一种虚实结合温度控制远程实验系统的开发(可编辑)

一种虚实结合温度控制远程实验系统的开发

. . 华东理工大学学报自然科学版 ?文章编号:?? ?

一

种虚实结口目.度控制远程实验系统的开发

王华忠 , 姚俊 , 程华

华东理工大学 .信息科学与工程学院,化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室;

.网络教育学院,上海

摘要:针对虚拟实验系统和远程实物实验系统的特点,提出了一种基于的虚实结合远

程实验系统设计方法。该系统同时具有两种类型实验系统的优点,克服了单一类型实验系统的不

足。对虚实结合的远程实验系统的功能、组成等进行了详细的分析和设计,设计了符合远程实验要

求的温度实验装置,开发了该装置的虚实结合远程温度检测与控制实验系统。应用结果表明:该系

统具有多用户支持、功能强大、灵活性好、安全可靠等特点,很好地满足了远程工程教育对实验教学

的要求。

关键词:虚拟实验;远程实验;温度控制;

中图分类号: 文献标志码: ?, 。, ., , ; . , , ,: ?, . . , . , . ? , , , . : ; ; ;

受益于快速普及的网络技术和不断发展的计算操作和实践经验如何传授。目前常用的技术手段是

借助开展远程虚拟实验与远程实物实

机技术,以及终身学习理念的不断深入,基于网络的

验。虚拟实验系统完全基于实验软件,它允许多

远程工程教育近些年发展很快,已成为工程教育的

人同时进行实验操作,但虚拟实验不能完全替代真

重要组成部分。开展远程工程教育,最难的是动手

收稿日期: 卜 ?

作者简介:王华忠一 ,男,南京人,副教授,工学博士,主要研究方向为过程模型化与控制、计算机控制。 ? : . . 华东理工大学学报自然科学版第卷

实实验室。远程实验能很好地克服虚拟实验在这方它们各自都有一定的优点和不足。具有强

面的不足,因为它完全基于真实的物理设备。然而,

大的模型仿真、数据处理、图形显示等工具包,以及

一

套远程实验系统不支持多组学生同时实验操作,

以为代表的网络组件,因此特别符合过

且学生在真实对象上做实验时,如果对实验内容不

程控制远程实验系统的功能要求,在过程控制远程

熟悉或出现误操作,还可能损坏实验设备。

虚拟实验系统中被广泛采用。

目前国内外关于远程实验的研究与应用,都侧

. 远程实验系统

重于虚拟实验或远程实验。考虑到虚拟实验与远程

远程实验通常指采用远程数据和影像采集、

实验各自具有的特点,特别是两种类型的实验系统

控制、仿真和虚拟现实等技术,使学生通过 ?

