（控制理论与控制工程专业论文）基于网络的远程控制实验系统研究与开发.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于网络的远程控制实验系统研究与开发 摘要 基于网络的远程实验系统是计算机、 统的实验教育突破了时间和地域的限制， 展的新阶段。 网路通信和实验教学体系的有机融合，它使得传 充分利用了现有的设备资源，是远程教学技术发 本文在查阅大量国内外文献的基础上，对远程实验系统结构进行了研究，应用j a v a 编 程技术，提出了一种先进高效的远程实验系统结构。基于液位系统开发了远程控制系统， 并得到了应用，真正实现了不受时间、地点限制的远程实验。本文的主要研究内容和取得 结果如下： l 、介绍了远程实验系统的软件体系结构。结合现有的结构提出了c s 和b s 相结合 的结构模式，并进行了详细的对比分析。 2 、针对过程控制实验装置介绍了系统的硬件系统和相关的低层软件开发内容。包括 系统的数据采集、现场总线通信和远程控制方案等。 3 、基于j a v a 语言开发了系统的服务器和客户端软件。其中服务器包括远程专用服务 器、w e b 服务器、数据库、视频服务器、客户端软件和通信协议的设计。 4 、针对液位系统开发了p i d 、p i d 自整定、模糊控制和极点配置控制算法。其中还涉 及到了系统模型的辨识及其算法实现。 5 、最后，对本文进行了总结，并提出了一些进一步研究的问题。 关键词：远程实验，j a v a ，控制算法，现场总线 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f n e t w o r k b a s e dr e m o t ec o n t r o l e x p e r j m e n ts y s t e m s a b s t r a c t t h en e t w o r k - b a s e dr e m o t ee x p e r i m e n t a ls y s t e m , w h i c hh a se m e r g e d 够an e ws t a g eo ft h e d e v e l o p m e n t so ft h er e m o t et e a c h i n gt e c h n i q u e ，i s 锄e f f e c t i v ec o m b i n a t i o no ft h ec o m p u t e r ， n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dc x p e r i m e n tt 朗c l l i n gs y s t e m b ym a k i n gf u l l 峨o ft h ee x i s t i n g e q u i p m e n tn s o u - c 韶t h en e t w o r k - b a s e dr e m o t ee x p e r i m e n ts y s t e mi sa b l et ob r e a kt h r o u g ht h e r e s t r i c t i o n so i lb o t ht i m ea n dl o c a t i o n s ，w h i c hc o m m o n l ye x i s ti nt h et r a d i t i o n a le d u c a t i o n s y s t e m t h i st h e s i ss t u d yi n - d e p t ht h el 陀- m o t ec x p c l i m c n ts y s t e ms l r u e t u r eb a s e d0 1 1t h et h o r o u g h l | t u d i e so ft h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c h e si nt h ee x i s t i n gl i t e r a t u r e s a na d v a n c e da n de f f e c t i v e r e m o t ee x p e r i m e n ts y s t e ms t l u c t u r ei sp r o p o s e db ya p p l y i n gt h ej a v ap r o g r a m m i n gt e e l m i q u e t h er e m o t ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nl i q u i dl e v e ls y s t e m ，a n dn o wt h e d e v e l o p e ds y s t e mh a sb e e na p p l i e di nt h ec a m p u s sl a b o r a t o r y n 圮s