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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年用于温室气候控制的J. L. Rivas*,J.L. Guzmán*,F.Rodríguez*,M.Berenovich *,S.多尔米多 ***Dpto。语言和计算。阿尔梅里亚大学国际卓越农业食品校园(ceiA3,西班牙)Ctra。Sacramentos/n,阿尔梅里亚04120电子邮件:[jlrivas,joguzman,frrodrig,beren]@ual.es**Dpto。信息和自动化。联合国环境规划署Juan del Rosal 19,Madrid 28040电子邮件:sdormido@dia.uned.es翻译后摘要:这项工作提出了一个集成的虚拟和远程实验室教学温室气候控制和它的列入一个协作平台的发展。虚拟实验室基于温室非线性模型,学生可以使用该模型来了解理论课程中学习的建模和控制问题。远程实验室连接到温室规模的模型,在那里可以执行典型的气候控制测试。虚拟实验室和远程实验室都被集成为一个软件应用程序,可以在Internet上获得协作环境,允许随时访问该工具,而没有时空限制,并提供了一个教育平台,学生可以在同一个地方工作,因为这将是一个传统的实验室。1关键词:控制教育、远端实验室、虚拟实验室、温室气候控制。1. 介绍信息和通信技术(ICT)的巨大发展已经允许更新和发展传统的学习技术和教学方法,通过增加新的教育工具,例如,论坛,教育社交网络,互动工具,虚拟实验室等,这些工具使教育工作者能够适应新的技术时代,同时提高学生这种技术发展也出现在许多其他领域,如农业-食品领域或农业,其中包括自动化和控制工程的新进展,以应对该部门日益苛刻的条件(Rodríguez等人,2006年)。遵循这些想法,从几年前开始,温室自动化被列为许多农业工程课程的一个主题,并开发了一些软件应用程序,以帮助农学学生和研究人员理解,实施和使用该领域的新技术进步。农业工程是阿尔梅里亚大学(西班牙)最重要的学位之一,因此,在过去的几年里,我们做出了巨大的努力,开发了新的课程和新的工具。创建了一个用于教授温室气候控制技术的基于网络的远程实验室(Guzmán等人,2005年a)。之后,一个虚拟课程,农业系统的现代自动化在(Rodríguez等人,2004),以及在(Guzman等人,2005年b)。这三个工具被成功地用于在本科和博士课程的温室气候控制相关的教学和学习问题相结合的方式。然而,根据学生的反馈和教师的经验,他们提出了一个全球性的缺点,关于可用性。问题是这三个工具是在不同的平台上开发的,图形用户界面(GUI)、交互功能和可访问性都有很大的不同。此外,从教育的角度来看,这些工具之间的连接相当乏味。因此,有必要将所有这些工具集成到一个独特的平台中,以便虚拟和远程实验室共享主要的图形选项,并将这些工具结合起来,促进信息交流。因此,本文介绍了一个集成的虚拟和远程实验室,这主要是使用简单的Java仿真(EJS)(Esquembre,2004年)开发。然后,将得到的实验室集成到称为eMersion的协作环境中(Gillet et al.,2005年),并纳入了西班牙国家 网 络 的 虚 拟 和 远 程 实 验 室 , AutomatL@bs(AutomatL@bs,2009年)。在控制工程领域,也有一些其他成功的例子,它们遵循同样的想法,可以在AutomatL@bs(2009)上访问。本工作部分由以下项目资助:DPI 2007 -61068、DPI 2010 -21589-C 05 -04和DPI 2011 -27818-C 02 -01(由西班牙科学与创新部和ERDF基金资助)。© 2012 IFAC 264 10.3182/20120619-3-RU-2024.000252012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265本文的结构如下。第2节介绍了虚拟实验室,描述了它的主要功能和不同的软件组件。然后,第三部分介绍了远程实验室,对温室规模模型的硬件描述和连接真实工厂与远程实验室所涉及的软件架构进行了描述。在第4节中,展示了eMersion和AutomatL@bs中实验的集成。最后,结论在第5节中列出。2. 虚拟实验室如上所述,本文中开发的虚拟实验室是基于(Guzman etal. ,2005 b)。虚拟实验室基于Matlab/Simulink中实现的非线性模型模拟温室的气候条件(Rodríguez,2002)。本实验的上一版本只能在本地模式下执行,必须为特定版本的Matlab/Simulink提供模型的本地副本。