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基于SciLab的远程实验:控制教育的创新方法
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年基于SciLab的远程实验Zoltán Magyar和Katarína Záková斯洛伐克科技大学电气工程与信息技术学院Ilkovičova 3,812 19 Bratislava,Slovakia(e-mail:katarina. stuba.sk)翻译后摘要:本文论述了建设一个远程控制实验室,包括两个实验:热光和液压厂。两台设备均通过USB接口连接到控制计算机。所提出的解决方案的实施是基于开放技术,其中应用程序的内核是由SciLab/Xcos环境形成的。最后给出了远程实验与SciLab之间以及SciLab与Web应用程序之间通信的可能方法。关键词:计算机辅助工程,控制系统,远程控制,计算机实验。1. 介绍实验在技术教育和科学研究中起着重要的作用。它们已经被列奥纳多·达·芬奇、伽利略·伽利略、艾萨克·牛顿和许多其他生活在我们历史上不同时期的实验学家和研究人员完成了。实验、测量和各种观察使我们能够在实践中验证各种假设和研究理论。它们有助于理解问题的本质,因此它们当然应该成为学生教育的一部分Neher(1962)试图总结是什么让实验对学生来说很有趣。他说,有趣的实验•必须有一个良好的外观,•在某种程度•必须有一个可以分开的设备,这样学生就可以看到基本的部分,•必须像宣传的那样执行,•必须能够吸引学生尽管这篇论文是50年前发表的,而且大多数仪器都是使用现代技术进行改造的,但这些想法仍然是现实的。Neher还考虑了他可以提供有意义的实验室经验的群体的规模。他遇到了严重的问题已经与一个班的160-180名学生。互联网的发展也可以在这方面有所帮助。互联网技术的发展使在线实验室的建设,为学生提供互动的例子,动画和实验说明或多或少的主题是教。其优点是,这些实验室可通过互联网供所有获准用户使用,无论在什么地方,在任意用户定义的时间。在远程实验的情况下,当用户与真实设备交互时,他或她可以实现与实验室中类似的实验室体验。当然,有些印象是缺失的-用户不能触摸设备,听到所有的噪音,闻到各种气味。然而,用户通常可以通过设置各种参数和测量变量来与实验进行交互,这些参数和测量变量可以以与在现场实验室中完成的测量相同的方式进行处理和评估。远程实验和远程实验室的例子已经介绍了例如由Schauer等人。(2008),Restivo et al. (2009),Gustavsson etal. (2011)或Zubía和Alves(2011)。此外,本文还提出了一种可能的实现。2. 植物我们专注于两个真实工厂的远程控制:热光系统uDAQ28/LT和液压三箱系统uDAQ 28/3 H。这两种植物都是与我们部门的人合作开发的。它们的优点是可以通过USB接口连接到计算机。数据传输速率为250 kbit/s。两个工厂都可以将采样周期设置为40 - 50 ms。2.1 热光装置热光学实验室设备uDAQ 28/LT(图1)能够控制两个物理变量可以使用三个输入来控制设备:•影响呼吸机运行速度(0 ~ 6000 rpm)并用于系统冷却的呼吸机电压,© 2012 IFAC 206 10.3182/20120619-3-RU-2024.000992012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207•灯泡电压控制光输出(0 - 20 W),加热系统并用作光源,•影响LED光输出的发光二极管电压(0 ~ 100%),可作为第二种可能的光源。所有三个输入电压都可以在0至5 V之间变化。该设备还可以设置内置微分滤波器的时间常数。Fig. 1.组合热光工厂(Huba,2008年a)。系统具有以下测量输出:•系统温度和滤波后的系统温度(使用1阶•光强度和过滤的光强度(使用第一阶滤波器),•呼吸机的电流和转速测得的温度范围为0至100 ° C(使用PT 100传感器),呼吸机的电流范围为0至50 mA。