y s t e mu u l yr e a l i z e dr e m o t e e x p e r i m e n ta ta n yt i m ea n di na n yp l a c ew i t hn e t w o r k s 1 1 圮m a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o no ft h e t h e s i sa i r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，s o f t w a r ea r e l a i t e e t u r eo ft h er e m o t ee x p e r i m e n ts y s t e mi si n l r o d u e e d b a s e d0 1 1t h e e x i s t i n gs t r u c t u r e an e wm o d ec o m b i n i n gc sa n db si sp r e s e n t e da n di se o m l 舢ti nd e t a i l w i t ht h ee x i s t i n go n e s s e c o n d l y ，t h eh a r d w a r es y s t e ma n dt h er e l a t e dl o w - l e v e ls o f t w a r ed e v e l o p m e n t sl u e i n t r o d u c e df o r t h ep r o c e s sc o n t r o le x p e r i m e n t a ld e v i c e s ，w h i c hi n e l u d et h ed a t ac o l l e c t i o n , f i e l d b u se o m m t m i e a t i o na n dr e m o t ee o n t r o ls c h e m e se t e t h i r d l y ，s y s t e ms e l v e l sa n dc l i e n tt e r m i n a ls o t t w a r eh a v eb e e nd e v e l o p e db a s e do nj a v a l a n g u a g e ，w h e r et h es e n r 铘m a i n l yi n c l u d et h er e m o t es e r v e l s , w e b 辩n ，e 培，d a a b a s e s , v i d e o s e r v e r s ，c l i e n tt e r m i n a ls o t t w a r ea n dp r o t o c o ld e s i g n f o u r t h l y ，s o m ec o n t r o lm e t h o d ss u c ha sp i d ，a u t o - t u r n i n gp i e ) ，f u z z yc o n t r o la n dp o l e p l a c e m e n tc o n t r o la l g o r i t h ma 陀d e s i g n e df o rl i 删dl e v e ls y s t e m s y s t e mi d e n t i f i c a t i o na n d a l g o r i t h mr e a l i z a t i o na r ea l s oi n c l u d e di nt h i st h e s i s 浙江工业大学硕士学位论文 f i n a l l y ，t h ec a r r i e do u tw o r ki nt h i st h e s i si sb r i e f l ys u m m a x i z e da n ds o m er e m a r k so n f u r t h e ri m p r o v e m e n to f t h er e m o t ee x p e r i m e n ts y s t e ma r ea l s op r e s e n t e d k e yw o r d s ：r e m o t ee x p e r i m e n t ，j a v a , c o n t r o la l g o r i t h m , f i e l db u s 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 彦允；该 日期：7 年。1 月2 譬日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密阢 ( 请在以上相应方框内打“寸，) 作者签名： 导师签名： 厦钟玩 乇v 日期：) 年1 2 月堪日 日期：加7 年fz 月孜日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着网络技术在全球的迅猛发展，基于网络技术的远程监控、远程控制、人机交互等 都已成为可能。