（机械电子工程专业论文）大型、重型机电设备的三维仿真控制一体化平台开发.pdf

摘要 摘要 众所周知大型、重型机电设各具有体积庞大、价格昂贵、操作复杂、生产环 境恶劣等特点，随意搬运这样的设备非常困难，而且也不允许随便运行和操作这 些设备。由于上述原因，国内所有的工厂、院校都无法普及针对大型、重型设备 的职业化培训和教育。本课题所研发的大型、重型机电设备的三维仿真控制平台 成功解决了这个问题，利用该平台能够使操作者熟悉设备的结构、性能、特点， 掌握严格的操作技能，培训出专业的操作人员。 首先，针对当前模拟仿真技术的发展与应用现状，采用“以人为本”的平台 设计理念、提出了“三维仿真控制一体化”的概念和“虚实相结合”的新方法。 其次，在上述理论和方法基础上利用v r m l 技术、j a v a 技术、组态技术和多 媒体技术等开发出单机三维实时仿真控制一体化平台：利用远程s o c k e t 访问、j a v a a p p l e t 、j a v as e r v l e t 和多线程技术把虚拟现实场景和实时组态监控系统连接在一 起，实现了基于i n t e m e t 的机电设备的三维实时仿真与控制系统；借助本平台的模 块化设计和提供的有较高互动性、真实感的三维虚拟空间环境实现课堂理论学习 与工厂现场实践的无缝连接：把该平台应用到设备远程监控领域，探索出一条工 厂设备的远程监控和故障诊断的途径。 最后，以棉花加工行业中的大型加工设备棉花打包机为例进行了实用、 系统、详细地开发工作。本文作者在平台的开发过程中，对虚拟现实技术做了深 入的研究，尤其对虚拟现实与外部数据的接口( e a i ) 做了大量的工作，并创造性 地开发了监控组态系统与三维虚拟场景之间通信所遵守的通信协议。文章着重介 绍了该操作平台的体系结构和实现机理，并给出了具体的实现方法、关键技术要 点和优化途径。 本平台具有成本低廉、开发周期短、跨平台、较高的可靠性和安全性等特点， 可广泛应用于计算机辅助教育( c a i ) 、网络远程教学和三维远程实时监控与检测 等中。大型、重型机电设备的三维仿真控制一体化平台开发出来后，己成功应用 于设备的展示、高等职业教育、工人的技术技能培训与考核中，得到用户一致的 好评。 关键词：v r m l ；j a v a ：组态；c a i ；远程仿真与控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sw ea l lk n o wt h a tl a r g e s c a l ea n dh e a v ye q u i p m e n ta l w a y sh a sb i gs h a p e ，h i g h p r i c e ，c o m p l e xo p e r a t i o na n da b o m i n a b l ep r o d u c tc o n d i t i o n i ti sd i f f i c u l tt oo p t i o n a l l y c a r r yt h i se q u i p m e n ta n dr l ni ta tr a n d o m b e c a u s eo ft h o s er e a s o n s ，a l m o s te v e r y f a c t o r ya n ds c h o o lc a i ln o tw i nw i d e s p r e a dt r a i n i n ga n de d u c a t i o no nl a r g e s c a l ea n d h e a v ye q u i p m e n t s t h i sp a p e rd e v e l o p e dan e wt h r e e d i m e n s i o ni n t e r a c t i v eo p e r a t i o n p l a t f o r mi n t e g r a t e ds i m u l a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , w h i c hh a ss u c c e s s f u l l yr e s o l v e d t h o s ep r o b l e m s b yu s i n gt h i sp l a t f o r m ，t h em a n i l ；i u l a t o rc o u l de a s i l ya c q u a i n t e q u i m e n t s s t r u c t u r e ，c a p a b i l i t y , c h a r a c t e ra n ds t r i c to p e r a t i n gs k i l l t h ea u t h o rh a s a c h i v e dd e f i n i t i v es u c c e s s ，w h i c hw a ss h o w e da sf o l l o w e d ： f i r s t l y , c o n s i d e r i n gt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc u r r e n ts i m u l a t i o nt e c h n i q u e ， t h ea u t h o rh a sa d o p t e dt h ed e s i g n i n gi d e ao f t a k i n gm a na st h ef o u n d a t i o n ，t h e c o n c e p to f “t h r e e - d i m e n s i o ns i m u l a t i o ni n t e g r a t e dc o n t r o lt e c h n o l o g y a n dt h en e w m e t h o do f “v i r t u a l - a c t u a la s s o c i a t ed e s i g n s e c o n d l y , b a s e d o nt h o s et h e o r i e s ，t h i sp a p e rd e v e l o p e dl o c a lp l a t f o r m ，w h i c h c o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so fv r m li nv i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n g ，j a v ai nc o m m u n i c a t i o n ， c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei nc o n t r o lf i e l da n dm u l t i m e d i ai nv o c a l i t y ；t h ea u t h o rh a s s u c c e e di na c h i e v i n gt h r e e d i m e n s i o nr e a l t i m es i m u l a t i o na n dc o n t r o lb a s e do i li n t e m e t t h r o u g hl i n k i n gv i r t u a lr e a l i t ys c e n ew i t hc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eb yu s i n gr o m o t e s o c k e t sv i s i t ，j a v aa p p l e t ，j a v as e r v l e ta n dm u l t i t h r e a d i n g t e c h n i q u e s ；u s i n g m o d u l a r i z a t i o n d e s i g n sa n dav i r t u a l i n t e r a c t i v et e a c h i n ge n v i r o n m e n ti nt h r e e d i m e n s i o nc y b e r s p a c et h a tp r o v i d e db yt h eo p e r a t i o np l a t f o r mh a v ee x c e l l e n t l yr e a l i z e c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o ni nt h el o c a lc o m p u t e r , r o m o t en e t w o r ke d u c a t i o na n d g a p l e s sl i n kf r o mc l a s sr o o m st of a c t o r i e s ；t h ea u t h o rh a sd o n ea m a s so f t e n t a t i v ew o r k t om a k et h i sp l a t f o r ma c h i e v er e m o t ec o n t r o la n df a u l td i a g n o s i sa f t e ras e r i e so f k e y - t e c h n i cb r e a k t h r o u g h s a tl a s t ，t h ea u t h o ro f f e r e dm a c h i n i n ge q u i p m e n t ( c o t t o np r e s s ) i nc o t t o ni n d u s t r ya s a l la p p l i c a t i o ne x a m p l et ot e s t i f yt h i sp l a t f o r m i nt h ec o u r s eo f d e v e l o p i n gt h i sp l a t f o r m ， t h ea u t h o rh a sd e