（检测技术与自动化装置专业论文）过程控制工程虚拟实验系统的设计与开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着科技的发展 传统实验的局限性日渐显著 它受时间 地点 容纳人数的限制 设备更新换代慢 实验效率低 而与此同时 在校大学生人数不断增加 社会对大学生 专业实践能力的要求日益提高 这一切充分说明 传统实验已经难以满足当前日新月异 的教育需求 针对这一现状 本文总结了国内外虚拟实验的研究状况 分析了各种实现方法的特 点 以大连理工大学自动化系过程控制工程实验室为背景 设计了基于b s 结构的虚拟 实验系统 本文介绍了系统的总体结构 采用v r m l 虚拟现实建模语言进行实验设备 及实验环境的三维建模 实现了实验室虚拟环境的构建 通过实验室中基于p m f i b u s 现 场总线的监控系统 设计了二阶水槽系统建模数据采集实验 并利用m a t l a b 进行建模 及液位的控制仿真 通过以上工作 实现了基于v r m l 和m a t l a b s i m u l i n k 仿真计算引 擎的虚拟实验系统 利用得到的数学模型和仿真模型 根据实际工程实验控制器参数整 定的要求 设计了基于遗传算法的控制器参数优化方法 通过实际实验的运行 验证了 优化后的p i d 参数对控制器参数的整定具有指导性 最后 应用本文构建的虚拟实验环 境 进行了先进控制理论的应用研究 采用动态矩阵控制算法 d m c 对一阶水槽液位进 行了控制仿真研究 仿真结果验证了该算法的有效性 本文所设计的虚拟实验系统不仅解决了实际过程控制工程实验所具有的受时间地 点限制 实验过程及结果受实验设备状况限制等问题 而且提供了一个虚拟研究平台 在此平台上 可以进行参数优化及先进控制理论的仿真应用研究 关键词 虚拟实验 v r m l s i m u l i n k p i d 参数优化 大连理 大学硕士学位论文 p r o c e s sc o n t r o le n g i n e e r i n gv i r t u a ll a bs y s t e md e s i g na n dd e v e l o p m e n t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y t h el i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a le x p e r i m e n t sa r e b e c o m i n gm o r ea n dm o r es e v a i e e g t h es c h e d u l e dd a t e f i x e dl a b r c s t r i c t e dp e r s o nc a p a c i t y t h el o wr a t eo fi n s t r u m e n t r e n e w a l i l l sw e l la st h ep o s s i b l ep o o re x p e r i m e n t a le f f i c i e n c y 嘶l ew i t ht h ei n e r e a s eo ft h ee n r o l l m e n to ft h ef r e s h m e na n dt h er e q u i r e m e n t sf o rt h e p r o f e s s i o n a lp r a c t i c ea b i l i t yo ft h ec o l l e g es t u d e n t s t h et r a d i t i o n a lw a yo fc o n d u c t i n g e x p e r i m e n t sh a so b v i o m l yl a g g e db e h i n dt h ef a s tp r o g r e s so f e d u c a t i o n a i m i n ga tt h ep r e s e n tc o n d i t i o n so f t h ec o l l e g ee x p e r i m e n ti nc h i n a t h i sp a p e rd e s i 弘sa p l a t f o r mf o rv i r t u a ll a bb a s e do nb sc o n f i g u r a t i o nf o rt h ep r o c e s sa u t o m a t i o nl a bi nd a l i a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yb ys u m m a r i z i n gt h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft h ev i r t u a l1 a b f u l f i l l i n gb yt h ed o m e s t i ca n da b r o a de x p e r t s 1 