同时，网络技术也使得学校学生的实验教学达到一个新的发展阶段，基于 网络的远程实验技术是计算机网络和远程控制技术发展的必然结果，这将为协同式开发性 实验、科学研究打下良好的基础。 1 2 背景及意义 i n t e m e t 的发展给人们带来了许许多多崭新的研究方向，在教育界，基于i n t e m e t 的远 程教育，为我们开启了远程教育的新模式。较之先前的远程教育方式，如基于录像带、广 播、电视等，基于i n t e r n e t 的远程教育由于其交互性强，可更好地调动用户的主观能动性 等特点，使其比起其他的远程教育模式更符合教育的本质，也更具有实用性和研究价值。 另外，随着网络的普及，基于i n t e m e t 的远程教育受时间和地点的限制越来越小，从而可 以全方位的为各类人群根据自身特点和需要进行继续教育或终身教育提供了可能性和便 利性：学生可以回家补习功课，上班族可以根据需要随时“充电”。因此，远程教育作为一 种投资成本低，受众面广，形式灵活的教育方式非常符合我国的国情是我国最具发展潜 力的新型教育模式之一。远程教育对一个国家或社会的经济发展所起的重要作用已经有目 共睹，国家和政府也对远程教育给予了高度重视。国内的远程教育从上世纪9 0 年代末期 起步，如今已经成了社会的热点课题，大量网络教育公司应运而生。但从网络教育质量上 看，网络实验教学是网络教学的一个“瓶颈”。 另一方面，近几年来高校不断扩招，高校学生数量迅速增加，对高等教育带来了一系 列挑战。对于工科类院校来说，实验室问题尤为突出。实验室资金紧张，不能及时更新实 验室设备。实验室场地不够，学生做实验只能分批、分时复用实验设备。学生的理论知识 学习与实验验证难以同步进行。很多高校采用实验录像带的形式或让学生分组观看实验的 形式让学生对那些稀有的设备实验能有一个初步的了解。但这些只能让学生“看”实验，而 一i 一 浙江工业大学硕士学位论文 不能“做”实验的方式对学生工程实践能力的培养是不利的。很多学生毕业之后知识水平只 局限于数学公式的推导和一些孤立的课程知识点，而缺乏动手能力。于是关心高校教学质 量的专家开始呼吁要尽可能地给学生或学员多一些“理论结合实际”实验平台。由于资金和 场地问题，学校是不可能批量购买这些贵重或体积庞大的实验设备。于是怎么有效的利用 这些稀有的设备成了人们关注的焦点问题。 i n t e m e t 的普及，多媒体技术，计算机仿真技术以及虚拟仪器技术的出现和发展给人们 带来了希望。如今，网络已经普及到各个城镇，许多高校都建立起了宽带校园网。i n t e m e t 已经成为人们快速学习的重要手段。如何才能把i t 技术应用于实验室教学? 于是人们就提 出了基于网络的实验室。网络实验室与传统的实验室相比，其优越性非常明显。 首先，w e b 实验室可以让学生随时随地( a n y t i m e & a n y w h e r e ) 通过访问i n t e m e t 网 址傲实验从而使学生可以灵活地安排自己的学习计划，使用非常方便。 其次，w e b 实验室可以方便地实现少量贵重实验设备的共享投资更少。控制实验 使用的实验设备往往价格昂贵，当有大量学生需要进行实验时，购置大量台套数的实验设 备往往是不可行的。利用远程实验室可以充分发挥已有的实验设备的效用，由各大学分工 负责建立不同的远程控制实验室，实现在不同的高校之间、不同的实验室之间的设备共享， 并交流实验训练内容。 此外，基于网络的实验按其实验的对象可以分为虚拟实验和远程实验，它们分别控制 仿真模型和实物对象。网络虚拟实验忽略了很多实际系统的次要问题，突出了重要矛盾， 能让学生将在书本上学到的理论简单地应用到虚拟实验当中；远程实验可以通过多媒体技 术，让学生一边做实验，一边观看现场对象的实验过程视频。同时，网络虚拟实验和远程 实验都以实验曲线和实验数据等形式反映了控制对象的特性。然而，虚拟试验利用的都是 理想实验模型和数据，不能让学生和真实实验设备打交道，学生们也缺乏合作。远程实验 则可以解决以上的问题，使学生可以与设备接触，获得真实实验数据，同学之间也可以协 作工作。因此，远程实验是当前网络实验研究的重点，是未来网络实验发展的趋势。 控制系统网络实验室的研究与开发对网络实验室教学的发展具有深远的研究价值。此 外，该研究对基于网络的远程监控( 包括远程智能监测和控制、远程故障诊断和维护等) 、 远程教育、信息家电等系统的研究都具有深远的意义1 1 l 。由于计算机、通讯、多媒体等技 术都处于方兴未艾的发展阶段，它们的发展也必将带动远程实验室等应用领域的发展，从 而可以不断改进人们的学习、生活和工作方式。 适应高等教育发展的新形势，研究、设计和开发“基于网络的远程实验”具有非常积极 浙江工业大学硕士学位论文 的现实意义： ( 1 ) 可反映信息技术对2 1 世纪技术进步发展趋势的影响，有利于激发学生创新思维的 灵感。 ( 2 ) 实验装置的运行无需人员值守，真正实现了实验装置全天候开放，最大限度地提 高了实验装置的利用率，并对学生自主安排学习时间提供了充分的弹性。 ( 3 ) 进入实验的地理位置不受限制，只要能连接到i n t e m e t 就能登录到远程实验系统中。 因此可以为多校区学生实验教学、向社会开放办学开辟一条新的途径。 本研究课题以浙江省大学生“新苗人才计划”科研项目：“基于网络的远程实验室平台设 计”和浙江省新世纪高等教育教学改革项目_ 基于网络环境的自动控制实验系统研究与 开发”为背景。 1 3国内外研究现状 在国内，目前已有许多大学都研制出了自己的远程教育软件系统，这些系统的建成对 于提高教学质量和效率起到了极大的推动作用。 北京大学计算机系开发的基于w w w 的网上虚拟实验室3 w n v l a b 就是一种支持大 计算量和交互式的网上虚拟实验室的通用基本框架。它是一个基于浏览器和w e b 服务器的 虚拟实验室 2 1 。在该系统中，用户平台采用j a v a 编写，用户可通过界面选择实验种类，并 将用户的实验设计通过i n t e r a c t 传送到服务器端。服务器端是虚拟实验室的核心，用来完 成客户端要求的实验内容，并将可信的实验结果返回客户端。客户收到实验结果后，可评 价自己的实验设计，从而对自己的能力进行判断。利用该系统，已经实现了c a c h e 设计 与流水线设计两个实验。 中国科技大学物理系研制了一套基于i n t e m e t 的扫描探针显微镜( s p m ) 远程控制系 统p 】。该系统分为四个部分：客户端、服务器、s p m 仪器端、视频监视系统。其客户端分 为两种类型，一类是主控操作人员程序端用户对设备进行远程操作，采用t c p i p 协议 的c s 结构对s p m 进行操作运行；另一类是观众客户端，这部分程序是基于h r r p 协议 和c g i 的浏览器，提供给普通用户观看实验过程。服务器和s p m 仪器端通过自行设计的 d s p 控制器组成一套完整的s p m 反馈系统。 大连理工大学机械工程学院研制的远程控制快速成型加工系统【4 】，通过生成底层数控 代码，可以实现远程加工及结果显示。上海交通大学电子信息学院研制了一套机器人远程 控制系统【”。该系统基于c s 模型的远程控制，实现对机器人的运动及产品加工控制。客 浙江工业大学硕士学位论文 户端和服务器上以完全对接的自定义r p c ( 远程过程调用) 为通信协议基础。客户端发出 的请求先调用r p c 存根函数存根函数将请求转换，为调用请求和变元进行网络传输，服 务器接收到数据后再调用r p c 存根函数转换控制命令。两个过程分别称为信号编集和信号 逆编集。由于带宽的限制，该系统主要局限于局域网内运行。 浙江大学研制了依托千兆局域网基础上的基于c s 模式的远程控制系统i 们。该系统以 一台高性能、处理速度快的微机作为远程控制的服务器，服务器扩展槽中内置集成采样控 制板用于模拟量输入输出，同时，安装有一台配有数个摄像头和麦克风的视频服务器用于 观看远程设备运行情况，以及用一台i - i p 原装服务器作为s q ls c r v e f 数据库服务器，实现 了水位系统的远程控制和视频监控。 在国外，早在1 9 8 9 年美国维吉尼亚大学( u n i v e r s i t yo f v i r g i n i a ) 的w i l l i a mw o l f 教授 就提出了合作实验室( c o l l a b o r a t o r y ) 的概念并称其为“无墙的研究中心”。提出该类型实验室 的目的为开发一个分布式计算机系统，让分布于世界各地的科学家们可以相互共享各自的 资源( 如设备、信息、数据和人才等) 。其实这就是现在人们常说的网络实验室。 美国i l l i n o i s 大学芝加哥分校的v r i c h e l 实验室研制的v i c h e r 系统【7 】将虚拟现实技术 应用在化学工程教育领域，设计了多个虚拟实验。其中有v i c h e ri 仿真了一个现代化的化 工厂，主要进行在工业环境下如何运用不同方法解决催化剂钝化问题的实验。虚拟现实技 术使得用户可以从微观的分子层面上观察化学反应的进行过程。而v i c h e ri i 仿真了另一个 化工厂，主要进行化学动力学中的非恒温反应和反应器设计的教学。v i c h e r 实验室还利用 虚拟现实技术进行三维空间演示( 如晶体结构演示、流体运动演示等) 。 澳大利亚r m r r 大学的j o h nb a l l 和k a t ep a t r i c k 设计的虚拟实验用于进行热传递过程 的教学【刖，可以帮助学生快速地掌握这个抽象的概念。这个虚拟实验室采用传统的预测一 观察一解析的教学方法，一方面可以让学生以实验的方式描述和测试他们自己对热传递的 期望，另一方面也可以让老师更清楚地了解到学生面临的困难。这个虚拟实验使用了多种 人机交互手段，为学生提供了一个易于使用的实验学习环境。 美国t e n n e s s e ea tc h a t t a n o o g a 大学( u t c ) 设计的网上工程实验室 9 1 提供了一系列远程 控制实验，如压力控制、水位控制、温度控制、速度控制等实验。