e p l yi n v e s t i g a t e do nv r m le s p e c i a l l yd o i n gal o to fw o r ko nt h e i n t e r f a c e sb e t w e e nv r m la n de x t e m a l d a t a ( e a i ) a n da l s oh a si n n o v a t e d u a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt h a ta b i d e db yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dv i r t u a l t h r e e - d i m e n s i o nc y b e r s p a c e t h i sp a p e rp r e s e n t e ds y s t e m ss t r u c t u r ea n dr e a l i z i n g m e c h a n i s ma n da l s og a v er e a l i z i n gm e t h o d sa n do p t i m i z a t i o na p p r o a c h e s t h ep l a t f o r mh a sl o wc o s ta n dd e v e l o p i n gp e r i o d ，s p a n i n go p e r a t i n gs y s t e m sa n dh i g h r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y i tc a nb ew i d l yu s e di nc o m p u t e ra i d e di n s t r u c t i o n ，r o m o t e e d u c a t i o n ，r e m o t et h r e e d i m e n s i o nr e a l t i m ec o n t r o la n ds oo n w eh a v ea l r e a d y s u c c e e d e di na p p l i n gt h ep l a t f o r mt oh i g h e re d u c a t i o na n dt r a i n i n ga n de x a m i n i n g s k i l l e dw o r k s k e y w o r d s ：v r m l ；j a v a ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；c a i ：r e m o t es i m u l a t i o na n dc o n t r o l 1 1 1 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 随着虚拟现实技术、网络技术、计算机图形技术和实时控制技术等的发展， 人们对现有的仿真、控制技术提出了更高的要求。传统仿真使用的平面动画实时 模拟技术，已无法满足人们的需要，人们迫切希望看到一个三维、具有高度沉浸 感和交互性的实时仿真环境。综合了计算机图形学、图像处理学、模式识别、智 能接口、人工智能、传感与测量技术、网络和并行处理等多学科知识的虚拟现实 的出现彻底解决了这一问题。本课题把虚拟现实技术应用到计算机辅助教育和工 业控制领域，开发出了大型、重型机电设备三维仿真与控制的平台，该平台具有 广阔的应用前景和现实的意义。 仿真与控制随着现代计算机和网络技术的发展，越来越受到人们的重视并且 成为了一项多学科的综合技术。全文将围绕开发大型、重型机电设备仿真控制一 体化平台的过程进行讲解，论文的重点会放在开发过中所涉及的核心技术、开发 经验总结上。在本章节，从课题的提出及实际意义、国内外研究现状和本课题主 要研究内容三个方面加以阐述。 1 2 课题的提出及实际意义 1 2 1 课题的来源和提出 伴随社会信息化的发展，利用计算机进行辅助教育( c o m p u t e rb a s e d e d u c a t i o n ，缩写为c b e ) 成为新时代的特征。借助计算机帮助或代替教师执行部 分教学任务，为学生传授知识和提供技能训练，直接为学生服务的计算机辅助教 学【| 。j ( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ，缩写为c a i ) 成为最重要的方面。由于大型、 重型机电设备具有体积庞大、价格昂贵、操作复杂、生产环境恶劣等缺点，直接 在现场进行教学很不方便，所以国内职业教育、岗前培训迫切需要具有交互性强、 能够个别化教学、学习效率高、科学性强等特点的c a i 软件来实现针对大型、重 型设备的计算机辅助教育。另外工业监控领域也在探寻一条实现远程仿真与控制 山东大学硕士学位论文 的路线，积极探索新技术和新方法。虚拟现实技术v r m l t 4 叫( v i r t u a lr e a l i t y m o d e l i n gl a n g u a g e ，缩写为v r m l ) 和j a v a 以其独特的优点，逐渐地显示其重要 地位，并成功解决了上述问题。