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg e n e r a ls y s t e m s t r u c t u r e a d o p t st h ev r m l t ob u i l dt h e3 di n s t r u m e n t sa n ds p a c eb yi m i t a t i n gt h ep r a c t i c a l l a b w i t ht h ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mo f t h ec a s c a d et a n ke q u i p m e n t t h i sp a p e r c a r r i e so nt h e d a t a a c q u i s i t i o ne x p e r i m e n t sa n dg e t st h es e c o n d o r d e rm a t h e m a t i cm o d e lb ys y s t e m i d e n t i f i c a t i o n i ta l s os i m u l a t e st h el e v e lc o n t r o lp r o c e s sw i t hm a t l a b t h r o u g ht h ea b o v ej o b t h i sp a p e rr e a l i z e st h ev i r t u a le x p e r i m e n tb a s e d0 1 1v r m la n dm a t l a b b e s i d e s 谢t ht h e o b t a i n e dm a t h e m a t i cm o d e l t h i sp a p e rd e v e l o p st h eo p t i m a lc o n t r o l l e rp a r a m e t e rt u n i n g m e t h o db a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h ep r o c e s sr e q u i r e m e n t s a n dt h et e s t ss h o w s t h eg u i d a n c eo ft h eo p t i m a lp a r a m e t e rt ot h ea c t n a lp r o c e s se n g i n e e r i n ge x p e r i m e n t a tt h e e n do ft h i sp a p e r t h er e s e a r c ho nt h ea d v a n c e dc o n t r o lt h e o r ya p p l i c a t i o ni sp e r f o r m e dw j t l l t h i sv i r t u a ll a ba n dt h es i m u l a t i o np r o v e st h ee f f e c t i v e n e s so f t h ed m co nl e v e lc o n t r 0 1 弧l i sp a p e rn o to n l yd e v e l o p sav i r t u a ll a bw h i c hp o s s e s s e sa d v a n t a g e ss u c h 嬲r e l a t i v e l y f r e es c h e d u l ea n dp l a c ec o m p a r i n gw i t ht h ep r a c t i c ee x p e r i m e n t b u ta l s op r o v i d eav i r t u a l r e s e a r c hp l a t f o r mt oc a r r yo nt h ea p p l i c a t i o no f t h ea d v a n c e dc o n t r o lt h e o r y k e yw o r d s v i r t u a le x p e r i m e n t v r m l s i m u l i n k p i dp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n 独创性说明 作者郑重声明 本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名 叠丝磕日期 盟 人连理工人学硕 亡研究生学f 市论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 大连理工大学硕士 博士学位 论文版权使用规定 同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阋 本人授权大连理 工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 