这个远程实验室系统是 由一台w e b 服务器和5 台客户机组成。每台客户机上都运行用i 曲v i e w 编写的软件，并 与一套实际的实验设备相连。当用户通过i n t e r n e t 访问w e b 服务器时，首先需要选择控制 参数，然后w e b 服务器把这些参数写入文件传送给相应的客户机。客户机收到这些参数后， 通过数据采集卡来控制相连的实验设备完成实验，并把实验数据传回给w e b 服务器。最后， 一4 一 浙江工业大学硕士学位论文 w e b 服务器根据这些数据生成实验结果图返回给用户。 新加坡国立大学( n u s ) 的远程实验室i m l 2 j 允许用户通过i n t e r n e t 进行远程实验，使 用b s 方式实验，可以实现昂贵的实验设备共享。远程实验室的服务器端使用l a b v i e w 虚拟仪器软件实现对实验设备的控制，服务器与实验设备之间通过r s 2 3 2 接口或 i e e f a 8 8 2g p i b 总线进行连接。为了能让用户直观地观察到实验现象，远程实验室采用视 频会议技术向用户反馈视频和音频信息。用户也可以控制摄像头的焦距和视角来获取满意 的观察位置。客户端使用w e b 浏览器作为统一的用户界面，其中嵌入的j a v aa p p l e t s 可以 显示各个虚拟仪器的控制面板和数据，并通过i n t e m e t 与服务器进行通信以传递用户的控 制数据和实验结果。到目前为止，这个实验室已经实现了电路、通信和控制领域的5 个实 验。其中水位控制实验的设备是一个双输入、双输出的连通器，这个连通器具有两个出水 口和两个入水口，是一个典型的双输入、双输出控制系统。远程用户在客户端上可以通过 选择控制算法和调整参数来控制连通器装置中的水位。系统提供了常规p i d 、状态反馈、 模糊控制等控制方法，允许用户输入参数并观察实验结果，取得了一定的实验效果。意大 利的p o l i t e c n i c od im i l a n o 大学也使用类似方案实现了远程实验型”】。 另外，意大利锡耶纳大学m c a s i n i 和d p r a t t i c h i z z o 等开发的自动控制远程实验系统 a c t ( a u t o m a t i cc o n t r o lt e l e l a b ) 选择了m a t l a b s i m u l i n k 作为系统运行环境l 悼1 7 】。a c t 既可以让用户选择它预先定义好的控制器( 如p i d ) ，也可以让用户自定义控制器，不过它 需要用户安装并熟悉m a t l a b ，会用s i m u l i n k 设计控制器模型。用户可以一边做实验一边修 改实验参数( 控制器参数、参考输入等) ，实时的实验结果数据和曲线可以从波形图中观 察到。该系统可在软件上不断升级，实验内容也可不断添加。目前，该系统已经有5 个实 验可以通过h t e m e t 访问，包括电机控制，水槽控制，磁悬浮系统，2 自由度直升机和遥控 机器人控制实验。其中，电机控制包括电机角度控制和速度控制：水槽控制包括液位控制 和流量控制；水槽系统属于非线性系统；磁悬浮系统是个非线性且不稳定系统；2 自由度 直升机系统是一个非线性、不稳定且为多输入多输出系统。这些系统的控制一个比一个 难，不过这不但可以让用户在实验中认识不同对象的特性，而且在知识面上可以得到步步 提升的效果。该系统不但可以让远程用户实时操作和观看实验结果，而且可以保存实验数 据，支持离线数据分析。文献 1 8 1 以p i e ) 控制器远程控制伺服电机为例介绍了该远程实验 系统组成和实现方法，并讨论了系统w e b 服务器和软硬件接口的实现方法。 美国德克萨斯州立大学的n i t i ns w a m y 等建立了一个远程实验型1 9 1 。该实验室系统的 控制对象是一个倒立摆，主要提供给校内学生进行远程实验。倒立摆由一台专门的服务器 浙江工业大学硕士学位论文 使用m a t l a b s i m u l i n k 作为其控制器。该实验系统采用的技术是m s n - - n e t m e e t i n g 。学生通 过n e t m e e t i n g 连接到控制服务器，可以对相应的控制器进行修改，以获得需要的控制器结 构，控制信号经由串口控制倒立摆的运动。实验结果由视频( 音频) 装置传递回客户端。 以上介绍的网络实验系统都在一定程度上满足了用户的需求。但是还有些方面值得改 进。首先，有些系统限于运行时的带宽要求，只能在局部范围内起到了网络实验室教学的 功能，未能使系统得到普及。其次，很多系统都需要在客户端安装插件。最后，以上应用 都是试验或者是针对高科技产品的应用，目前还没有应用于教学设备的远程控制实验系 统。总之，从系统的研究、设计和开发到系统的大范围推行总是需要人们不断地对其进行 改进。 1 4本文所做工作 基于网络的远程实验平台设计的实现将集中在四个方面，即：系统控制算法和通信系 统设计、客户端软件设计与实现、平台门户设计与实现以及专用服务器软件设计与实现。 此外，还有工作量同样比较大的其他相关基础性的工作需要完成，比如：系统模型的辨识 等。