相互之间的互补性,本文提出了虚实结合的远程实进行远程实验操作,实验过程和结果与在现场

验系统解决方案,即在统一的远程实验平台下将两

真实操作非常接近的一种实验方式。采用基于

种类型的实验进行集成,形成一种新型的远程实验的远程实验教学好处很多,如学生开展实

解决方案。该实验平台可以对同样的实验内容分别

验不受时间和空间的制约;可以充分利用实验资

开展虚拟实验和远程实验,学生在两种不同的实验

源,减少实验投入等。正因为如此,基于

系统中依其对实验内容的掌握情况分别进行不同类

的远程实验系统的开发受到了重视,出现了一些

型的实验操作。依据上述设计思路,我们开发了一

不同的远程实验系统构建技术,并且应用于不同

套基于的电阻炉温度检测与控制虚实结合

专业的远程实验教学制。但这些远程实验系统

远程实验系统,对系统的功能和开发进行了较详细

的实验内容都比较简单,满足不了开展复杂实验

的分析和阐述。应用结果表明:该系统较好地结合

的教学要求。

了两种不同实验系统的优点,克服了各自存在的不

远程控制实验室通常由真实的实验装置和实验

足,更好地满足了自动化及相关专业远程实验教学

控制系统、远程实验代理服务器、音频/视频服务器、

要求,丰富了远程实验教学手段,为远程工程实验教服务器、数据库服务器和管理工作站等组成,

学提供了新思路。

通过实验室的以太网和将它们连接起

来。远程实验系统可以采用、、

远程虚拟实验与远程实物实验分、语言或它们的组合进行开发。

析与比较

. 虚拟实验与远程实验的比较

虚拟实验和远程实验具有以下优点:学生开

. 远程虚拟实验系统

展实验不受时间和空间的制约;可以充分利用实

虚拟实验是指在计算机系统中采用多媒体等一

验资源,减少实验投入等。但两者都存在不足,如

系列技术实现虚拟实验环境,用软件模拟设备、实验虚拟实验完全采用软件的方式,理想的实验模型

流程和模型仿真,通过和实验者的交互作用完成实

无法代替真实的实验过程,学生缺乏临场感;而远

验过程。虚拟实验力图使得实验者如同置身真实的程实验虽然较好地克服了虚拟实验在这方面的不

环境一样完成各种预定的实验项目,达到预期的学足,但因为它完全基于真实的物理设备,一套远程

习效果。在虚拟实验基础上,利用网络和通信技术, 实验系统无法支持多组学生同时开展实验。一旦

可以实现在客户机上进行远程虚拟实验操作。虚拟实验者误操作引起实验系统不正常时,实验者可

实验系统配置有完整的实验环境仿真、用户关联、实能无法远程恢复实现,从而导致实验无法继续进

验流程控制、模型仿真、实验操作指导和实验评价等行。虽然远程实验可以给学生较好的临场感受,

功能模块。分布式的远程虚拟实验系统允许多用户但学生同样不能接触实验设备,无法真正动手操

同时在线实验、多用户合作实验等实验方式。目前

作。此外,与虚拟实验相比,远程实验的内容选择

多数远程虚拟实验采用 / 结构,支持通过?

更加受到限制,不是所有的实验内容都支持远程开展远程实验。虚拟实验不受时间和空间的限

实验。由上述分析可以看出,虚拟实验与远程实

制,能有效地解释理论概念,通过友好、生动的人机

验在特点上存在互补性,因此,把两者结合起来,

交互引导学生有序地开展实验,成为远程实验教学

的重要手段。

开发出虚实结合的实验系统可以更好地融合两者

远程虚拟实验系统常见的开发软件包括、的优势,更接近真实的实验操作,有利于提高远程、、、和等, 实验教学效果。第期王华忠,等:一种虚实结合温度控制远程实验系统的开发

对于同样的实验内容,它们观察到的实验界面完全

一

虚实结合过程控制远程实验系统

致,只是对于虚拟实验,整个实验数据和流程是通

过模型仿真来实现的;对于远程实验,所有的数据来

设计

自于真实的实验设备。远程实验系统通过音频/视

. 虚实结合过程控制远程实验系统功能设计

频服务器采集实验装置现场的声音影像,通过调节

相比独立的远程虚拟实验或远程实验,虚实结

摄像头的转动视角、俯仰角度及焦距来获得更好的

合的过程控制远程实验系统在功能上更加完善。主

视频效果,增强实验操作的临场感。

要包括: 实验管理功能。由于同样的实验内容可以

采取虚拟实验和远程实验方式,因此,在功能设计

上,要求学生首先进行虚拟实验,通过虚拟实验评价

系统确定学生掌握了实验操作内容后,才可以进入

远程实验系统。采取这样的实验管理方式,可以更

好地利用虚拟实验多用户同时在线实验的特点,避

免了远程实验系统数量少而引起的实验资源不足。

学生不熟悉实验内容时,只能进行虚拟实验,不能进

入远程实验环节,这样学生误操作的机会大大降低,

减少了误操作可能带来的对实验设备的破坏。虚拟实验功能。根据实验内容要求开发虚

拟实验系统,该系统要能根据实验内容要求,提供完整的虚拟实验软件模块,通过生动、友好的交互界面

图基于的虚实结合远程实验系统结构图

指导学生完成实验过程。实验分析和评价模块用于.