也 可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文 作者签名 主丝壁盆 别虢 空 导师签名 f竺 i 皇 1 2 年 坐月 上同 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 随着我国高等教育的快速发展 在校大学生人数已经位居世界第一 然而实验室不 可能像教室一样可以轻松增加其人数容纳的规模 实验设备的更新换代也不可能像老师 的课件 电脑软件一样轻松升级 此外 远程教育 成人教育 继续教育等非在校学生 的实践课程难于开设 实践教育的重要性与传统实验室难以满足当前教育需求的矛盾日 益严峻 解决这一矛盾的一个有效途径就是让实验走出传统意义的实验室 脱离真实的物理 设备运行 由于虚拟实验可以脱离时间 地点的限制 易于实现资源共享 节省实验设 备 教学方式灵活 适于发展网上远程教育等诸多优点 使其得到了广泛应用 1 1 虚拟实验概述 虚拟实验可以脱离时间 地点的限制 易于实现资源共享 节省实验设备 教学方 式灵活 适于发展网上远程教育等诸多优点 可以弥补传统实验室的不足 这些因素使 得虚拟实验室得到了广泛应用 1 1 1 虚拟实验室概念 有关虚拟实验室 v l v i r t u a ll a b o r a t o r y 的定义主要有两种 1 在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境 实验者可以像在 真实的环境中一样完成各种预定的实验项目 所取得的学习或训练效果等值于甚至优于 在真实环境中所取得的效果川 2 创造和引导模拟实验的交互环境 即实验场所 2 j 这两种定义侧重不同方向 但都指出了虚拟实验室的本质是通过计算机网络系统 远程控制与交互系统 研究人员和学生将不受时空限制 能随时随地进行虚拟实验操作 共享仪器设备 共享数据和计算机资源 进行协作或得到远程指导等 因此 虚拟实验 室实际上是一种分布式计算机系统 在系统中 配置有共享数据库 数据图书馆 各种 具有遥测 遥控功能的仪器设备以及支持进行科研活动的各种有用工具 总之 虚拟实 验室的目的 就是使科研人员能够更加有效的在全球范围内进行科学研究 提高信息 资源的利用率 提高科研效率以降低科研成本 虚拟实验室的概念一经提出 立即引起各国科研界 产业界的极大兴趣 先后投入 巨额资金 分别在海洋学 天体物理学和分子生物学等领域建造了作为示范工程的虚拟 实验室 开展了一系列探索性研究并取得了突破性进尉 过程控制工程虚拟实验系统的设计与开发 1 1 2 虚拟实验的特点及应用前景 虚拟实验与传统实验相比有着显著优势 是其得以快速发展 广泛应用的必要条件 虚拟实验具有以下3 个特点 1 成本低 计算机仿真型虚拟实验表现尤为明显 这类实验主要依赖于虚拟现实 技术 也就是系统的软件设计 省去了大量传统实验运行所必需的复杂 昂贵的物理设 备和维修费用 大大降低了成本 2 效率高 传统实验受到时间 地点和人数的限制 不能满足日益发展的高等教 育对实践教育环节的要求 虚拟实验可以在任意时间 地点运行且不受实验人数影响 能够实现在线交流和资源共享 大大提高了学习和研究效率 3 易于更新 升级 传统实验的设备更新率跟不上随着科学技术的飞速发展 大 大影响了实验效果和实验者的积极性 虚拟实验只要在软件设计上作些改动就可以实现 更新 升级 能够紧随当代先进科技的发展 保持与时俱进 虚拟实验的特点和决定了其广泛的应用前景 1 计算机网络的普及为远程教育提供了有利条件 目前我国上网计算机已超过 3 0 0 0 万台 而且还将以惊人的速度增长 这个庞大的网络为虚拟实验的普及和发展提供 了便利条件 2 虚拟实验的性能优势 组建虚拟实验必须考虑到选用当今世界上性能优秀的一 流设备 这些设备并不是所有院校都能拥有的 而虚拟实验却能够提供给广大用户使用 一流的设备 3 我国国情适合于发展网上远程教育 我国人口众多 国民平均知识水平相对较 低 由于客观条件的限制 能够进入高等院校接受教育的人数毕竟有限 网上的远程教 育可以满足人们渴望获得知识的要求 为网上虚拟实验远程教育的发展提供了广阔前 景 1 1 3 虚拟实验的研究状况 目前 国外许多大学已经建立起各种各样的虚拟实验系统 研究日趋成熟 但国内 还处于起步阶段 通过阅读总结文献 将各种虚拟实验总结为远程操作型虚拟实验和计 算机仿真型虚拟实验 下面分别介绍其研究状况 1 远程操作型虚拟实验 这类实验的特点是 虚拟实验与实际物理设备有相互作用 通过一定的硬件接口 包括数据采集 反馈 而数据的处理 共享则通过虚拟实验系统实现 调查表明 这种 方式的实验利用了有限的实验室硬件资源 取得到了较好的效果 是目前虚拟实验发展 的重要方向 例如新加坡国立大学的远程控制实验室 4 他们已经开发了六个基于w e b 大连理工大学硕士学位论文 的远程实验 如 带耦合的水槽设备控制实验 5 通过使用m i c r o s o f tn e t m e e t i n g 提 供了视频会话系统 使用者可以一边调整参数一边观看实验的真实运行过程 在文献 6 中 j s d n c h e z 等用j a v a 开发的虚拟及远程控制实验虽然没有视频反馈系统 但它具有 友好的界面和灵活的接口 可以方便地把本地实验转换成远程控制实验 