依靠以上技术开发出了大型、重型机电设备仿真 控制一体化平台，开辟了计算机辅助教育和工业监控的新途径。 本课题是由济南星科经贸有限责任公司委托山东大学c a d 省重点实验室开 发，其目标是针对大型、重型机电设备开发一套完整的教学平台，从而避免目前 课堂学习( 理论) 与工厂现场( 实践) 脱节的问题。该课题以山东大学c a d 省重 点实验室出色完成的国家8 6 3 项目( 机械产品设计自动化软件系统d a r f a d ) 为基础，成功实现了平台的开发，并把该平台扩展到工业监控领域。 仿真技术、计算机控制技术是实现本课题的核心技术，利用先进的虚拟仿真 和成熟的监控组态技术，完成大型、重型机电设备仿真控制一体化平台的开发。 下一节对仿真与控制的概念、原理进行简单表述。 1 2 2 仿真控制技术概述及发展 仿真技术的概述 仿真( s i m u l a t i o n ) 又称为模拟，原指对客观事物的模仿。随着技术的发展和 需要，人们的原始的模仿行为才演化为系统的技术手段和方法。1 9 6 1 年， g w m o r g e n t h a t e r 首次对“仿真”进行了技术性定义，即“仿真意指在实际体统尚 不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。o r e n 在1 9 8 4 年在给出了仿真的基 本概念框架“建模一实验一分析”的基础上，提出了“仿真是种基于模型的活 动”的定义，被认为是现代仿真技术的一个重要概念。实际上，随着科学技术的 进步，“仿真”的技术含义不断地得以发展和完善，从a a l a n 和b p r i n t s k e r 撰写 的“仿真定义汇编”一文和牛律英文字典中仿真定义的变化( 初期为：“t oi m i t a t e c o n d i t i o n so fs i t u a t i o nw i t ham o d e lf o rc o n v e n i e n c eo rt r a i n i n g 到 t h et e c h n i q u eo f i m i t a t i n gt h eb e h a v i o ro fs o m es i t u a t i o n o rs y s t e m ( e c o n o m i c ，m e c h a n i c a l ，e t c ) b y m e a n so fa na n a l o g o u sm o d e l ，s i t u a t i o n ，o ra p p a r a t u s ，e i t h e rt og a i ni n f o r m a t i o nm o r e c o n v e n i e n t l y o r t o t r a i n p e r s o n n e l ”1 7 1 ) 中可以清楚地观察到这种演变过程。今天， 仿真的一个比较流行于工程技术界的技术定义是：仿真是以控制论、计算技术和 相似原理为基础，以计算机和各种物理效应设备( 它模拟再现真实世界环境) 为 工具，借助系统模型对真实的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术f 8 1 。 现代仿真技术均是在计算机支持下进行地，因此，系统仿真也称为计算机仿 真。系统仿真有三个基本的活动，即系统建模、仿真建模和仿真实验，实现这三 第1 章绪论 图1 - 1 计算机仿真三要素及三个基本活动 个活动联系的是系统仿真的三要素，即系统、模型、计算机( 包括硬件和软件) 它们的关系可用图1 一l 描述。现代仿真技术将仿真活动扩展到上述三个方面，并将 其统一到同一环境中：在系统建模中使基本定律及系统辨识等方法计算机程序化， 用仿真方法确定实际系统的模型，采用基于模型库的结构化建模和面向对象建模 ( o b j e c t o r i e n t e dm o d e l ) 方法，并且在类库的基础上实现模型拼合与重用；在仿 真建模中涌现了许多新算法和新软件采用模型与实验分离技术；在仿真实验中将 实验框架与仿真运行控制区分开来。 仿真技术的应用与虚拟仿真 由于仿真技术具有良好的可控性、无破坏性、安全、不受气象条件和空域场 地的限制，可多次重复使用，以及经济性等特点。可广泛应用于系统规划、方案 论证、设计、研制、试验评估、运行维护、系统改进、人员训练等方面9 1 。国际上 一致认为：“仿真是迄今为止最有效的、经济的综合集成方法，是推动科技进步的 战略技术” 1 0 l 。 近年来信息技术的发展，特别是高性能海量并行处理技术、可视化技术、分 布处理技术、多媒体技术和虚拟现实技术的发展，使得建立人机一体化的、分布 的、多维信息交互的仿真模型和仿真环境成为可能，虚拟现实仿真成为仿真技术 新的发展方向。1 “。本课题就是依靠虚拟现实仿真技术来实现的。 控制技术概述 控制科学是在本世纪中形成和发展起来的- f - j 新兴学科，至今已走过大约6 0 年的历程。大体上看，前3 0 年是以经典控制理论为基础，而后3 0 年是以现代控 制理论为基础，是与计算机技术的成熟、人类对航天技术的需求以及受控系统的 数学模型相对确定密切相关的【1 5 1 。 