在新版本中,虚拟实验室可以由多个用户通过Internet同时执行,在服务器中只有一个模型副本。为了实现这一点,实验室的内部软件架构已经修改,并添加了新的软件组件。下文介绍了开发虚拟实验室所需的流程和不同组成部分2.1 温室气候模型温室内微气候的动态行为是涉及能量传递(辐射和热量)和质量平衡(水蒸气通量和CO2浓度)的物理过程的组合。另一方面,作物的生长和产量主要取决于温室内的温度、PAR辐射和湿度等条件(见图1)。因此,气候条件和作物生长产量相互影响,它们的动态行为可以用不同的时间尺度来表征。这些现象是使用第一原理模型(Rodríguez,2002年)实现的,以捕捉温室气候的主要动态。扰动控制,使用常见的执行器,如顶部和横向通风,遮阳帘和加热系统。此外,来自工业温室的真实数据被用作模拟模型的输入,可以修改控制算法的参数并分析所得到的模拟。2.2 远程模型管理如上所述,虚拟实验室是使用EJS开发的。在EJS中,模型方程可以直接包含在编程环境中,也可以连接到Simulink上实现的现有模型。因此,当在Simulink中实现(Rodríguez,2002)中开发的模型时,使用了最后一个选项。当选择第一个选项来设计模型时,由于模型隐含在applet中,因此在本地或远程模式下执行虚拟实验室没有问题。然而,当模型与Simulink连接时,问题是用户需要拥有模型的副本以及虚拟实验室,这带来了相关的缺点(用户之间的模型版本不同,需要安装Matlab/Simulink等)。因此,目标是将Simulink模型放在服务器上,然后虚拟实验室的每个客户端都可以访问该服务器以远程执行模型的实例。为了实现这一点,有必要使用一个接口,该接口可以将EJS的变量与Simulink模型中的模块变量进行通信 , 反 之 亦 然 。 该 接 口 是 服 务 器 Java Internet Matlab(JIM),由(Fariaset al. 2006)开发。JIM允许Simulink模型和EJS开发的应用程序之间进行远程通信,对用户透明。通信是客户端/服务器,它是使用TCP/IP套接字解决的。首先,JIM服务器配置了所有可远程访问的Simulink模型。其次,在EJS中配置虚拟实验室,指示服务器IP地址和Simulink模型的名称。然后,模型的输入和输出变量可以远程链接到EJS变量,其中EJS客户端将输入参数发送到模型,模型通过JIM返回其仿真结果。EJS和Simulink之间使用JIM进行通信的全局模式如图2所示。如图2所示,现在客户端EJS不需要安装外部温度风风速风向外面外部湿度天空温度雨Matlab/Simulink,因为服务器JIM负责执行模型。辐射控制变量通风口土壤盖温度叶面积指数受控变量内部温度加热系统温度内部PAR辐射遮阳帘Fig. 1.气候控制变量内部湿度因此,该模型在虚拟实验室中用于测试不同的控制算法,并控制生产过程中影响执行这项图二. EJS、JIM和Matlab/Simulink2012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2662.3 GUI描述虚拟实验室的GUI主要分为三个部分,如图3所示:温室天气,与模拟交互的参数面板,以及一组图形,其中表示模拟和控制信号中最重要变量的演变。在GUI的左上角部分是温室概要,其中包含温室的虚拟表示。在这个区域中,可以通过执行器的运动来监控作物生长和控制信号的效果:自然通风,遮阳帘和基于锅炉的加热。横向通风和顶点通风以天蓝色表示,并且考虑到相关联的控制信号的值来改变它们的位置。通风口开度的实际值以百分比表示,位于顶部通风下方和右侧通风旁边(见图3)。遮阳帘位于温室和其盖之间;它以灰色表示,其长度基于相关的控制信号进行修改。第三个驱动器是加热。这个系统用一个锅炉、一个泵和几个管道来表示。使用颜色代码:泵关闭/打开-蓝色/绿色;管道关闭/打开-灰色/基于其温度。管道温度值显示在锅炉旁边。作物生长被认为是一种干扰,系统可以在图形屏幕上修改该参数。天气图中显示了几种植物,它们的大小根据这种扰动的值而变化。一些效果也被用来区分白天和黑夜。在白天,太阳强度基于从模型或扰动数据库获得的太阳辐射而改变。到了晚上,太阳变成灰色,几颗星星出现。图三.虚拟实验室这组参数可在温室天气图下面找到。参数面板分为三个部分。在左侧,用于配置控制算法的设定点的滑块与用于选择模拟的白天或夜间条件的选项位于一起。在右侧,不同的控制算法可用,它们分为三个选项卡。前两个选项卡包含与通风的温度控制相关的参数,而最后一个选项卡具有使用遮光屏的加热控制和辐射控制的参数(参见(Guzmán et. al. 2005年b),以详细说明这些参数)。第三个区域位于控制参数选项卡下方。此区域包含控制执行的按钮,以及在虚拟和远程实验室之间切换的按钮(按钮连接或断开连接)。