另外 还有一 些需要在用户端安装其它软件才能运行的虚拟实验 如p u r d u e 大学的s o f t l a b 虚拟实验 室 7 提供进行物理实验和数字仿真的环境 当访问者安装一个称为s o f t m e d i a 的软件后 就可以进行远程实验 在文献 8 y p 描述了一个可以远程控制一个具有三个自由度的机器 人手臂的虚拟实验 他们采用u d p 通信协议以及客户一服务器体系结构 但使用时必 须正确设置一个称为x t e r m i n a l 的软件 在文献 9 中 w e r g e s 和n a y l o r 介绍的 网 络化仪器设备使用方法教学 虚拟实验系统则是一个允许多个用户访问并使用各种测试 设备进行测量的网络原型系统 同样 在用户端必须安装一些使用j a v a 编写的软件才能 运行实验 其它相似的实验室可以在文献 1 0 1 2 中访问到 2 计算机仿真型虚拟实验 这类实验的特点是 完全依赖于虚拟环境 包括一定的硬件作为基础 实现其功能 只与使用者发生相互作用 不与现实环境发生交互 是物理设备及实验过程的软件仿真 可以看成是一种生动的交互演示 可以通过网络来访问 物理结构简单 开发的主要硬 件设备就是连接到i n t e m e t 的服务器 国内的虚拟实验多属于这种类型 例如 文献 1 3 中提到的同济大学建筑学院的虚 拟现实实验室 主要是对建筑景观 结构进行仿真 中国科技大学运用虚拟现实技术在 物理实验方面有着丰富的经验 已经形成了比较成熟的产品 如 基于本地的大学物理 仿真实验软件 广播电视大学物理虚拟实验 几何光学设计实验平台 大学物理虚拟实 验远程教学系统等 西南交通大学在工程漫游方面 开发出了一系列具有国际水平的计 算机仿真和虚拟现实应用产品 在城市规划仿真 驾驶员培训仿真方面尤为突出 国外 的典型代表如爱丁堡大学的虚拟控制实验系统 l4 1 该系统为学生演示过程控制的基本概 念 包括几个典型实验 每个实验都带有一些理论描述和真实设备的图片 学生可以输 入参数并仿真闭环系统 仿真结果可以返回给学生 c s c h m i d a a l i 开发的基于w c b 的控制工程教育系统是一个远程教育环境 一个以虚拟实验为主的远程教育环境 1 5 1 虽 然这一系统为学生提供了友好的学习环境 但需要在用户端安装各种附加的软件 目前 经常采用的一种方法是把用j a v a a p p l e t 编写的实验 包括实验界面和仿真算法 嵌入到 网页中 通过这种方法 用户端只需一个浏览器无需再加载其它软件即可运行仿真 但 编程的难度较大 因为用j a v a 编写实验仿真算法并不是一件容易的事 尤其是开发大型 实验 因此 这种方式常被用来开发一些相对简单的 交互程度要求不高的演示性实验 过程控制 r 程虚拟实验系统的设计与开发 如j o h n sh c p k i n s 大学为了配合 什么是工程 课程的学习而开设 虚拟实验 网站 就 是由一些用j a v aa p p l e t 开发的演示性实验组成 1 2 虚拟实验实现方法比较 1 2 1 基于交互式f i a s h 技术的网络虚拟实验的实现方法 f l a s h 作为一种矢量多媒体技术是为创作网络交互式动画所开发的 由于其采用了 矢量图形技术 所生成的动画体积很小 可直接在网络上运行 f l a s h5 0 和f l a s hm x 版本中的脚本语言 a c t i v e s c r i p t 功能大大增强 通过编程可开发出交互式网络动画 a c f i o n s c r i p t 是一种面向对象的脚本语言 这就意味着 当特定的事件发生时动作控制 着对象 这种特性特别适合交互式动画的设计 该技术用于网络虚拟实验的开发具有开 发速度快 界面美观视觉冲击效果强 体积小 不需要安装 可直接在浏览器中进行操 作 图形可无级放大不失真等特点 但是采用f l a s h 技术所建立的虚拟实验室在真实感 和功能方面尚有不足 1 2 2 基于a c tjv e x 技术的网络虚拟实验的实现方法 a c t i v e x 技术是m i c r o s o f t 为适应网络发展的需要而将o l e 技术在i n t e r n e t 上的重定 义 a c t i v e x 技术是通过构建a c t i v e x 控件进行应用的 而a c t i v e x 控件是基于c o m 和 d c o m 模型的通用组件 分为通用性控件和专业性控件 可以利用v b v c d e l 口 l i b u i l d e r 等任何一种支持c o m 规范的开发工具来进行a c t i v e x 控件的开发 其开发过程 与传统应用软件开发过程相似 所以生成的自定义a c t i v e x 组件功能强大 可以采用 v b 编程语言作为开发网络虚拟实验室的工具 这种方法实现的v l 实际上就是依据一 定数学模型关系而建立的专业性a e t i v e x 控件 能够完成特定的任务 利用a e t i v e x 技 术建立的v l a e t i v e x 组件 需要编译成网络发行文件包 并进行数字化签名 通过镶嵌 在网页中运行 在客户端第一次运行时 需要在注艇表中进行注册 给不熟悉的用户的 使用带来不便 1 2 3 基于v r m l 技术的网络虚拟实验的实现方法 