2.2 三容系统液压uDAQ 28/3 H系统(图2)由2个泵和3个耦合罐组成,每个罐都有自己的排水管(Huba,2008 b; Mrsilka等人,2008年; Kilka和Huba,2011年)。该系统能够控制三个储罐中任何一个的液位。图二.三罐工厂(Huba,2008年b)。该设备可以使用七个输入进行控制:•两个泵电压使得能够将液体填充到系统中,•5个阀电压(2个阀位于罐之间,3个阀用于排水)。泵电压可以在0到12 V之间变化,阀电压可以设置为0或24 V,即阀将完全打开或关闭。该系统有三个测量输出3. 变现建立远程实验系统,需要解决远程客户端与技术设备之间的通信问题。实际上,为了实现实验的远程控制,需要创建两个应用程序:服务器应用程序和客户端应用程序。为了简单起见,我们可以认为远程客户端是一个典型的互联网用户与互联网浏览器和技术设备是受控工厂-远程实验室的核心是由SciLab软件包构成的。SciLab属于软件(基于开放和免费技术开发),能够模拟动态系统。在本质上,它让人想起Matlab,主要是因为它的图形界面Xcos与Simulink非常相似。也就是说,SciLab通常用于在计算机上本地完成的计算。然而,随着互联网的不断扩展以及对在线教育的日益支持,如何利用SciLab的功能来实现这些目的也提出了一个问题。此外,Xcos(SciLab的一部分)是主要用于过程建模和模拟的软件。因此,它不包含直接控制真实植物的可能性。这个问题也必须解决。3.1技术对于门户网站服务器端的开发,我们决定使用LAMP技术(Linux操作系统,Apache网络服务器,MySQL数据库,PHP脚本语言)。应用程序的后端也得到了运行整个实验的SciLab环境的支持。两个工厂的驱动程序和Xcos块的功能,确保接近实际设备是用C语言编写的。客户端是使用HTML标记语言结合PHP脚本语言创建的,用于生成网页的动态部分。图形布局是使用层叠样式自定义的。JavaScript确保与网页环境的交互。为此,我们主要使用jQuery库,方便与网页元素的工作。变量的图形化可视化是使用名为Flot的JavaScript库(由Laursen生产)完成的,该库也是基于jQuery构建的。除此之外,我们还使用了几个JavaScript库来帮助构建一些应用程序组件,如邮件通知(Worx)或日历可视化(Monie,2010;Andrews,2011)。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2084. 服务器应用能够远程控制真实工厂的实验室的建设和实施包括两个步骤:•首先,必须确保对需要在所选软件环境(在我们的情况下为SciLab)和物理设备之间进行通信的工厂进行本地控制;•其次,必须创建所选软件环境(SciLab)和客户端web接口之间的通信信道。它可以在模拟过程中设置实验参数并可视化结果。4.1 与真实工厂的SciLab与植物之间通过USB接口的通信可以通过几种方法来解决。也许 最标 准和 最可 靠的 解决 方案是 使用Scicos RTAI(Bucher),可用于控制外部设备。问题是外部硬件需要Comedi(Linux控制和测量设备接口)的支持,Comedi开发了用于数据采集的开源驱动程序、工具和库。不幸的是,所考虑的工厂目前没有这种支持。此外,在我们开始之前,他们没有任何与Linux操作系统兼容的驱动程序。下 一个 替 代 方案 是 使用 C 编 程语 言 实 现的 LibUSB 库(Erdfelt和Drake)。这个由GNU LGPL v.2.1许可的开源库提供了对USB接口的全面监控。它可用于LinuX,FreeBSD,Darvin(Mac OS X)和Microsoft Windows操作系统。LibUSB库也被用作另一种通过USB接口实现通信的解决方案的基石。Java模块(例如jUSB API,JSR-80)或用于USB通信的附加Perl模块正好属于这一类。由于通信协议非常简单,我们的目标是控制两个通信方式 非 常 相 似 的 设 备 , 因 此 我 们 决 定 跳 过 在 SciLab 和LibUSB库之间提供额外中间件层的解决方案。我们决定直接使用这个库并构建自己的驱动程序。其优点是通信协议的结构是已知的,因为这两个工厂都是与我们部门的人合作开发的。