国际自动控制联合会：虚拟远程实验室学习控制理论与直流电机在莱昂大学的应用

第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年直流电机的虚拟远程实验室胡安·J Fuertes，Seraf'ınAlonso，A ntonioMo r'an，MiguelA. Prada，Serg'ıoGarc'ıa，Carlosdel CantoSUPPRESSresearchgroup，莱昂大学，工程学院-CampusdeeVegazana，Le'on，24007，Spain. （电子邮件地址：jjfuem@unileon.es）。翻译后摘要：虚拟和远程实验室是很好的教育工具，让学生和教授模拟，并以同样的方式与设备进行交互，如果他们是在真实的实验室的人。在这项工作中，我们提出了一个虚拟的，远程实验室学习控制理论与直流电机。根据Automatl@bs项目的指导方针，该实验室使用EasyJava Simulations（EJS）环境进行编程它已被纳入莱昂大学自动控制远程实验室（LRA-ULE），其中基于Drupal的控制管理系统（CMS）有助于集成和管理任务。物理设备是反馈MS-150，广泛用于自动控制的入门课程。其模块化功能允许连接模块轻松执行速度，位置或双反馈控制回路。远程访问通过配置EJS和LabVIEW之间的链接来执行，该链接用于从连接到设备的采集卡PCL-812 PG关键词：虚拟和远程实验室;电子学习;反馈; EJS; LabVIEW;直流电机;1. 介绍远程和虚拟实验室（Ma和Nickerson，2006年; Gillet等人，2005 ），允许用户使用真实系统的交互式模拟（Fishwick，1996），并通过互联网管理设备，就好像它们就在他们面前一样（Nedic等人，2003年）。它们对学生来说非常有吸引力和灵活性，他们可以更好地理解他们必须执行的实验（Lindsay 和Good，2005; Kazmer和Haythornthwaite，2005）。Le'on大学自动控制远程实验室（LRA-ULE）（Dom'ınguez等人，2005年，2008年）是一个面向研究和教育的实验室。从教育的角度来看，其目的是为教授和学生提供一套工具，帮助他们教和学。该实验室通过互联网远程提供工业设备。该系统的工业性质是LRA-ULE相对于其他实验室的独特特征，专注于教育设备的管理。然而，我们认为，教育设备构成了理论内容与其在行业中的应用之间的这就是为什么我们开始在实验室增加教育设备的原因。这项工作源于西班牙自动控制委员会（CEA）在工业工程领域，特别是系统工程和自动控制领域所他们的目标是改变自动控制学科课程背后的教育模式（Dormido，2004年;Guzm 'an等人，2010年）。这些举措一直集中在大学间的网络，如DocenWeb（通过Web控制的教育网络或e-Autom'ati ca（教育网络，通过虚拟和远程实验室的集成，在自动控制教育中引入信息技术），不同的研究小组在远程和虚拟实验室领域分享和补充他们的经验。在这些大学间网络开展的活动中，Automatl@bs项目（Vargas等人，2011年，他脱颖而出。它包括来自不同西班牙大学研究小组的七个虚拟和远程自动控制实验室该网络提供分布在西班牙各地的10个物理系统，可以从提供访问控制和内容管理的公共环境在2008-2009年和2009-2010年的课程中，进行了几次交叉体验，涉及所有大学的150名学生在Automatl@bs项目中，用于开发模拟和远程访问物理系统 的 软 件 是 EasyJavaSimulations （ EJS ）（Esquembre，2004年; S'an chez等人，2005年）。它是一个非商业性的工具，允许开发轻松的交互式模拟，并结合工具来编程远程访问。根据暴露的背景，这项工作的目的 是 建 立 一 个 虚 拟 和 远 程 实 验 室 ， 在 EJS 开 发 的Automatl@bs项目的指导方针，以学习控制理论与电机。使用的设备一直反馈MS-150，一个模块化系统，以控制直流电机，广泛用于教育。其他作者也决定通过虚拟或远程 实 验室 提 供 直流 电 机 ，用 于 他 们的 入 门 控制 课 程（Yeung和Huang，2003; Peek 等人，2005; Pastor等人，2005年）。© 2012 IFAC 288 10.3182/20120619-3-RU-2024.000402012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会289+150-15+150-15+150-15+15-15设定点OA150APID150Y+150-15DCM150FSA150D-15+15GT150X0IP150HAU150BPA150C速度反馈位置反馈OP150K设定点IP150H图1.