v r m l 即虚拟现实建模语言 v i m l a l r e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e 于1 9 9 4 年提出 v r m l 具有相对简单易用性 完善的外部接口 真正的三维效果等特点 v r m l 是第二 代w e b 上的关键技术 是一种三维场景的描述性语言 也是在i n t e m e t 网上实现虚拟 现实的关键性技术 它的基本原理是用文本信息描述三维场景 在i n t e r n e t 网上传输 在本地机上由v r m l 的浏览器解释生成三维场景 解释生成的标准规范即是v r m l 规 范 正是这种思想使得在i n t c r n e t 上传输很少的数据 就可以在w e b 上实现三维虚拟 大连理工大学硕士学位论文 场景浏览 前面介绍的两种技术和v r m l 技术之间的关键区别在于v r m l 可以生成网 络上的三维场景 并且在这个虚拟的三维场景中可以实现人机的 动态交互 虽然j a v a 技术现在支持三维场景的创建 但是使用j a v a3 d 创建虚拟场景是很困难的 和v r m l 相比它的开发周期较长 也没有v r m l 技术那么成熟 在i n t e m c l 上用v r m l 实现虚 拟现实交互的好处是 丰富了媒体表现形式 协同工作角色的可视化管理 改善了协同 环境的用户界面 增强了协同环境的交互性 可见 将v r m l 融合到网上虚拟实验的 开发过程中 既可以增强表现力和用户的接受力 又可以实现较好的协同工作虚拟化环 境 因此本系统的开发就采用了这种技术 v r m l 技术适宜构建虚拟实验中的所谓 硬 件 部分 在实验数据计算仿真方面尚有不足 我们可以通过使用m a t l a b s i m u l i n k 软件 进行计算仿真弥补这方面的不足 从以上讨论可以看出3 种方法各有特点 选择何种方法构建虚拟实验室需要根据设 计目标来确定合适的实现技术 当设计的功能比较强大时 a c t i v e x 技术可能是首选 如果强调视觉效果 增强系统的逼真性时 v r m l 技术具有不可取代的地位 而强调界 面动画生动时 则非f l a s h 技术莫属 下表1 1 从各方面对3 种技术构建的虚拟实验室 进行了对比 1 7 1 本文开发的虚拟实验系统用v r m l 虚拟现实建模语言进行实验设备及实验环境的 三维建模 实现了实验室虚拟环境的构建 通过实验室中基于p r o f i b u s 现场总线的监控 系统 设计了二阶水槽系统建模数据采集实验 并利用m a t l a b 进行建模及液位的控制 仿真 将二者结合起来构建了过程控制虚拟实验系统 表1 1 虚拟实验构建方法对比 t a b 1 1t h ep r o p e r t yo f v i r t u a le x p e r i n l e n tb u i l d i n gm e t h o d sc o n t r a s t 过程控制工程虚拟实验系统的设计与开发 1 3 本课题研究的主要内容 作者所在的过程控制工程实验室的四套综合实验装置采用p r o f i b u s d p 现场总线技 术构成了以s 7 3 0 0 为控制器的分布式监控系统 可以实现控制工程的二阶水槽液位单 回路控制 串级控制 比值控制等实验 本文以该实验室为背景 设计了基于b s 结构 的虚拟实验系统 采用v r m l 语言进行三维实体建模 从而构建了接近实际实验室的 虚拟实验环境 本文利用实验室的分布式监控系统进行数据采集 在m m l a b 中进行了 二阶水槽的建模与控制仿真 由遗传算法实现了对控制器参数的优化设计 通过实际实 验过程与虚拟实验过程的对比 充分显示了虚拟实验的特点与优势 此外 通过该系统 实现了d m c 控制算法的仿真验证 论文内容安排如下 第一章绪论 本章介绍了课题的研究背景 虚拟实验的相关概念 研究状况及主 要开发方法及其对比 第二章虚拟实验系统分析与三维模型设计 本章介绍了对过程控制工程虚拟实验 系统的分析 提出了虚拟实验系统的总体结构 通过i n t e m e t 网 采用b s 结构远程进 行虚拟实验 详细阐述了采用v r m l 语言对实验设备及实验场景的三维建模过程 第三章系统的过程建模 仿真及参数优化 本章介绍了利用实验室的分布式监控 系统进行建模数据采集的实验设计及对实验数据的分析 根据所得到的实验结果 在 m a t l a b 中进行了二阶水槽系统的建模 控制仿真设计 通过与实际控制效果的对比 验 证了模型与仿真的有效性 此外 由于遗传算法是一种并行随机搜索最优化方法 本文 选择它作为p i d 参数优化的算法工具 对所得的二阶模型进行了优化p i d 参数的控制验 证 提高了实际过程中p 1 d 参数的整定效率 第四章虚拟实验系统的实现与应用 本章在第二 第三章的基础上 将虚拟实验 场景与m a t l a b s i m u l i n k 的计算仿真过程连接起来 实现了生动逼真 有如身i 临其境且交 互性强的三维虚拟实验平台 以二阶单回路过程控制工程虚拟实验为例 说明了虚拟实 验过程 通过实验验证了虚拟实验所具有的优势 节省了实验时间 减轻了实验重复强 度 此外通过时间与地点上相对自由的虚拟实验 将会激发学生通过虚拟环境进行学习 