开发的驱动程序(提供应用程序和连接到USB端口的实际设备之间的接口)也是用C语言编写的,它可以设置数据传输速率,初始化外部硬件,读取和写入数据,并与实际设备关闭通信。接下来要解决的问题是如何在Xcos块方案和实际设备之间交换数据。非常好的信息是,SciLab允许将C代码直接包含到Xcos块中(Schmidt,2009)。除了C语言之外,还可以在Fortran中或使用SciLab函数来定义块的新功能。尽管编程代码可以在几个Xcos块中实现,但我们只使用一种类型-Generic块(图4)。该块允许指定一个外部文件,该文件具有用C语言编写的实现所需功能的函数。该函数的框架可以如下所示:#include scicos_blocks4.h>public int findDuplicate(intfindDuplicate,int findDuplicate){案例四:/* 初始化 */案例一:/* 输出计算 */案例五:/* 结束 */}}包含的头文件包含所有可以在外部文件中使用的变量的声明。函数的两个输入参数定义了一个指向块结构的指针和一个标志。指针使能访问块输入、状态、输出和其他可调参数。该标志根据模拟状态调整函数行为:•值“4”对应USB接口的初始化;•值•值“1”描述实验运行时的状态。在此期间,来自SciLab通用块的输入端口的值被转换为可以发送到USB端口的消息。收到应答后,其值被传输到通用块输出。作为最后一步,外部文件中定义的功能必须与SciLab通用块相关联。可以在图3所示的参数窗口中完成。除了外部函数的名称外,还需要定义块输入和输出的数量和类型。图三.常规块设置。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2094.2 与SciLabSciLab与Web应用程序之间的通信采用“管道”通信通道来解决。这种方法属于进程间通信的常用方法,并得到大多数编程语言(包括解释型脚本语言)的支持。我们决定使用PHP脚本语言。 除了其他功能外,它还可以在服务 器 上 运 行 外 部 应 用 程 序 。 这 样 我 们 也 可 以 执 行SciLab。它可以使用输入参数来执行,这些参数可以包括模拟或实验运行所需的所有命令。输入参数由PHP脚本根据用户在Web应用程序中输入的数据生成。另一方面,在实验运行的整个过程中,来自实验的数据需要被发送并可视化返回给用户。这个任务是使用控制结构中的Scifunc块完成的(图4)。该模块允许将实际输出值写入控制台,即标准SciLab输出。整个应用程序的通信过程如图5所示。见图4。用于热光和液压装置远程控制的Scicos模块方案。图五. Web应用程序通信流程图。1.最终用户(例如学生)将所有模拟数据输入到Web应用程序表单中,然后单击“开始模拟”按钮。2.JavaScript函数start_req使用PHP脚本model_runner异步执行实验。真实实验的模拟与转换为SciLab命令的用户输入数据一起执行3.仿真模型通过Scifunc块向管道提供实验值。在每个采样周期进行。4.model_runner脚本从管道读取值并将其放入会话变量。5.稍后,rtm_read php脚本读取会话变量,生成json格式的结果。6.同时,JavaScript函数read_req需要执行rtm_read.php脚本。在模拟过程中,脚本运行多次,因为它用于从会话变量中重复读取数据,以便在Web应用程序中的连续步骤中可视化。7.通过接收字符串“simulate end”停止值读取过程。5. 客户端应用所提出的门户网站能够控制通过USB接口连接到计算机的两个设备。我们的努力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210是设计门户网站尽可能多的一般,以便它可以很容易地扩展到控制进一步的实验。我们希望让用户使用自己的模拟参数和控制算法运行实验,并实时显示结果。门户网站的主页(图6)以所有实验的简短理论描述开始。见图6。用于远程控制工厂的门户网站。只有在登录和时隙注册后才能进行远程实验。这一步应该确保在每一个时刻,真正的实验将只对一个用户可用。预订系统允许为在数据库中注册的所有可用的远程设备进行预订。每个用户可以看到所有自己的保留,其中设备由各种颜色区分(见图7)。