计算机控制是指采用数字计算机对一个动态系统进行的控制。在计算机控制 系统中，由数字计算机代替自动控制中的常规控制设备，对动态系统进行调节和 控制，这是对自动控制系统技术装备的根本性变革，由于数字计算机具有采集、 山东大学硕士学位论文 传送、存贮、处理大量数据的能力，使自动控制进入了以计算机为主要控制设备 的新阶段。计算机控制实质上是计算机技术与自动控制理论相结合，对生产机械 和生产过程进行控制的一门技术。现代化的生产系统具有多变量、时变、非线形 的特点，应用经典的控制理论已不能满足现代化的工业生产要求。应用现代控制 理论再加上计算机的快速运算、强大的信息存储能力以及逻辑判断能力，使得计 算机控制系统能解决通常自动控制技术所不能解决的问题，使生产过程达到优异 的指标。计算机实时控制系统对控制对象物理量的采集，作出实时控制对策，并 进行实时控制等过程，周而复始地重复进行，而且这些过程要及时地进行。 计算机控制系统 坫也o 】 1 9 6 9 年问世的p l c 和1 9 7 5 年问世的d c s 可能是两类影响最为深远的计算机 控制系统。p l c 的问世取代了继电器之类的器件，实现了开关量的联锁控制、程 序控制；d c s 的问世取代了显示仪、调节器之类的仪表，实现了模拟量的指示、 记录和p i d 回路调节等功能。随着计算机、通信、网络技术的发展，p l c 、d c s 互相融合，互相渗透，取长补短。p l c 吸取了d c s 在回路控制功能、c r t 显示功 能、网络功能等方面的长处。d c s 吸取了p l c 在联锁控制功能、程序控制功能、 梯形图及功能块图编程功能等方面的长处、两者之间的差别越来越小，分界线也 越来越模糊了。 在原有的工业工程及生产制造领域各个仪表是独立的、互不关联的。采用 计算机实现测量控制功能后，就可以通过计算机将所有的信号连接在一起处理， 便于生产操作人员进行操作和控制。 1 2 3 课题产生的实际意义 本课题开发的大型、重型机电设备的仿真控制操作平台主要目的是为了促进 中国电化教育的实施，完善素质教育体系，满足职业教育、公司员工岗前培训等 的需要，而开发的一套完整教学平台。通过采用计算机仿真、多媒体互动等现代 化信息技术手段，通过操作、模拟、仿真三个培训层面，解决了以往专业培训理 论、实验、实习和实际应用脱节问题。该平台有以下几个特点： 1 经济性： 传统机电设备的教学需要借助于具体的机电设备，但是大型、重型机电设 备( 如：加工中心等) 价格昂贵、损耗大、实验成本高，这对于经费不足的地 方院校而言，是难以承受的。采用虚拟设备不存在磨损、破坏，可反复使用。 4 山东大学硕士学位论文 传送、存贮、处理大量数据的能力，使自动控制进入了以计算机为主要控制设各 的新阶段。计算机控制实质上是计算机技术与自动控制理论相结合，对生产机械 和生产过程进行控制的- - l 技术。现代化的生产系统具有多变量、时变、非线形 的特点，应用经典的控制理论已不能满足现代化的工业生产要求。应用现代控制 理论再加上计算机的快速运算、强大的信息存储能力以及逻辑判断能力，使得计 算机控制系统能解决通常自动控制技术所不能解决的问题。使生产过程达到优异 的指标。计算机实时控制系统对控制对象物理量的采集作出实时控制对策，并 进行实时控制等过程，周而复始地重复进行，而且这些过程要及时地进行。 计算机控制系统”一2 0 l 1 9 6 9 年问世的p l c 和1 9 7 5 年问世的d c s 可能是两类影响最为深远的计算机 控制系统。p l c 的问世取代了继电器之类的器件，实现了开关量的联锁控制、程 序控制：d c s 的问世取代了显示仪、调节器之类的仪表，实现了模拟量的指示、 记录和p i d 回路调节等功能。随着计算机、通信、网络技术的发展，p l c 、d c s 互相融合，互相渗透，取长补短。p l c 吸取了d c s 在回路控制功能、c r t 显示功 能、网络功能等方面的长处。d c s 吸取了p l c 在联锁控制功能、程序控制功能、 梯形图及功能块图编程功能等方面的长处、两者之间的差别越来越小，分界线也 越来越模糊了。 在原有的工业工程及生产制造领域，各个仪表是独立的、互不关联的。采用 计算机实现测量控制功能后，就可以通过计算机将所有的信号连接在一起处理， 便于生产操作人员进行操作和控制。 1 2 3 课题产生的实际意义 本课题开发的大型、重型机电设备的仿真控制操作平台主要目的是为了促进 中国电化教育的实施，完善素质教育体系，满足职业教育、公司员工岗前培训等 的需要，而开发的一套完整教学平台。通过采用计算机仿真、多媒体互动等现代 化信息技术手段，通过操作、模拟、仿真三个培训层面，解决了以往专业培训理 论、实验、实习和实际应用脱节问题。该平台有以下几个特点： 1 经济性： 传统机电设备的教学需要借助于具体的机电设备，但是大型、重型机电设 备( 如：加工中心等) 价格昂贵、损耗大、实验成本高，这对于经费不足的地 方院校而言，是难以承受的。采用虚拟设备不存在磨损、破坏，可反复使用。 方院校而言，是难以承受的。采用虚拟设备不存在磨损、破坏，可反复使用。 第1 章绪论 这样既满足了教学要求，又能提高办学效益。 2 安全性： 以往在现场培训过程中，由于操作者的误操作很容易发生操作事故，会给 价格昂贵的机电设备造成不可估量的损失，甚至会危及操作者的生命。