研究的兴趣 大连理工大学硕士学位论文 2 虚拟实验系统分析与三维模型设计 构建虚拟实验系统 需要在总体分析的基础上 选择虚拟实验场景的开发工具 进 行实验设备的建模及实验场景的逼真虚拟 本章提出了虚拟实验的系统结构 通过 i n t c r n v t 网 采用b s 结构远程进行虚拟实验 详细阐述了采用v r m l 语言设计虚拟实 验设备及实验场景的过程 2 1 体系结构分析 2 1 1 0 s 模式与8 s 模式 目前比较流行的网络体系结构是c s 模式与b s 模式 c s 模式是一种两层结构 2 t i e r 它将系统分为客户端和服务器端两个部分 客户端通过运行在其上的应用程序 向服务器发送请求 服务器根据请求对数据库进行相关操作 并向客户端返回应答结果 近年来 随着网络技术的不断更新 导致很多应用系统的体系结构从c s 结构向更灵活 的多级分布结构演变 使得软件系统的网络体系结构跨入了一个新阶段 即b s 模式 b r o w s e r s e r v e r 浏览器 服务器 基于w c b 的b s 模式是一种特殊的客户机 服务器模 式 它是由传统的两层c s 结构发展而来的三层结构 3 t i e r 在w 曲上的应用特例 这 种三层结构将表示层 p r e s e n t a t i o n 功能层 b u s i n e s sl o g i c 数据层 d a t as e r v i c e 进行 了明确的划分 使其在逻辑上独立 1 8 2 4 l 2 1 2 本文选择的方案 表2 1 详细对比了b s 与c s 体系结构的特点 由表中b s 模式与c s 模式的比 较可知 三层的b s 模式具有许多c s 模式无法实现的优点 并且b s 模式与不断发展 的w 西技术紧密结合 非常适合构建开放性系统 本文设计的虚拟实验系统就采用了 这种如图2 1 所示的三层b s 模式来实现过程控制工程虚拟实验的开发 图2 1 过程控制虚拟实验系统结构图 f i g 2 1 p r o c e s sc o n t r o lv i r t u a ll a bs y s t e ma r c h i t e c t u r e 用 户 过程控制工程虚拟实验系统的设计与开发 b s 结构将应用功能分成三个组成部分 表示层 功能层和数据层 三层b s 的解 决方案是 对这三层进行明确分割 并在逻辑上使其独立 原来的数据层作为数据库管 理系统已经独立出来 将表示层和功能层分离成各自独立的程序 并且这两层间的接口 简洁明了 在b r o w s e r s e r v e r 三层体系结构下 表示层 功能层 数据层被分割成三个 相对独立的单元 2 5 2 6 1 表2 1 体系结构模式对比 t a b 2 1 c o m p a r i s o nt a b l eo f a r c h i t e c t u r em o d e 这种基于w w w 的三层计算模型是请求驱动的 即只有当客户端请求时才提供服 务 在该方案中 用户只需拥有常规的网络浏览器和用于浏览v r m l 场景的v r m l 插 件即可进行操作 易于实现 系统界面采用v r m l 语言编写 对实验模型的仿真计算 部分由m a t l a b s i m u l i n k 实现 根据实验者设计的控制方案及控制参数对过渡过程进行仿 真 仿真的动态过程通过m a t l a b s i m u l i n k 与v r m l 的接口输出到v r m l 界面 以三维 动画形式表现动态过程 2 2 虚拟实验系统目标分析 2 2 1 功能要求 根据过程控制的教学与实验要求 在计算机上创建的控制工程虚拟实验平台 应该 能够实现控制工程的虚拟实验 能进行控制系统的工程设计与分析 并为控制工程实验 多媒体教学提供一个界面友好 功能完善的计算机辅助环境 对系统实现功能提出以下 几点要求 大连理工大学硕士学位论文 1 人机界面友好 交互性强 结果可视化 具有多次或重复运行的控制能力 可 以显示过渡过程曲线 2 虚拟实验过程中 除了系统的参数需要通过键盘输入以外 其他的工作由服务 器自动完成 3 对绘图窗口中的图形 或曲线 可以进行定量分析 系统参数 输入数据 设计 与实验结果可以保存下来 为完成作业 撰写实验报告提供素材 2 2 2 内容要求 根据虚拟实验和网络操作的综合要求将系统划分为两部分 1 虚拟实验整体环境 构建逼真三维效果的空间场景和实体 这些场景和实体与 真实世界的几何特征和物理特性基本相同 提供实验环境和进行实验操作的虚拟空间 实验者在进行实验时 能够体验到具有基本真实感的三维视觉空间 本虚拟实验室需要 进行建模实验场景包括整体环境 墙壁 地面 顶棚 灯光 及实验装置等 实验环境构建包括静态元素和动态元素 静态元素 首先是对虚拟空问的显示 主要指宏观场景的展示 包括室内和室外环境 室内环 境指一般的建筑特征 如地面 墙壁 屋顶等 和装饰特征 如工作台等的基本摆设和 所有实体的外观效果 也包括一般虚拟空间中的少量交互功能 如实验室门的开启 窗 户动作等 另外还有实验元件和实验设备的显示 动态元素 包括实验设备的数据显示和实验过程的控制 虚拟空间中的器材与客观世界中一 样 除具有相似的外观 也具有相似的动态效果 如液位的升高和降低 电动阀开度的 增加和减小等效果 