生,开设补充性课程,以弥补其在学业和文化素养等方面的不足。贫困家庭子女则可以利用预科课程的时间,更好地了解大学校预备班的文化和教育模式,以求其能更好地适应精英高等教育模式的要求,顺利完成学业。
3. 注重示范效应,重视成功经验的推广。
仅有个别大学校在探索开放性的道路上取得成功是远远不够的。如何在更大范围内推广复制这些成功的经验和做法,让更多的来自弱势群体家庭的子女享受这一运动的成果,就读心中理想的大学校才是这场运动的根本目标。法国的经验在于,一旦一些学校的做法被实践证明取得了成功,在政府部门或高教领域联合会的引导下,其成功经验和做法便可以迅速地在更多的学校推行,使得更多的弱势群体子女受益。
举例来说,法国高等经济商业学校作为“大学校,为什么没有我?”项目的发起者,不断致力于项目的扩大和推广。2005年,巴黎综合理工学校成为第一个加入该项目的大学校。在法国大学校联席会议的大力协助下,到2012年,共计有80多所大学校加入了该计划。
“成功纽带”项目也是在“大学校,为什么没有我?”计划的启发和引导下创立的。这得益于政府各部门的广泛参与和大力支持,从2008年创立至2012年,全法国共有300多个“成功纽带”项目在运行,参与项目的学校有2,000多所,参与的中学生超过5万人。自2008年以来,已经有累计超过20万的青年学子从项目中受益。2012年,该项目被写入“教育法典”(le code de l’Education),为其在更大范围内的推广铺平了道路。[7]
四、未来趋势展望
法国大学校的社会开放运动,开展十多年来取得了非常显著的成效。在很多知名大学校,来自弱势阶层的子女的比例出现了明显的上升趋势。根据2010年发布的《大学校社会开放性白皮书》显示,在2009年至2010学年,超过61%的大学校已经实现了30%在校生享受基于社会阶层的国家助学金的目标。[8]
但也有法国学者[9]认为,法国政府和教育系统的一系列旨在推动精英大学校的社会开放性的举措,并没有改变或者削弱法国传统的精英教育模式,反而还有所加强。因为从中受益的仅仅是少数高中学校的少数中下阶层子女,这又产生了新的不平等。精英大学校的这些社会开放性措施,并非真正是为了把精英教育的大门向社会各个阶层平等地开放,更主要的是为了通过生源社会阶层的多元化来促进自身的发展,以便在国际高等教育的激烈竞争中立于不败之地。
总之,这些阶段性的成果并不意味着大学校的社会开放性运动取得了最终的胜利。布尔迪厄所批驳的精英大学校被社会上层所垄断的局面也还没有从根本上得到改变。大学校的社会开放性是一项十分复杂的社会系统工程,未来将面临更多的困难和挑战。
推动大学校社会阶层代表的多样性,必将是一项需要长期坚持和不断探索的社会工程,也需要社会各界更广泛的参与,需要有更多的创新实践。从根本上来讲,这依赖于法国经济社会的发展,依赖于阶层差距的不断缩小。在教育领域,如何进一步提升高等教育质量,增加其吸引力,以及如何协助弱势群体子女降低学业失败的风险,提升其就业能力等方面,也将是法国未来配套改革的重要内容。
参考文献
[1]布尔迪厄.国家精英—名牌大学与群体精神[M].杨亚平译.北京:商务印书馆,2004.9
[2]Paul Pasquali.Les Déplacés de L’Ouverture Sociale[J].Actes de la Recherche en Sciences Sociales,2010,183:91.
[3]http://www.cnous.fr/_vie_15.htm,2012-10-25.
[4]Chantal Dardelet,Fabrice hervieu Wane,et Thierry Si-bieude.Une grandeécole:pourquoi pas moi?le droit aumérite[M].Paris:Armand Colin,2011.115.
[5]http://www.hec.fr/Fondation/Accueil,2012-12-06.
[6]王晓辉.学校分区图-法国教育均衡的政策工具[J].比较教育研究,2010,12:53~57.
[7]Saa Salima.Une chance de réussite pour tous L’ouverturesocialedansl’enseignementsupérieu[r R].2012-03-20.47.
[8]Chantal Dardelet.Ouverture sociale des grandesécoles[R].Conférence des Grandes魪coles,2010.43.