使用本 课题开发的平台利用虚拟现实技术构建生产现场环境，展现在操作者面前一个 虚拟的操作设备，这样操作者可以反复操作和训练，避免了操作过程中的安全 隐患，促进了培训效果。 3 先进性： 将p l c 编程技术、多种高级语言编程技术，同监控组态软件技术相结合， 实现了三维虚拟仿真、监控技术的首次突破。开发了按行业分类和工种相结合 的仿真软件，将复杂流程工艺、大型、重型机械设备通过虚拟仿真的手段，在 实验室得以再现。并通过实验台对其进行控制。把现代工厂的操作模式纳入实 验教学中，体现了由理论学习到工厂实践的先进教学模式。 4 开放性： 大型、重型机电设备的仿真与控制平台打破了传统的教学模式，操作者不 再受时间、空间上的制约，可随时、随地操作虚拟的机电设备，实现因材施教 和个性化教学。 由于本平台具有经济性、安全性、先进性、开放性等特点，并做到了与工厂 的无缝连接，非常适合利用计算机进行辅助教学。课题受委托的初衷即为尝试、 探索利用虚拟现实技术和监控组态技术开发一套面向桌面【2 ”的大型、重型机电设 备计算机辅助教学系统。 本课题所开发的平台除了成功于计算机辅助教学领域外，还对工业设备的监 控领域也作了大量的尝试性研究，突破了其中的关键技术。虽然在实现工业加工 设备的远程监控上，还有这样或那样的一些问题，但不可否认的是它所带来的现 实意义是无法估量的。正是基于这些方面的原因，本课题还着重探讨了网络远程 教学、大型、重型机电设备远程的仿真控制和故障诊断实现的一些机理和方法。 这样课题产生的实际意义就突出地表现在利用该平台针对大型、重型机电设备进 行计算机辅助教学和工业中大型、重型机电设备的远程仿真控制与故障诊断上。 1 2 3 1 计算机辅助教学( c a l ) 及网络远程教学时”1 计算机辅助教学c a i ( c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n ) ，指用计算机帮助或 代替教师执行部分教学任务，为学生传授知识和提供技能训练，直接为学生服务。 山东大学硕士学位论文 计算机辅助教学是一种新教育思想、教育手段的体现，是一门综合计算机科学、 教育学、心理学、工程技术以及相关课程专业知识的边缘交叉科学。c a i 具有交互 性强、个别化教学、学习效率高、科学性强等特点。 本课题借助于虚拟现实技术构建的大型、重型机电设备仿真一体化平台，该 平台构造的场景能够模拟真实的现场生产环境，因而更能适应学生的要求，提高 学生的学习兴趣，使学生能够在一个比较真实的生产环境中自主地学习和操作。 充分利用v r m l 和j a v a 的强大的网络功能，除了实现利用本地计算机进行辅助教 学外，还成功开发出了网络远程教学系统。 最近几年我国加大在网络方面的基础设施建设，和国外相比在信道的传输速 率、带宽等方面差距越来越小，这为我国开展基于i n t e r n e t 的教育应用创造了必 要的前提与条件。虽然硬件设备日益完善，但是相应的远程教育软件相对比较落 后，尤其是在远程职业教育、远程机电设备的培训上几乎是空白。基于虚拟现实 的网络教学更能提高学生的学习积极性，在w e b 网络上，大部分学生想看到的是 一个能够模拟真实环境、有较高交互性、具有真实感的教学环境【2 8 l 。这对于高职 远程教育及职业培训特别重要，分布在各个地区的学生可通过操作计算机从不同 角度进入生产现场，在这种虚拟的现场，获得与生产现场几乎相同的体验，做到 在远程教育过程中，理论与实践同步的教学效果。 1 2 3 2 基于in t e r n e t 的远程仿真控制与故障诊断* 3 ” 现代大型、重型机电设备的结构日趋复杂，自动化的程度也越来越高。为了 保证这些大型设备正常高效地运行，必须对其进行有效地仿真控制和监测诊断。 计算机网络技术发展到今天，使我们能够实现大型、重型机电设备的远程仿真控 制和故障诊断。 仿真控制和故障诊断技术是通过设备故障诊断技术与计算机网络相结合，在 大型企业的重要设备上建立状态监测点，采集设备运行状态数据。当现场设备运 行出现异常时其状态监测服务器便会向诊断中心提供数据进行分析，利用专家系 统确定故障类型和解决方案并返回结果。对于系统不能确定的故障还可以进行网 上专家会诊。另外远程故障诊断技术对实现资源共享，避免重复开发，加强企业 与科研机构的交流也有极大的促进作用。 前面一节提到过利用本课题开发的仿真控制平台除了能够实现计算机辅助教 学和网络教学外，另外一个显著应用前景是在工业生产中实现远程的仿真控制和 故障诊断。如图1 - 2 所示为仿真控制与故障诊断逻辑示意图。 第1 章绪论 图1 - 2 仿真控制与故障诊断逻辑示意图 其中：仿真控制可以实现实时三维虚拟仿真和远程操作设备，通过实时的仿 真来判断设备运行的状态，虽然该技术不可能应用在对于精度要求较高的加工设 备上，但是对响应时间、操作技能等要求不高的设备是可取的。本课题所开发的 平台选取棉花打包机作为实验设备作了尝试，并取得了预期的效果。故障诊断包 括对设备运行状态的识别、判断和预报。它充分利用分析处理所提供的特征信息 参数，运用各种知识和经验，其中包括对设备及其零部件故障或失效机理方面的 知识，以及设备结构原理、运动学和动力学、设计、制造、安装、运行、维修等 方面的知识，对设备的状态进行识别、诊断，并对其发展趋势进行预测和预报， 为下一步的设备维修决策提供技术依据。 