使实验者在虚拟空间中所获得的操作知识和经验可以用于实际器材 的操作 实验过程是人在虚拟空问中与实验实体的相互作用 在本系统中 这一过程的 显示效果包括了液位的升降及数值变化 阀位的升降及反馈数值变化 变送器的输出电 流值变化 及改变初始状态时液位及阀位的相应变化 2 虚拟实验过程 这部分是虚拟实验实现的关键 是虚拟实验的主要功能部分 虚拟实验过程应该与实际实验过程类似 能够改变参数设置 在后台运行仿真程序 将 仿真的动态过程反馈到虚拟实验的画面上 并记录过程曲线 供使用者查看 3 其他辅助功能 系统还应包括实验者登录身份验证 实验选择 填写及提交实 验报告 帮助文件及虚拟实验运行必需的插件下载等 9 过程控制t 程虚拟实验系统的设计与开发 2 2 3 性能要求 对于系统应该具备的性能提出以下几点要求 1 虚拟现实的真实性 虚拟现实的真实性包括空间特征的真实性 物理特性的真 实性和交互方式的真实性 完全实现这三类真实性不但不可能 而且还会对系统某些功 能的实现产生影响 所以应该基于系统功能和软硬件平台适当实现虚拟现实的真实性 2 运行速度和图形效果 系统应用于网络环境时 其速度受网络传输速度和图形 渲染速度的影响 这两个因素分别取决于网络条件和实验者机器的配置 都是系统无法 控制的 为了提高速度 应该尽量控制软件的规模 3 可移植性 要求系统在移植到其它平台上尽量少或不进行改动 如操作系统可 适应w i n d o w s2 0 0 0 u n i x l i n u x 等 浏览器可适应i e n e t s c a p e 等 4 可扩充性 这包括两个层次的含义 在功能层次上 要求系统可以扩充新的设 备 新的算法以及新实验 在设计模式层次上要求系统的设计开发过程可以总结为一个 通用的设计模式 以应用于其它虚拟实验的开发 2 3 过程控制工程实验介绍 2 3 1 过程控制综合实验装置工艺流程简介 过程控制实验室的主要实验设备是四套综合实验装置 这四套装置采用p r o f i b u s d p 现场总线技术与上位机构成了分布式监控系统 过程控制综合实验装置的工艺流程图如 图2 2 所示 图中水槽l 和水槽2 构成了一个二阶被控对象 水槽4 为储水槽 是为形 成水的循环而设置的 储水槽4 中的水通过水泵抽出 经过节流元件 一路为孔板 一 路为阿扭巴 手动阀和电动执行器后 流入水槽1 再经过水槽l 底部的手动出水阀 流入水槽2 最后经其出水阀流回储水 槽 利用该系统 可以分别完成如下常规教学实验 一阶 二阶单回路控制系统及其质 量研究 液位一液位和液位一流量串级控制系统 比值控制系统等 除此之外 还可以 以在此装置上完成各种控制方案及优化算法的验证 实现上述工艺流程需要的设备包括 p l c 电动阀 手动阀 差压变送器 节流元 件 二阶水槽 泵等一系列现场设备及连接管件 2 3 2 实际控制工程实验的特点 过程控制工程是自动化专业的 1 7 主干课程 由于它具有很强的工程实践性 其配 套的实验课程是学好这门课的一个重要环节 它可以使学生在理论学习的基础上 通过 实验教学环节进一步加深对所学理论知识的理解与掌握 进一步了解各种过程控制系统 大连理工大学硕士学位论文 的构成 特点及适用场合等内容 并初步掌握常用过程控制系统的设计 实施 投运及 图2 2 综合自动化装置工艺流程图 f i g 2 2 t h ep r o c e s sf l o wd i a g r a mo f t h ei n t e g r a t i n ga u t o m a t i ce q u i p m e n t 参数整定方法等 与此同时 可以进一步培养学生运用所学理论知识分析与解决实际问 题的能力 然而传统的实验有很多局限性 例如 时间地点约束性强 容纳人数有限 设备更 新率低等 这些都是传统实验的共性 对于过程控制实验而言 它又有自身的独特性 例如每次实验进行之前需要寻找初始工作点 工作点的建立需要花费大量时问 等待系 统达到初始稳态也是一个漫长的过程 电动调节阀有一定误差 不便于作出精确的计算 和分析 被控对象的过渡过程时间长 一次实验只能得到2 3 组控制曲线 不利于对系 统的控制质量进行分析对比 为了解决上述问题 本文设计并开发了过程控制虚拟实验系统 虚拟实验系统是基 于计算机仿真的 不受时间 地点 人数限制 便于资源共享和在线交流 大大提高了 学习和研究的效率 构建虚拟实验室的成本比传统实验室低很多 仅仅是一些软件的费 用和必要的材料费用 省去了大量传统实验运行所必需的复杂 昂贵的物理设备和维修 费用的问题 基于仿真的虚拟实验更新 升级容易 过程控制t 程虚拟实验系统的设计与开发 2 4 虚拟实验三维模型的设计 2 4 1 v r m l 语言概述 虚拟实验实体模型以实验室整体环境和内部实物为准 采用v r m l 语占进行开发 v r m l 即虚拟现实建模语言 v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e 于1 9 9 4 年提出 v r m l 具有相对简单易用 完善的外部接口 真正的三维效果等特点 目前 v r m l 标准是唯 一一个采用h t m l 方式发布的标准 这充分反映了v r m l 技术的广泛认可和开放性 2 7 v r m l 用类似h t m l 的标记文本语言来描述三维场景 