学生提交实验报告,并对学生的操作准确性与实验结果进行评价,以确定其是否可以进入远程实验环

节。为了增强数据的真实性,在仿真模型和实验数

据中添加干扰和噪声。

基于的虚拟结合温度控制远程实验功能。远程实验是针对具体的物

理设备而开发的实验系统,只有较好完成了虚拟实

远程实验系统开发

验的学生才能够进入远程实验环节。

. 温度实验对象介绍

. 虚实结合过程控制远程实验系统组成与结构

在选择能够开展虚实结合的远程实验时,重要

本文设计的基于的虚实结合的远程实

验系统结构图如图所示。它由远程实验门户和管的一点是该实验内容和步骤是否符合远程实验的要

理部分、虚拟实验子系统和远程实验子系统组成。求。由于进行远程实验时,实验现场没有指导教师,

实验由不在现场的学生通过客户端软件的操作来完

学生通过登陆到实验门户,在实验系统的

成。因此,对实验装置的最基本要求就是能够完全

管理和控制下开展实验工作。虚拟实验系统通过软

件仿真的方式来模拟各种实验过程。而远程实验系自主运行,不需要任何人工参与。许多看似简单的

过程实验,由于需要实验者手工干预实验过程,因

统则由真实的实验装置、测控系统硬件、远程实验应

此,是无法进行远程实验的。对于虚拟实验而言,没

用软件和音频/视频服务器等组成。实验门户软件

有这方面的限制。此外,在选择远程实验对象时,一

配置有独立地址的服务器,实验客户机通

定要审慎选择反应过程,确保无有害物质产生或有

过与服务器连接。对于同样的实验

内容,远程实验客户端服务器接受远程实验工很好的方法处理这些物质。由于学生反复做实验要

消耗资源,因此,在进行实验选择与设计时,实验成

作站的实验请求,控制实验流程和产生实验数据,并

将实验过程数据、实验结果通过传送给远本也是必须要考虑的重要因素。

温度是过程控制中的重要参数,自动化相关专

程的实验者,同时远程实验者通过网络可以远程操

业学生需要了解温度控制的基本原理和控制器参数

纵实验设备,远程观察实验过程。对实验学生而言,华东理工大学学报自然科学版第卷

整定等。温度对象通常具有一定的时滞和时间参数验中用到的变量做外部/ 变量,这样可以通过接口实现与用组态软件开发的远程实

较大的特性,而该特性又具有一定的典型性。相对

于流量和压力等对象,温度对象通常较简单,成本验系统的应用软件进行实时数据交换。 .

低,容易实现。因此,温度检测与控制实验是自动化以上版本集成了工具箱,使得通信更加

及相关专业的必修实验内容。本文设计了一种精巧容易实现。当用户选择虚拟实验时,远程实验系统

的温度控制装置,如图所示。该对象符合前文所

会触发中的虚拟实验系统运行,把仿真结果

述的远程实验要求,采用电阻丝加热,同时在加热套

传送到组态软件实时数据库中,远程客户端中与实

管的一侧安装一个散热用风扇,一方面可以

时数据库关联的变量就会刷新;当用户选择远程实

施加扰动,另一方面可以冷却电阻丝,使得该装置

验室时,远程实验测控平台运行,远程实验测控系统

可以尽快用于下一组实验,提高装置的利用率。

会根据实验流程和学生实验指令进行实验操作。实

在加热套管中放置两个性能基本一致的铂电阻用

验中的数据同样也存入组态软件实时数据库,这些

于温度检测。该温度控制装置配置了和智能

数据与服务器中的远程实验相关的实验界面

仪表作为控制器,可以完成温度检测、铂电阻校

参数关联。在利用规范时,需要根据系统结构

验、温度对象特性实验、基于的温度控制及参

进行组件服务配置。

数整定和基于智能仪表的温度控制和参数整定实

远程实验的测控系统配置三菱一小

验等基础性实验。该装置还可以用于模糊控制等

型和厦门宇电一智能仪表,通过串口与

复杂控制算法的实验,通过改变硬件接线实现不

组态软件通信。采用梯形图编程,实验中的

同的实验。等控制功能采用梯形图软件实现。智能仪表的

运行、控制参数的组态可以在客户端改变。由

于共用一套实验对象,每次只能进行一个远程实验

内容,而虚拟实验可以多组同时进行。

本实验系统中实验过程的控制采用?程序,通过该程序控制实验设备、操控实验过程

和观察实验结果。驻留在服务器

上,用户做实验前下载到远程客户端。视频监控通

过控件方式实现,通过视频可以更好地观

察实验设备、过程及参数等。

由于远程实验现场没有实验人员,出现故障甚

图温度检测与控制实验装置图

至事故时不能立即排除,因此,在实验设计时,软件.和硬件中都采取了保护措施,确保温度对象不会出

现过热,一旦温度达到报警设定值则立即停止实验,

同时启动风扇冷却。此外,为了使学生晚上做实验

. 基于的虚拟结合温度控制远程实验

时有好的视频效果,并实现节能,实验室的灯光由实

系统开发

验系统自动控制。当晚上学生登陆时,灯光自动打

对于图所示的虚实结合远程实验系统,可以

开,学生退出实验后,延时关灯。此外,学生

采用不同的开发工具进行开发。为了实现虚拟实验

登陆远程实验系统后,若长时间设定为 ,可

系统与远程实验系统共享实验界面,快速开发该远

程实验系统,本文选用了组态软件进行应用软件开修改不进行实验操作,则系统强制中断,该学生必

发,以充分利用组态软件对的支持。在虚拟实须重新预约实验时间,以防止一个学生占用过多的

验系统开发中,模型仿真部分采用实现,这实验资源;对于实验过程中学生的误操作,系统具有

样可以充分利用已有的工具箱,而实验界面

自动提示甚至强制中断的功能。

与数据发布通过组态软件的界面实现。采用这种方

经过反复的调试,该实验系统已经在我校网络

式不仅统一了远程与虚拟实验界面,而且可以克服

学院投入运行。图所示为基于的温度控制

用自带的网络组件在数据发布

远程实验界面,实验系统的运行及学生的实验结果

上的不足。在组态软件的实时数据库中定义虚拟实

验证了该系统能很好地满足远程实验的教学要求。