本文用虚拟现实技术建立虚拟现实系统可以远距离地进行故障研究，有助于 研究故障发生的机理，并在这一方面做了基础性的工作，由于时间紧迫有很多模 块如：专家诊断系统等并没有来得及研究，希望有机会能够加以完善。 1 3 国内外研究现状综述 1 3 1 国内对本课题的研究现状 近年来我国才开始关注虚拟现实的研究及开发应用，国内许多研究单位和部 门已经开展这方面的工作。 北京航空航天大学是国内最早进行v r 研究、最有权威的单位之一，利用虚拟 现实成功开发出用于飞行员训练的虚拟现实系统：另外利用v i s u a lc + + 、o p e n g l 图形库作为虚拟开发工具的有哈尔滨工业大学的虚拟加工检测一体化系统、四川 大学制造科学与工程学院开发的数控车、铣、钻加工三维仿真系统等。 上述几个三维仿真的例子特点有：采用虚拟现实技术，不需要低层开发，但是 需要昂贵的辅助设各( 特殊的数字头盔和- n 数据手套，用于感觉和操纵虚拟世 界中的各种对象) 才能实现，应用在计算机辅助教育中是不可取的：采用o r e n g l 图形库，虽然开发软件的成本低，易于商品化，但是由于是基于低层图形开发平 山东大学硕士学位论文 台，对实体的渲染着色、动画及消隐都要另行编程实现，开发工作量很大，难度 高。本文采用是面向桌面式虚拟现实，具有结构简单、价格低廉，易于普及推广 等特点，但缺少完全的沉浸感，操作者可能会受环境干扰等，但对于实现本课题 目标网络教学和三维仿真控制足矣。 另外，在远程故障诊断的研究的科研机构主要有：哈尔滨工业大学、上海交通 大学、西安交通大学、华中科技大学、东南大学等高校及山东电力诊断技术研究 中心等，这些单位对远程故障诊断技术的研究已经做了许多工作，并有许多成功 演示系统和实施实例。 本文中故障诊断的研究仅停留在设备的运行状态进行实时信息显示和三维零 件的故障显示与处理上。另外利用计算机及其步 设、v r m l 语言和相关软件去仿 真设备故障，给用户创造一个实时反映故障设备变化与相互作用的三维图形世界， 从而为实现远程诊断及其的培训提供了一种切实可行的途径。 1 3 2 国外对本课题的研究现状 国外对本课题研究较早，把虚拟现实技术应用到各个领域，积累了坚实的基 础。如：美国m a r s h a l l 空间飞行中心研制载人航天器的v r 座舱，指导座舱布局 设计并训练航天员熟悉航天器的舱内布局、接口和位置关系，演练飞行程序。从 1 9 6 1 年，美国p h i l o o 公司首创了头盔式立体显示器( h m d ) 以来，利用虚拟现实 技术进行仿真突飞猛进的发展。第一套多感知仿真体验系统s e n s o r a m a 是在1 9 6 2 年由美国电影摄影师m o r o n h c i l i n g 研制出的。人坐在拱顶装置下，手操纵摩托车 把，仿佛穿行于纽约闹市，能听到立体声响，感到行车的颠簸、扑面的风，甚至 能闻到相应的芳香。1 9 7 1 年，f r e d e r i c kb r o o k s 研制了具有力反馈的原型系统 g r o p - i i ，通过操纵一个实际的械手，来控制屏幕中的图形机械手去“抓取”个 立体图像表示的物体，而且人手能感觉到它的重量。1 9 8 6 年，研制成功了第一套 基于h m d 及数据手套的v r 系统v i e w ( v i r t u a li n t e r a c t i v ee n v i r o n m e n t w o r k s t a t i o n ) 。这是世界上第一个较为完整的多用途、多感知的v r 系统，它使用 了头盔式显示器、数据手套、语言识别与跟踪技术等，并应用于空间技术、科学 数据可视化、远程操作等领域，被公认为当前v r 技术的发源地【3 2 】。美国北卡罗 莱纳大学研制了一种研究分子运动的v r 系统，用户只需戴上头盔和数据手套即可 对分子运动进行控制p 。美国m a r y l a n d 大学开发了用于培训数控人员的虚拟机床 仿真器。 另外，5 0 年代末，美国学者w i t t s o n 首先将双向电视系统用于医疗，这被认为 第1 章绪论。 是最初的远程诊断。与医学领域相比，工业领域的远程诊断工作起步较晚。1 9 9 7 年1 月，由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办的首届基于因特网的工业远程诊 断研讨会上确定由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于因特网的下一代远程 诊断示范系统。该项工作得到了制造业、计算机业和仪表业的b o e i n g 、f o r d 、s e g a t e 、 i n t e l 、s u n 、h p 等1 2 家大公司的支持和通力合作，并很快建立了一个限于合作者 间的远程诊断示范体系t e s t b e d 。 综上所述，国外虚拟现实技术在仿真、控制领域应用非常广泛，但是他们也 是依赖于头盔和数据手套，本文主要从经济性的原则来选择虚拟现实语言，开发 出了面向桌面的大型、重型机电设备的仿真控制一体化平台。 1 4 主要研究内容 本课题的研究目标 开发针对大型、重型机电系统的仿真控制平台，该平台能够实现对大型、重 型机电设备实时动态三维模拟、实时仿真。