用户需要浏览由v r m l 描述的 虚拟场景时 由服务器通过i n t e m e t 将描述场景的文本传送到本地 一般来说 文本描 述镶嵌在w e b 页面中 在浏览器请求相应页面时与页面描述文本一起传送到本地 描 述虚拟场景的数据传送到本地后 v r m l 浏览器读入v r m l 代码文件并把它解释成一 图像映像 动态的生成虚拟场景 本文用v r m l 开发的实验环境与实体非常生动逼真 使用户有身临其境的感觉 创作工具l 匝塑豳 构建 题圃 鸯 咂巫巫 3 d 造型 动 画 交互 图2 3v r m l 工作方式 f i 9 2 3v r m lw o r k i n gm o d e 客户端呈现于 交互 v r m l 的工作方式如图2 3 所示 用文本信息描述三维场景 在i n t e m e t 网上传输 在本地机上由v r m l 浏览器解释生成三维场景 这种工作机制 使其在网络应用中有 很快的发展 正是由于文本描述的信息在网络上的传输比图形文件迅速 所以当初 v i l m l 的设计者们避开在网络上直接传输图形文件而改为传输图形文件的文本描述信 息 把复杂的处理任务交给本地机来完成 从而减轻了网络的负担 v r m l 是用a s c i i 文本格式来描述世界和链接的 这就保证了在各种平台上的通用性 从而降低了数据量 使其在低带宽的网络上也可以实驯2 7 1 v r m l 的应用平台是i n t e m e t 和本地客户系统 这种应用极大地扩展了其应用 如 工程与科学 可视化计算 多媒体 共享式v r 系统以及教育等 根据平台要求 v r m l 的运行方式有以下两个特点 1 需要插件参与 v r m l 系统的浏览仍然需要插件参与 这个问题可以通过在相 大连理工大学硕士学位论文 关站点设置v r m l 浏览器插件下载链接 需要浏览器发挥作用的时候 提示用户下载 即可 2 平台环境无关 v r m l 系统应能应用于各种类型的系统 具有较强的可移植性 和可升级性 当今的i n t c r n e t 是异构型网络 各个厂家的各个机器都连接于上 因此 如果一种语言对各种机器没有统一的运行机制 它显然是不适合i n t e r n e t 的 v r m l 成 功地解决了这个问题 它提出了一种新思路 即基于文件的运行机制 用该语言编制的 程序不必经过任何的编译 连接等处理 需要显示虚拟场景时 文件从网络实时传输过 来 由浏览器对该文件进行分析显示 所以只要机器配备了v r m l 浏览器 就可以浏 览从网络上传输过来的虚拟场景 由于v r m l 不涉及具体实现以及硬件 x o l m l 最有希望成为构建虚拟现实系统的 通用性基础构架 在这个意义下 v r m l 可以同时作为在虚拟现实系统分析和设计的两 个工具 1 真实世界的建模工具 v 1 l m l 可以作为一种形式化描述语言 对于采用模糊自 然语言表达的系统通过建模 从而实现对系统确切的 通用的形式化描述 经过形式化 后的系统模型即可直接用于计算机程序设计和编程 2 v r 虚拟现实 模型的实现工具 v r m l 同时可以作为一种编程工具 实现包括 场景图 用户交互以及后台计算的程序 构造一个具有完整功能的虚拟现实系统 2 4 2v r m l 场景的优化策略 本文设计的三维实体模型有很多不规则形体 整体场景比较复杂 因此还必须考虑 两点因素 v r m l 文件的大小和场景的渲染速度 v i l m l 文件的大小对场景的影响有以 下两点 服务器与浏览器之间的传输时间和场景载入浏览器的时间 渲染的速度则直接 影响浏览者浏览的速度 速度过低将使场景失去真实感 所以在创建场景的同时须考虑 对场景的优化 矧 本节结合编程过程对x i l m l 文件优化方法作以总结 1 缩小文件长度 利用d e f u s e 和p r o t o 对实例进行重用 在场景中对于重复使用的造型 可以采用d e f u s e 结构 在第一次使用时 用d e f 将其命名 随后用u s e 按该名称 进行调用 与d e f u s e 相比 p r o t o 节点 原型结点 的使用更需要对场景进行组织 我们可先定义某一类物体的一个原型 然后通过指定其具体属性将其实例化生成一个对 象 例如 实验室内有8 个电动调节阀 它们的造型相同 只是位置不同 可以先将基 本造型定义为v a l v e 节点 然后通过在适当位置采用实例化v a l v e 的办法将大量重复的 代码简化 过程控制t 程虚拟实验系统的设计与开发 消除空白间隔 v r m l 文件是按文本方式保存的 也就是说所有的空行 空格 都被保存下来 增加了文件的长度 但浏览器在解释v r m l 程序时并不需要 所以不 必要的空格应该删除 但并不是所有的空格都应该删除的 必要的空格使文件易于读懂 另外必要的注释也应保留 数据的优化 场景达到一定规模时 其数据量是相当大的 数据的存储与运算 也变得十分繁重 因此有必要对数据进行优化 数据优化的一种方法是对数据取整 另 一种方法是对数据固定精度 多余的部分将被删除 尽量使用简单节点造型 如b o x s p h e r e c o n e c y c l i n d e r 等 使用这些节点 可以节省传输时间 同时某些浏览器对这些节点作了优化处理 压缩文件 对于纹理文件 可采用j p e g 或