一、反馈MS-150模块的链接和控制回路框图本文的结构如下：第二节，我们简要介绍了模块化物理系统Feedback MS-150。第3节介绍了如何使用EJS开发反馈MS-150的模拟。对直流电动机的位置、速度和双反馈控制回路进行了第4节描述了对物理系统的远程访问最后，结论在第5节中给出2. 直流电动机系统反馈MS-150是一个模块化的实验室设备，广泛用于研究控制方法与电动机。为了定义特定的控制方案，只需要适当地组装设备的模块。主模块是直流电机，而其余模块是用于定义反馈回路的辅助模块模块如表1所示在这项工作中，我们构造了三个控制回路来研究相应的反馈效应：直流电机的位置控制，使用连接到电机轴上的电位计作为反馈回路中的传感器直流电动机的速度控制，使用连接到电动机轴上的测速发电机作为反馈回路中的传感器，并使用PID模块作为控制算法。双反馈回路（位置和速度），提高直流电机的位置控制图从图1中可以看出，反馈MS-150模块是如何在位置控制回路中，位置基准由输入电位器单元（IP 150 H）设置，位置传感器由输出电位器单元（OP 150 K）设置，误差信号由输入电位器单元（IP 150 H）设置。通过运算放大器单元（OA 150 A）减去位置参考和位置传感器的输出获得。PID控制由PID单元（PID 150 Y）执行，其输出连接到前置放大器输入（PA 150 C），前置放大器输入又连接到直流电机DCM 150 F。在双反馈回路中，增加了一个速度内环。在这种情况下，速度传感器是减速齿轮转速单元（GT 150 X）和衰减器单元（AU 150 B）调节速度。最后，速度控制回路与位置控制回路相同，除了反馈信号连接齿轮转速单元（GT 150 X）和运算放大器单元（OA150 A）。3. 虚拟实验室反馈MS-150系统的交互式模拟使用EJS环境在Java中编程。EJS环境提供了三个工作面板，让我们可以轻松地构建模拟第一个小组，叫做OA150A+-PA150C+-位置OP150KPAU150BGT150X速度直流电机公司简介执行器SA150DPIDPID150Y···2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会290模块名称型号模块化伺服教学伺服系统DCM150F电源单元PS150E运算放大器单元OA150A伺服放大器单元SA150D前置放大器单元PA 150C衰减器单元AU150B直流电机单元DCM150F输入电位器单元IP150H输出电位器单元OP150K减速齿轮转速单元GT150XPID单元PID 150Y附件控制接口33-301表1.反馈模块。描述，允许我们编辑简要解释模拟的文本第二个工作面板称为模型，是最重要的一个，因为它有助于定义描述系统性能的模型。第三个面板称为View，用于包含表示仿真中的物理模块的必要图形组件。由于模拟被添加到LRA-ULE中，如第4节所述，因此说明被包括在相关网页中。因此，我们只包括“描述”面板中的简短描述性文本。“模型”面板包含五个子面板。第一个是变量子面板，其中定义了反馈模块涉及的所有变量和参数（输入、输出和内部操作变量）。第二个子面板是“变量”子面板，其中初始值被分配给变量。此子面板保持模块的状态，以允许恢复模拟。第三个子面板是“演化”子面板，其中定义了系统行为。在这个子面板中，介绍了描述反馈模块的数学方程，直接作为微分方程或通过Java代码。第四个子面板是固定关系子面板，其中模块的输出变量链接到下一个模块的输入变量。最后，第五个子面板是自定义子面板，其中编写Java方法以控制视图面板中使用的反馈模块的移动部分仿真开发的关键点是正确编程Evolution子面板中的方程，该子面板定义了每个模块的动态性能这些公式可从制造商文件中获得反馈系统的中央模块的模型直流电动机（DCM 150F）由两个方程给出：在“视图”面板中，嵌入的图像用于显示每个模块，这些模块由真实模块的不同部分的几张图片在便携式网络图形（PNG）格式是用来提供更大的现实主义的模拟（透明度功能）。这种格式允许我们堆积图像，并使反馈模块移动部件的可视化更容易。图像之间的相对运动，即，模块的不同部分为模拟提供了与真实模块相同的运动这项工作的重点是开发三个具体的模拟，对应于三个控制回路，使用几个链接的反馈MS-150模块。图2显示了与位置控制回路相对应的虚拟实验室的屏幕截图环境主要分为三个不同的区域。