利用该平台进行辅助教学时，要求能 够做到学校与工厂无缝连接，学员理论学习与实践完美的结合。并尝试利用该平 台探索基于i n t e m e t 远程三维仿真控制和故障诊断的方法。 本课题的主要内容 综合利用计算机图形学、实时控制技术、网络技术、仿真技术、三维造型技 术及多媒体技术，开发一个全新、跨平台、基于网络、面向大型、重型机电设备 的仿真控制一体化系统。具体内容如下： 1 开发前需要阅读大量国内外文献资料，要对相关技术进行深入了解，为开 发此平台作好准备。 2 对各种三维建模技术进行分析比较，选择合适的建模技术，并对建模过程 中产生的问题进行了研究。 3 运用甘特图解决对复杂机电设备零部件运动的时间分配与控制问题，使机 电设备运行与实际相符合。 4 掌握组态软件对实际的大型、重型机电设备的硬件进行仿真、控制、改造。 5 实现仿真控制一体化系统与组态系统之间的通信( 制定相关通信协议、解 决实现技术) 。 6 深入地探讨如何利用j a v a 的强大网络编程能力及其和v r m l 的接口技术， 来实现对v r m l 行为进行控制的机制，对e a i ( 外部创作接口) 也作了比 山东大学硕士学位论文 较详细的分析。 7 尝试研发基于i n t e m e t 远程三维仿真控制和故障诊断系统。 8 系统稳定性能的提高与测试，并寻找解决方案。 9 软件的打包与安装程序的编写。 在文章最后，为了课题的更进一步的深入研究，作者对现阶段的研究工作进 行总结，并对今后的工作进行了展望。 本课题操作平台的总体规划 图1 - 3 三维仿真控制一体化操作平台规划 大型、重型机电设备的三维仿真控制一体化操作平台如图1 3 所示采用b s 网 络体系结构、利用j a v a 安全机制实现对信任、授权用户( 前台客户机) 的远程控 制。后台服务机运彳亍组态系统并充当服务器。保证组态系统与s e r v e r 服务器和 大型、重型机电设备之间的通信。 1 5 论文的组织结构 论文的组织结构如图1 - 4 所示：首先探讨实现的理论基础，最后再给出应用实 o 第1 章绪论 例加以论证其正确性。本课题采用v r m l 和j a v a 编程语言实现的大型、重型机 电系统的仿真控制平台，具有通用性、仿真效果逼真、可扩展性良好的特点。基 于本文研究成果开发出的仿真软件，可降低大型、重型机电行业的培训成本特别 是价格昂贵、操作复杂、容易损坏、维护费用高的大型、重型机电设备的培训， 使培训变得方便、简单。把机械行业生产中大型、重型机电设备的进行仿真与控 制，成功实现计算机辅助教学、网络教学和远程仿真控制与故障诊断。本机电系 统仿真控制平台已经被济南星科经贸有限公司成功投放到社会，推广到教学中。 图1 - 4 论文的组织结构 山东大学硕士学位论文 第2 章三维仿真控制一体化平台的总体系统结构 在第一章绪论中提到课题的开发目标是开发针对大型、重型机电系统的三维 仿真控制平台，该平台能够实现下面几个功能： 1 利用平台能够实现对大型、重型机电设备实时动态三维模拟、实时仿真； 2 单个用户使用该平台时，要求能够做到在学校理论学习与工厂实践的无缝 连接，并能培养操作者的动手能力和提高电气理论知识水平： 3 分布在互联网上不同地方的用户能够利用该平台学习和认知大型、重型设 备的结构和操作，实现设备的远程网络教学； 4 设各管理人员利用该平台实现基于i n t e m e t 远程三维仿真控制： 5 诊断专家利用该平台进行远程故障诊断： 虽然看上去该平台实现的功能很多，其核心就是实现“三维仿真控制”，在此 基础上针对不同的用户( 在校学生、工厂职工等) 需要，再进行延伸并增加网络 功能。实际上用户就分为两种：一种是单机用户，包括在校学生、工厂职工等， 实现平台的第二个功能；第二种是网络用户，包括远程网络学习者、设备管理人 员、诊断专家等，实现基于i n t e r n e t 的三维仿真与控制。根据用户的差异本课题把 平台分为三部分来开发：虚拟仿真控制平台服务器模块、单机用户模块、网络用 户模块。大型、重型机电设备的仿真控制一体化操作平台的总体系统框架就按照 这三个模块来规划的( 如图2 - 1 所示) 。 其中虚拟仿真控制平台服务器模块的开发是本文的重点和难点，虚拟仿真技 术采用的是v r m l 语言和j a v a 编程相结合实现的，对于虚拟仿真的机理和具体 实现方法将在本论文的第三章详细加以讨论。监控技术利用国内比较成熟的组态 技术，实现数据的采集、处理，根据三维仿真服务器发出的具体的指令实时控制 设备的运行状态。监控组态的选择、三维仿真与组态的通信技术将在论文的第四 章详细加以说明。虚拟仿真控制平台服务器模块必须能够服务单机用户。 单机用户模块主要能够实现动手训练、电气学习和设备的单机仿真控制操作。 重点放在如何培养动手能力、加深设备电气知识的掌握和强化大型、重型设备的 生产工艺上。 网络用户模块则实现远程三维仿真、远程控制、远程培训和故障诊断。网络 远程教育中的用户，在任何地方都能把场景下载到本地计算机上，在本机上操作 设备。远程控制中的用户，场景中的设备实时地根据现场的状况动态更新，并发 第2 章三维仿真控制一体化平台的总体系统结构 给虚拟仿真控制平台服务器控制信号，实现远程控制。当现场设备发生故障时， 把故障信息以数据列表和三维效果发送到诊断专家