本文共六章，每章的具体内容安排如下： 第一章主要介绍了网络实验室的研究意义和背景以及本课题研究的背景，国内外对网 络实验室的研究现状，最后简单介绍了本文的主要工作和研究内容。 第二章主要介绍了远程实验的软件体系结构，分别简要介绍了c s 、b s 和三层体系 结构，并对c s 和b s 进行了比较。考虑到c s 和b s 各有优缺点，本章最后介绍了c s 和b s 相结合的结构模式( c - - s - - b ) 。 第三章主要介绍了液位对象的硬件结构、专用服务器上的控制方案和控制的具体实 施。具体介绍了i c p 7 0 0 0 系列通信协议、现场总线r s 4 5 5 与r s 2 3 2 转换和v b 中串口通信 的m s c o m m 控件。 第四章具体介绍了系统的软件系统，包括服务器端软件、客户端软件和通信协议的设 计。服务器端主要有专用服务器、w e b 服务器、数据库服务器和视频服务器。客户端软件 采用j a v a a p p l e t 技术，通过嵌入i e 实现在线交互和曲线和视频显示。 第五章介绍了针对液位系统设计的四种控制算法的设计与实现。其中还包括子空间辨 识方法辨识系统模型。首先，通过背景介绍了解算法的发展；其次，透过控制原理来掌握 方法的优越性；最后，利用软件实现算法。 第六章对本文研究工作进行了总结，并提出了远程试验系统的一些不足和改进方向。 一6 一 浙江工业大学硕士学位论文 第二章远程实验系统的软件体系结构 体系结构就是用于定义一个系统的结构及系统成员间相互关系的一套规则。远程控制 系统的实现过程实际上是一套应用程序的开发过程，应用程序都包含有演示代码、数据处 理代码和数据存储代码等几部分，应用程序的体系结构因程序代码的包装方式的不同而不 同。信息技术的高速发展推动了应用程序体系结构不断更新，从单机时代的主机终端模式、 文件服务器时代的共享数据模式、客户机，服务器时代的c s 模式、电子商务时代的b s 网 络模式，到目前先进的三层甚至多层模式，应用程序的体系结构已经发生了巨大的变化。 2 1 客户机j t 务器模型( c s ) 客户机服务器模型属于分布式系统。它可分为客户机( c l i e n t ) 程序与服务器( s e r v e r ) 程序两大部分，一般来说是基于t c p i p 的s o c k e t 通讯的。客户端程序是服务器程序和用 户的桥梁，既要负责与用户进行信息交互，接收用户的指令，同时又返回服务器的相关处 理，又要负责和服务器进行信息交互，传输用户的指令同时接收服务器的处理结果。有些 系统甚至还将一部分简单的数据处理也放在客户端解决，以尽量减轻服务器端的负担。而 服务器程序主要是对大量复杂数据的协调、处理与保存，它常常与数据库服务器一起配合 工作。 图2 - 1 客户机，服务器模式结构 2 2 浏览器t i f f 务器模型( b s ) 浏览器，服务器模型( 如图2 2 所示) 与客户机，服务器模型相类似，但不同的是它以 一7 一 浙江工业大学硕士学位论文 w e b 技术为基础，以w e b 浏览器( b r o w s e r ) 取代了客户机服务器模型中的普通客户端应 用程序，主要基于h t y p 与t c p i p 通讯协议协同工作的。它充分利用了现有计算机软件 资源，以操作系统自带的浏览器( i e 、n a v i g a t o r 等) 取代传统的客户端应用程序。由于该 类型无须安装第三方开发的客户端应用程序，利用系统已经存在的应用程序浏览器， 很大程度上减少了资源的浪费，减少了装卸应用程序所带来的一系列磁盘碎片，随时随地 都可以运行，满足了广大用户的需要。而且在需要升级时，只需在服务器上进行必要的更 新就行，客户端无需任何改变，所以也就极大地简化了客户端程序的安装、维护以及系统 升级的工作量。此外，基于w e b 技术的界面可以做得非常美观，可以在其中嵌入插件( 如 j a v a a p p l e t 、a c t i v e x 、f l a s h 等) ，通过文本、声音、动态图片甚至动画等多媒体技术实现 动态交互。而服务器端除处理用户的相关指令之外，其中的w e b 服务器还负责与其他服 务器( 如数据库服务器) 之问的信息交互，还必须把动态页面( 如a s p 、j s p 、p h p 页面) 解析成客户端( 浏览器) 可解析显示的静态页面。 弋、 s e r v e r o t h e r 厂、 ! = 人 w e b _ _ s e r v e r s 、八 s e i n e r 伍忑习 【s e r v e rj f p 晦a t 瑚1f o l h e rs p e c i a l 1 【 m j 2 3三层体系结构 图2 2 浏览器，服务器模式结构 随着1 1 r 产业的不断发展，两层体系结构逐渐显现了它的不足：由于各终端客户需求的 千变万化，将使得服务器端需要处理大量繁复的数据和用户指令，进而导致服务器端的不 堪重负，而且服务器端程序的过于庞大显然与分布式计算的思想背道而驰。解决上述问题 的方案，就是采用多层的体系结构。