见图7。远程控制植物的预约系统。允许管理员查看所有用户的时间预留。除此之外,管理员可以取消或移动其他用户的注册。在这种情况下,用户将自动通过电子邮件通知完成的更改。注册后,允许用户设置控制算法。在图4中,可以看到包括PID控制器的基本控制方案。然而,我们考虑了两种类型的控制器块。除了PID控制器,我们还使用了Scifunc模块,使用户能够定义自己的算法来控制工厂。虽然PID模块只允许用户设置PID控制器参数,但Scifunc模块更复杂。用户可以通过结果的连续图形可视化来跟踪实验的行为。由于系统的所有输入和输出变量都是可用的,他或她只能打开或关闭那些对相关实验重要的信号。如果用户看到没有意义的结果,则可以中断实验。所有完成的实验都保存在数据库中,用户可以在报告表中看到所有以前的结果。在打开任何报告的记录后,可以看到在实现的实验期间使用的控制算法(以方程的形式书写)、所有模拟和控制参数的值、图形结果和注释。注释区域可用于在任何时候进行注释,因此用户也可以对以前的结果进行注释。实验中的数值结果可以导出为4种不同的格式,可以在门户环境之外使用-我们支持txt,json和xml格式,并以PNG格式导出图片(图8)。整个门户网站提供两种语言变体6. 结论学生应尽可能多地参与教育过程。这有助于提高他们对所学主题的兴趣。实验的使用(包括问题的识别,参数的设置和各种测量)使学生不仅能够获得理论知识,而且还能够获得他们以后在各种公司工作所需的实践技能。远程实验室的建设可以帮助这一方向。因此,也有必要利用这个机会,使实验工作更接近学生。该论文表明,软件包SciLab/Xcos(通常仅用于本地模拟)也可用于此目的。确认作者感谢Miroslav Jáno的帮助和讨论。这项工作得到了斯洛伐克赠款机构第1/1105/11号赠款VEGA和第1/0656/09号赠款VEGA的部分支持。我们非常感谢这种支持。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211见图8。远程实验报告的细节。引用Andrews III,A. M.(2011年)。任意+时间DatePicker/TimePickerAJAX日历小部件。网上http://www.ama3.com/anytimeBisták,P.(2006年)。利用Java仿真实现火电厂的远程控制。互动式电脑辅助学习国际会议- ICL奥地利菲拉赫布赫河ScicosRTAI,在线,http://www.scicos.org/scicosrtai.htmlErdfelt , J. 和 Drake , D. LibUSB 主 页 。 在 线 ,http://www.libusb.org/古斯塔夫松岛Nilsson,K.,Zackrisson,J.,Hakansson,L.,Zubía,J. G.,阿尔维斯湾R.,埃尔南德斯,美国,科斯塔河J.,拉戈,T.,克莱森岛(2011年)。VISIR开放实验室平台5.0 -远程实验室联盟的架构。第八名实习生。远程会议工程和虚拟仪器(REV '11),布拉索夫,罗马尼亚。Huba,M.,Šimunek,M.(2007年)。PID控制教学的模块 化 方 法 。 IEEETransactionsonIndustrialElectronics,ISSN 0278-0046,Vol.54,不。第6页。3112-3120.Huba , M. ( 2008 年 a ) 。 热 光 学 实 验 室 设 备 uDAQ28/LT。http://www.eas.sk/mod/product/show.php?ID=59。Huba , M. ( 2008 年 b ) 。 液 压 系 统 uDAQ 28/3 H 。http://www.eas.sk/mod/product/show.php? ID=52(in斯洛伐克)。Jáno,M.,卡拉科瓦湾(2011年)。基于SciLab的热光工厂 远 程 控 制 Int. Journal of Online Engineering(iJOE),Vol. 7,No. 4,pp. 10-15Laursen,O. 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