当它被标记为连接时,此按钮允许从虚拟实验室转换到远程实验室,当同一按钮被标记为断开连接时,用于从远程版本返回到虚拟版本。最后,GUI的右侧专用于显示六个图形,表示涉及仿真的主要变量、受控变量、干扰和控制信号的演变。图形分为三个选项卡。第一个选项卡侧重于温度控制,显示室内温度、室外温度、昼夜设定点以及通风和供暖系统的控制信号。在第二个选项卡中,显示了辐射和湿度变量。最后,第三个选项卡专用于显示风速和特定图形,以显示基于外部温度和风速的增益调度控制器的增益变化(Guzmán et. al. 2005年b)。请注意,这些选项中的大多数在以前的版本中可用,详细信息可以在(Guzmán et. al. 2005年b)。3. 远程实验室要远程访问的真实工厂包括一个温室规模的模型,该模型配备了几个传感器和执行器。该比例模型的详细描述可以在(Guzmán et al. ,2005 a)。在(Guzmán et al. ,2005 a),一个初步的基于Web的远程实验室开发使用LabVIEW作为服务器平台。这项工作提出了与温度控制相关的几个缺点,因为致动器是不连续的,然后控制算法的使用是相当有限的(考虑到在使用这种温室规模模型的典型课程中给出的水平)。而且,这个远程实验室和之前描述的虚拟实验室完全不同。因此,学生应该学习两个不同的应用程序与不同的GUI和没有交换信息是可能的。因此,需要开发一个新的远程实验室,与同一应用 程 序 中 以 前 的 虚 拟 实 验 室 集 成 , 并 寻 求 满 足AutomatL@bs项目中的要求。以下部分简要介绍了温室规模模型,重点介绍了新的附加硬件,以及用于连接真实工厂和远程实验室的软件架构。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2673.1 温室模型图4所示的温室规模模型是在DAMOCIA项目的框架下开发的(见Guzmán et al. ,2005a)和其中的参考文献)。这些年来,原始的温室规模模型已经被修改,增加了新的传感器和执行器,以改善和提高其实用性。目前,真实工厂有以下传感器来测量内部主要变量:内部空气温度和湿度,以及内部PAR辐射。此外,还可利用外部气象站测量室外温度、湿度、风速和风向。关于模拟温室的真实条件所需的额外硬件,将500瓦的灯放置在缩放的温室上以模拟太阳辐射,使其强度适应时间系统。为了模拟夜间温度下降,在恒定电压下使用直流通风机。同样的想法,但使用一个小加热器,用于模拟温室窗户在白天关闭时的温度上升。从致动器的角度来看,为了控制白天的温度,使用先前使用的相同的DC通风机,其根据控制信号来调整其电压,以及具有DC电机的自然通风系统来控制孔径。夜间的温度也受到控制,适应小加热器的功率,并配有一组同时点亮的红色LED(以便于夜间远程可视化)。为了控制辐射,可使用由直流电机控制的遮光屏。所有的直流电机和LED都使用一组由串行端口控制的继电器进行管理,而I/O卡(ICP DAS公司)则用于控制和采集来自其余执行器和传感器的数据。见图4。温室模型3.2 远程控制管理编程环境LabVIEW已被用于输入/输出任务,以便从传感器获取数据并修改执行器的状态。通过LabVIEW,可以使用相应的驱动程序(用于串行端口的VISA LabVIEW驱动程序和用于I/O卡的ICP DASLabVIEW驱动程序)从计算机控制上述硬件。创建的LabVIEW应用程序负责管理数据采集和缩放温室中控制回路的执行。该应用程序实现了第2.3节中评论的虚拟实验室中可用的相同选项,包括相同的执行选项、控制算法和数据输出。这样做是为了集成在EJS中开发的相同虚拟实验室GUI下。通过使用JIL服务器(Vargaset al. 2009),这种集成已经成为可能,它允许在EJS和LabVIEW之间远程通信参数。在Simulink模型、JIM服务器和EJS之间的虚拟实验室中应用的原理相同,但现在,过程由真实工厂表示,而不是模型,JIL服务器扮演JIM服务器的角色。图5显示了用于该目的的架构的方案。图五.远程实验室一旦LabVIEW应用程序被创建,它就可以在JIL上发布,然后它们的输入/输出参数就可以自动从EJS中引用,从而使开发人员从底层编程细节中抽象出来。要访问已发布的LabVIEW变量,在EJS中必须指明JIL服务器的IP地址和端口,以及LabVIEW应用程序在服务器中的位置。之后,EJS变量可以链接到LabVIEW变量。在此过程之后,第2.3节中为虚拟实验室描述的GUI可以以完全相同的方式重复用于控制真实工厂,具有相同的执行选项,并使用相同的控制算法参数。这是本文最重要的贡献之一,因为现在相同的GUI用于虚拟和远程活动。3.3 远程功能远程实验室中最重要的方面之一是用户可以获得真实工厂中发生的事情的视觉反馈。