针对两层模式的不足，将两层结构拓展为3 层或多层 结构，把客户端和服务器端中的应用逻辑剥离出来，形成一层或多层，即功能层或业务层。 三层结构模型如图2 3 所示。 一8 一 新江工业大学硕士学位论文 表示层 l 用户界面il 潮览器i 毒 功能层 i 应用服务器i1 w e b 厦务器l ， i 簸据层i 文件系统ii 数据库i 图2 - 3 三层结构模型图 三层结构将应用划分为：表示层、功能层、数据层。 三层( 多层) 结构设计较两层结构的优点是：能够创建真正意义上的“瘦客户”，前端 机应用程序安装方便，对系统的要求降低；可以更好地支持分布式计算环境；良好的安全 性，用户端只能通过应用层来访问数据层，减少了入口点，把很多危险的系统功能都屏蔽 了；强大的扩展性和伸缩性，组件化设计，使得用户可以定制自己的系统，具有良好的一 次开发性：灵活性，功能层和数据层中的服务器可以有多个，这样，大规模系统中的数据 库和应用程序组件可以被分布于不同的服务器上运行，大幅度地减少数据库服务器的负 担。在这个体系结构中，网络已变成一个智能对象，可以充分表示整个应用的实体，它使 客户端尽可能简单，使逻辑和智能集中在中问层，当应用逻辑改变时，只需要对中间层的 应用服务器进行修改，客户端几乎不用做任何调整，这一点更贴近于“网络就是计算机”的 发展趋势。同时，把一些简单的逻辑处理在不影响三层( 多层) 架构的前提下，尽量放在 客户端处理，从而在为客户端“瘦身”的同时也为服务器减轻一些负担，以实现系统的和谐 健康发展。如对注册用户在登陆系统时填写用户名、密码时的验证，就可以放在客户端使 用脚本( j a v a s c r i p t , v b s c r i p t ) 来验证。 2 4c s 模型与b s 模型的比较 c s 模型主要由客户应用程序、服务器管理程序、中间件三部分组成。客户应用程序 是系统中用户与数据进行交互的部件：服务器管理程序负责实现有效地管理系统资源；中 间件负责联结客户程序与服务器管理程序，协同完成一个作业。系统的主要负担一般由客 户端来完成，在不同的客户端需安装不同的客户程序1 2 0 l 。 b s 模型是一种以w e b 技术为基础的新型网络模式。它有三层，第一层是用户和系统 的接口程序，一般为通用的浏览器软件，如微软的m 、网景的n a v i g a t o r 等。在这一层， 一g 一 浙江工业大学硕士学位论文 用户不仅可以浏览信息，而且还可以通过提交表单实现和服务器的交互功能。第二层w e b 服务器将启动相应的线程响应浏览器的请求，同时和数据库服务器进行交互处理，然后将 请求的结果返回给浏览器。第三层的任务类似于c s 模式，负责协调不同的w e b 服务器 发出的请求。 ( 1 ) 、b s 模式的优点： a 由于w e b 技术支持底层的t c p 口协议，使得h t e m e t 与目前使用的几乎所有的 局域网都可以相互连接，解决了异构系统间的连接问题； b 由于“瘦客户端”的关系，使得系统开放性得到很大改善，系统对访问的用户数量的 限制有所放松： c 界面统一( 客户端全部为浏览器方式) ，操作相对简单、方便。 ( 2 ) 、c s 模式的优点 乱c l i e n t s e r v e r 模式具有很强的实时处理能力，与b s 模式相比，c l i e n t s e r v e r 结构 更适合于对数据库的实时处理和大批量数据的更新： b c l i e n t s e r v e r 模式的面向对象技术十分完善并且有众多与之配套的开发工具，而 这些开发工具己经做得非常优秀，它们可以尽可能地减轻了程序员的工作，这一点对目前 w e b 技术来说是个不小挑战： c 由于c l i e n t ，s e r v e r 模式必须安装客户端软件，系统相对封闭，这反而使它的保密 性能、安全性能优于b s 模式方式。 2 。5c s 与b s 相结合的结构模式 b s 虽然是一种先进的体系结构，但是它还不够成熟。在c s 模式中，客户端有一套 完整的应用程序，在出错提示、在线帮助等方面有强大的功能，因此c s 模式有极好的交 互性。b s 虽然由j s e , a s p 等提供一定的交互能力，但相比之下，功能有限。同时，c s 模式中，客户与服务器之间只传输命令和处理结果，因此用户和服务器之间的通信量大大 减小。与之相比，b s 模式虽然简化了客户端，但也相应增加了服务器的负担，增加了网 络通信数据量，增加了网络负担，降低了运行速度。再者，b s 模式是基于i n t e r n e t 的，而 目前网络安全仍是一个技术尚未成熟的领域，仍然存在着大量的安全漏洞，因此，b s 模 式的安全性较低。 显然b s 模式与c s 模式各有利弊，因此本文在系统设计时，综合考虑了系统结构的 各方面要求，以及两种结构的优缺点，选择了将c s 的成熟技术与b s 的先进技术相结合 一1 0 一 浙江工业大学颂士学位论文 的体系结构【2 ”。 一般在安全性要求较高，具有较强的交互性，地点固定的点对点直接通信的情况下适 于采用c s 模式；在监控地点灵活、范围广泛、多点通信的情况适于选择b s 模式。 