左侧区域显示了模块及其链接的图形表示，用户可以使用模块的图像直接与该区域的模拟进行交互（控制和可视化）在右上角，有一个面板容器，其中包含三个选项卡（位置，速度和双精度）中的每个选项卡的两个图表。根据所选的控制回路，它们中只有一个同时处于活动状态其中一个图表显示设定点和受控变量（在本例中为输出电位计的位置），另一个图表绘制由PID算法计算的控制动作。在右下角，提供了几个控件。例如，滑块允许用户修改设定点和PID参数，按钮允许用户控制模拟的执行。请注意，在顶部，菜单栏启用语言更改、下载采集数据（作为逗号分隔值文件）和控制循环选择。其余控制回路（速度和双倍）的环境类似，除了左侧区域显示的模块组装虚拟实验室中的建议活动包括设定点更改、PID参数调整、响应可视化和识别、直流电机不同控制回路的比较、在线数据分析等。与真实设备的远程连接将在下一节中进行描述（第4）。因此，可以比较实际和理论的反应。要在模拟模式和远程连接之间切换，只需单击界面右下角的Connect（连接）按钮。此外，远程连接的状态显示在下面。4. 远程实验室⎧⎪⎨di（t）LDT+ R·i（t）+Kmω（t）= v（t）dω（t）（一）利用Automatl@bs的经验，开发了一种类似的架构，以实现对Feedback MS-150的远程访问。为施行本款规定Kti（t）=J+Bω（t）DT采取了以下步骤• 设计一个采集系统来捕获信号其中，直流电机输入电压v（t）是模块输入，电机轴的角速度ω（t）是模块输出，t是时间。 L、R、KT、Km、J、B分别表示直流电动机的电感、电阻、转矩常数、电动势常数、转动惯量、摩擦系数。变量i（t）表示直流电机电流。从反馈设备。在LabVIEW（National Instruments，2003）中编写虚拟仪器程序，从采集系统中采集（读写）数据。此外，虚拟仪器还必须实现三种类型的控制回路（位置、速度和双回路）和PID算法。·2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会291± ±±±Σ∫Σ±+150-1533-301PCL 812PG卡+150-15DCM150FSA150D-15+15GT150X+150-15PA150C速度反馈位置反馈OP150K图二.用EJS仿真直流电动机。为了开发使用JIL（Java-Internet-LabVIEW）服务器与VI通信的EJS接口（Vargas等人，2009年）。要将EJS接口添加到LRA-ULE Web，一个小程序，这样用户就可以远程控制和监控设备，一旦模拟已经执行。用于采集反馈设备信号的采集系统由研华公司生产的采集卡PCL-812 PG组成。这种多功能模拟和数字I/O设备满足要求。它具有以下技术特点：16路单端模拟输入，具有12位分辨率、32 kS/s采样速率、不同通道增益和（10 V、5 V、2 V、1 V）可编程范围。2个双总线模拟输出，12位分辨率，lution，不同的通道增益和（0-10，0-5 V）可编程范围。• 16个TTL数字输入通道。• 16个TTL数字输出通道。• 1个16位分辨率的可编程计数器/定时器该卡直接连接到主板的一台电脑I/O引脚通过卡中的4个连接器分布。其中一个对应于模拟输入，另一个用于模拟输入/输出，另一个用于数字输入，最后一个包含数字图3. 用于远程连接的模块组装这是必要的，以实现三个控制回路使用一个独特的组件。为此，必须如图所示3. 模块33-301作为接口，读取OP150 K电位计的位置信号和GT 150 X测速发电机的速度信号，并将控制动作写入PA 150 C前置放大器。控制作用来自PID算法，由计算机运行。前置放大器连接到SA150D伺服放大器，后者又驱动直流电机。在LabVIEW（National Instruments，2003）环境下编写了虚拟仪器程序，从PCL-812 PG采集位置和速度信号，并根据所选的控制回路（位置、速度和双闭环）计算相应的PID算法。然后，PID输出再次写入卡中。这个VI是由计算机运行的。一个VI包括一个前面板，其中图形用户界面的设计，和一个框图，其中的功能进行编程。在这项工作中，前面板几乎没有相关性，因为远程用户界面是使用EJS开发的。相反，在框图中驻留的主要功能，如采集和计算的控制回路。采集环采用研华提供的驱动程序库访问卡，采样周期为100 ms，实现故障管理。已创建控制以引入设定点、PID参数（增益、积分和微分时间）、控制回路选择器等的新还增加了指示器来监控控制信号，如位置、速度、误差、动作控制等。PID算法是根据ISA规范开发的：产出在该工作中，仅第二连接器CN 2用于从设备捕获数据。此连接器由20个引脚组成。