为此,远程实验室与视频服务器以及IP摄像机相关联,该摄像机位于缩放温室内,允许用户实时观看执行器的动作。从相机捕获的图像集成在用户界面中,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268第2.3节,替换远程实验室的模拟概要。远程实验室的GUI如图所示6. 远程实验室提供的另一个功能是可以进行实验,以获得真实工厂的模型,以便用户可以计算控制器和算法的参数,以正确控制气候。因此,远程实验室在控制面板参数中提供了一个新选项卡(开环步骤),用户可以通过该选项卡对加热器和呼吸机执行开环步骤。用户还可以在应用程序(eJournal)的上侧使用动态菜单,其中有两个选项用于在实验期间保存数据(保存图形、保存数据/停止保存数据)。通过该菜单获得的数据保存在协作环境中的个人用户空间中,因此用户可以在实验后管理数据。eJournal菜单也可用于虚拟实验室保存模拟数据。见图6。远程实验室4. 协作环境在这项工作中提出的虚拟和远程实验室已被设计为包括在AutomatL@bs项目。AutomatL@bs是一个用于教学控制和自动化的虚拟和远程实验室网络,由大学提供的实验室和教育资源组成。这些大学的用户可以使用网络的任何实验室。作为主要特征,组成项目AutomatL@bs的所有实验室都是通过遵循某些设计准则和技术开发的,这些准则和技术允许将它 们统 一在 一个 基 于Web 的 教育 协作 环境 中 ,称 为eMersion(eMersion,2004; Gillet,et. 2005)。这种集成允许用户以相同的方式使用所有实验室,而无需关心它们的实际位置。此外,eMersion还为用户提供了一个虚拟工作空间(eJournal),用户可以在其中保存和加载实验和模拟,或与其他用户(包括教师)分享他们的知识。这一功能使用户有机会表现得像在真实实验室的磁力课堂上一样。从教育的角度来看,其他重要的方面是,所有实验室都有一个完整的指南与信息相关联,描述了实验室的GUI,要做的任务,以及对实际工厂中发生的过程的完整解释和一些附录。所有这些文件都经过精心设计,让学生以自主的方式按照自己的进度进行实际体验工程(AutomatL@bs,2009)。为了保证用户对远程实验室的独家访问而不发生冲突,AutomatL@bs有一个预约管理系统,用户可以在其中查看所选远程实验室的可用性,并随后进行预订。用户可以连续预订远程实验室的小时数也有时间限制;避免一个用户可以占用远程实验室。目 前 , 本 文 中 提 出 的 虚 拟 和 远 程 实 验 室 集 成 在AutomatL@bs中,以便在下一学年提供给属于该项目的大学。图7显示了集成在协作环境中的远程模式实验室的图像。5. 结论介绍了一个温室气候控制虚拟远程实验室的开发。由此产生的实验室是基于阿尔梅里亚大学现有的虚拟和远程实验室的初步版本。这两个先前的实验已经过修改和改进,以便拥有涵盖虚拟和远程功能的独特软件应用程序。通过这种方式,服务器架构已经被修改,其中远程访问非线性模型,并且远程访问真实系统也被包括在EJS应用程序中。JIM和JIL这两个桥接应用程序已被用于实现这一点。在一个应用程序中集成,并且只有一个GUI,不仅解决了以前实验中出现的问题,而且还报告了一些优点:现在,用户只需了解一次GUI的工作原理,因为虚拟实验室和远程实验室共享相同的配置参数和相同的图形。用户可以更好地理解相同的控制器可以应用于模型和实际系统。此外,新实验室已使用EJS开发,并遵循所需的设计指南,使用eMersion集成到AutomatL@bs项目中。因此,由此产生的实验室可以利用eMersion提供的协作环境的所有优势,同时可供AutomatL@bs网络的其他大学使用。致谢两位作者感谢Héctor Vargas先生和Gonzalo Farias先生的帮助和建议。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269见图7。虚拟和远程实验室集成在协作环境eMersion中。引用AutomatL@bs(2009年)。AutomatL@bs项目的网站。http://lab.dia.uned.es/automatlab的网站。eMersion ( 2004 年 ) 。 eMersion 项 目 的 网 站 。http://lawww.epfl.ch的网站。Esquembre,F.(2004年)。Easy Java Simulations:一个用Java创建科学模拟的软件工具。Computer PhysicsComm,156(2),199Farias , G.; 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