本文所设计系统要实现的目标为液位设备与多远程用户之间信息的动态交互，液位设 备控制服务器( 远程专用服务器) 与网络服务器之间是点对点的通信方式，并要求有较高 的安全性，因此设计采用c s 结构的t c p 连接，如图2 4 所示。而为保证多点远程用户对 多台设备的远程控制实现，系统设计在远程用户与网络服务器之间采用b s 结构模式的 l 1 p 连接，如图2 5 所示，为此形成了c s b 方式的远程控制系统，如图2 - 6 所示。 i 应用程序服务器l - 、 l 远程通讯服务模块l _ 1 鬻豁 l 致据库服务器i 默矾。纱 l 现场数据采集模块l 7 l一垤务器i w i n s o c k 丰控计算机 系统远程控制中心液位设备现场控制系统 图2 4 远程控制系统总体结构的c l i a l t s e r v c r 部分 远程用户 系统远程控翻中心 图2 5远程控制系统结构的b w 鲰熔e 删分 用户 用户潴w 日服务器设备控制服务器 卜户八 j 界面r 序i j i 庸j i i 聊l f i 蟛 j w e b e j l l i | i 惭兰姻k 回i 、 ， r i 网络拦作最统k i 同络搬什系统l 、， 7 i 1 同络摊忭乐缱i i7 -1 1 图2 - 6 软件框图 一l l 一 鲎 浙江工业大学硕士学位论文 3 1系统介绍 第三章远程实验对象系统 过程控制通常是指石油、化工、冶金、电力、建材等工业部门生产过程的自动化，其 主要被控量是温度、压力、流量、液位、粘度、湿度和p h 值等过程变量。过程控制系统 的发展先后经过了手工控制、组合仪表控制、计算机控制和d c s ( 集散控制系统1 。 在过程工业中，被控量通常有以下四种：液位、压力、流量、温度，而液位不仅是工 业过程中的常见参数，且便于直接观察，也容易测量，过程时间常数一般比较小，以液位 过程构成实验系统，可灵活地进行过程组态，实施各种不同的控制方案。液位控制装置也 是过程控制最常用的实验装置，国外很多实验室有此类装置，如瑞典l u r i d 大学等，很多 重要的研究报告、模拟仿真等均出自此类装置。结合控制学科实验室建设的需要，并考虑 到以上因素，我们设计了基于a e 2 0 0 0 b 型过程控制装置的远程实验系统。 a e 2 0 0 0 b 型过程控制实验装置田】是综合液位和温度控制的过程控制教学实验装置。实 验装置采用了工业上广泛使用并处于领先的a i 智能仪表加组态软件控制系统、p l c ( 可编 程逻辑控制系统1 ，可供传感和检测技术、自动化仪表、系统辨识、控制理论、计算机控制、 过程控制等课程的教学实验与自主设计性综合实验研究。a e 2 0 0 0 b 型过程实验装置的检测 信号、控制信号及被控信号均采用i c e 标准，即电压1 5 v ，电流4 2 0 m a 。实验系统供 电要求：单相2 2 0 v 交流电。 本实验中，主要针对液位系统进行系统的模型辨识和液位的远程控制，如图3 1 所示。 我们用到了实验装置的基本i o 模块：数据采集模块i c p 7 0 1 7 、i c p - 7 0 2 4 ，分别用于液位 高度的采集和系统控制量的输出。其中i c p - 7 0 1 7 是4 通道模拟量输入模块；i c p 7 0 2 4 是4 通道模拟量输出模块。 如图3 2 所示，i c p 7 0 1 7 模块2 4 v 供电，提供了4 通道的输入端口。每一通道根据功 能表可输入允许范围的电压或电流，支持4 8 5 通讯。i c p 7 0 2 4 模块2 4 v 供电，提供了4 通道的输出端口。每一通道根据功能表可输入允许范围的电压或电流。支持4 8 5 通讯。 浙江工业大学硕士学位论文 图3 1三阶液位系统结构图 表3 1 和表3 2 分别为i c p 7 0 1 7 模块和i c p - 7 0 2 4 模块的功能表。 表3 1i c p - 7 0 1 7 模块 型号 1 1 2 p 0 7 1 0 7 功能 分辨率 1 6 b i t 输入通道4 路羊动 模 采样率 1 0 h z 拟 + - 1 5 0 m v 量 + - 5 0 0 m v 输 电压输入 + ，- 1 m v + - 5 v 入 + - 1 0 v 电流输入 + - 2 0 m a 表3 - 2i c p - 7 0 2 4 模块 型号 l c p - 7 0 2 4 功能 分辨率 1 4 b i t 模 输出通道4 路差动 拟 + - 1 0 v 量 电压输出 + ，5 v o l o v 输 0 5 v 出 0 2 0 m a 电流输出 4 2 0 m a 1 3 一 浙江工业大学硕士学位论文 o 。o o 。 蛾】目b 幽目途幽目 图3 - 2 数据采集模块i c p - - 7 0 1 7 、i c p - - 7 0 2 4 如图3 1 所示，本实验中的检测变送和执行元件有：液位传感器和电动调节阀。 l 、液位传感器 当被测介质( 液体) 的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号， 经归一化差分放大和输出放大器放大，最后经v a 电压电流转换器转换成与被测介质( 液 体) 的液位压力成线性对应关系的4 2 0 m a 标准电流输出信号。 图