u（t）=P+I+D=Kpe（t）+1e（t）dt+T TiDde（t）（2）DT由于反馈设备中的信号电压在-15 V和15 V之间，PCL-812PG卡的为此，使用反馈33-301模块。它有6个模拟输入（其中只有两个将用于位置和速度信号）和2个模拟输出（其中只有一个将用于动作控制信号）。该模块允许我们调整每个通道的增益和操作设置。两个输入通道设置在模拟控制接口33- 301通过CN 2连接器连接到采集卡PCL-812 PG其中，e（t）是输入（误差信号），u（t）是输出（控制动作）。Kp、Ti和Td分别表示增益、积分和微分时间，即，PID参数远程实验室的体系结构基于客户端-服务器模式，该模式使用TCP/IP链路在双方之间交换数据和命令。在服务器端，由于VI，来自反馈设备的数据可用。在客户端，EJS用户界面需要这些数据进行远程控制和监控。 一种称为JIL （ Java-Internet-LabVIEW ） 服 务 器 的 中 间 件（Vargas等人，2009）提供了TCP/IP包装到VI，通信VI和EJS远程用户界面。要发布VI，需要在服务器端运行JIL服务器。当用户决定连接到····2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会292见图4。远程实验室的连接体系结构。反馈设备，JIL服务器使VI的控制和指示器可访问，并执行其值的自动更新。请注意，EJS用户界面需要一个特殊的Java库来与JIL服务器通信。远程访问反馈设备的架构如图所示四、其要素已在上文中描述。远程用户界面是用EJS开发的，并作为一个小程序部署到LRA-ULE的网页中（见图2）。5）。作为模拟用户界面，它包括三个区域。图表和控件的面板容器基本相似。设定点、位置或速度和动作控制显示在图表上，取决于所选的控制回路。设定点和PID参数的值 在这种情况下，控制模拟按钮被禁用，现在断开按钮可见。左侧区域显示的是来自IP摄像机的实时视频，该视频捕捉反馈设备的真实情况，而不是模块及其链接的图形表示用户认证、指令、输入端口初始化、数据存储等附加资源是图五.远程访问直流电机。Drupal CMS（内容管理系统）提供的，它促进了这类任务。当注册用户尝试访问远程实验室时，Drupal CMS验证用户连接并在相应的LRA-ULE网页中加载applet然后，用户必须按下连接按钮以建立与反馈设备的链接，以便JIL服务器立即命令启动采集VI。EJS远程接口通过JIL服务器向VI连续请求位置和速度等信号VI通过PCL-812 PG卡获取这些值，该卡连接到反馈设备的33-301模块另一方面，如果用户决定更改值，例如，使用Web界面上的滑块设置点，JIL服务器将此值发送到VI的相应控件根据PID算法，该新的设定点用于控制DC电动机。远程活动涉及与模拟模式中相同的任务，即，设定点的变化，PID参数的调整，响应可视化和识别，直流电机的不同控制回路的比较，在线数据分析等，目的是检查和吸收更好地与直流电机的不同控制回路的理论方面，以前在课堂课程和虚拟实验室解释5. 结论Easy Java Simulations（EJS）是一个强大的环境，可以在Java中开发交互式仿真，允许开发人员专注于仿真的动态或交互方面，而不是编程。使用这个环境，在这项工作中，我们已经开发了一个模块化设备反馈MS-150，广泛用于控制工程的入门课程的模拟我们已经提供了一个相同的外观模拟真实设备使用静止图像叠加与其他移动的模块的移动部分的仿真包括三种控制方案：位置，速度和双控制环。学生和教授可以在远程模式下使用真实设备之前虚拟地此外，EJS在过去几年中的发展不仅有助于编程模拟，远程连接EJS小程序JIL服务器控制采集数据采集卡（PCL812PG）物理系统个反馈模块2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会293而 且还 与 其它 软 件包 相 互通 信 在这 项工 作 中， 遵 循Automatl@bs项目的指导方针，进行不同物理系统的虚拟和远程实验室远程访问的架构是基于EJS和LabVIEW之间的链接。此功能由JIL服务器提供。虚拟仪器（VI）从采集卡PCL-812 PG采集数据。模拟和远程访问环境都已纳入勒翁大学的自动控制远程实验室。该实验室基于Drupal内容管理系统，该系统便于任务整合新资源，维护，用户管理等。在当前的2011/2012学年，虚拟和远程实验室正在用于Le 'on大学的自动控制科目。这一经验将有助于我们对实验室进行评估。确认A. 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