基于閉環(huán)控制的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
【專利摘要】一種基于閉環(huán)控制的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，該系統(tǒng)包括：實體實驗系統(tǒng)、控制模塊、測量模塊、現(xiàn)場計算機、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場服務(wù)器和遠(yuǎn)程客戶端，其中：實體實驗系統(tǒng)通過控制模塊和測量模塊與現(xiàn)場計算機連接，測量模塊用于測量實體實驗系統(tǒng)的參數(shù)信號，控制模塊接收來自現(xiàn)場計算機的控制信號并對實體實驗系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，現(xiàn)場計算機和視頻監(jiān)控系統(tǒng)分別與現(xiàn)場服務(wù)器通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接，將實體實驗系統(tǒng)的控制信息和顯示信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務(wù)器，并將實驗室現(xiàn)場視頻信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務(wù)器，本發(fā)明具有遠(yuǎn)程操控的優(yōu)點，將實驗從虛擬仿真變?yōu)閷嶓w操控，實際操作中配合視頻臨場感技術(shù)，使實驗者身臨其境，實現(xiàn)資源共享，大大提高了設(shè)備的利用率。
【專利說明】基于閉環(huán)控制的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其方法，特別是一種與自動控制、物聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理及教學(xué)實踐密切關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國高等教育的普及，近年來特別強調(diào)要加強本科培養(yǎng)中的工程教育，很多高校正著力于實習(xí)基地和教育教學(xué)實驗系統(tǒng)的建設(shè)，然而由于資金所限，致使不少學(xué)校常常采取用理論分析代替實際動手，用虛擬仿真代替實體實驗，用課堂演示代替工程實踐，其結(jié)果直接影響了教學(xué)質(zhì)量的提高和學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)。在線遠(yuǎn)程教育，特別是通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)工科實驗教育，已經(jīng)成為一個研究熱點。
[0003]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的已經(jīng)授權(quán)的針對真實硬件設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實驗專利大致有三種:
[0004]I)中國專利授權(quán)號CN101814248B，公告日2011.11.09，公開了一種計算機硬件系列課程的遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)，以計算機硬件實驗為主體，由于遠(yuǎn)程操控本來就屬于計算機網(wǎng)絡(luò)范疇，對于計算機硬件遠(yuǎn)程實驗，進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，不涉及非電信號量的采集，不涉及手動接線搭建不同的實驗。
[0005]2)中國專利授權(quán)號CN101237365B，公告日2010.07.21，公開了一種EDA網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)及實驗方法，以FPGA數(shù)字電路為主體，遠(yuǎn)程設(shè)計對應(yīng)的實驗電路，將設(shè)計代碼通過網(wǎng)絡(luò)傳輸下載到FPGA數(shù)字電路中，整個實驗本身不涉及接線。
[0006]3)中國專利授權(quán)號CN100492445，公告日2009.05.27，公開了一種基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程電子電路實驗方法及系統(tǒng)，以基本電子電路為主題，對不同的電子元器件統(tǒng)一編址，在遠(yuǎn)端通過對實驗電路中元器件的控制，從而設(shè)計不同的實驗電路。
[0007]上述技術(shù)均存在的缺點在于:通過遠(yuǎn)程計算機發(fā)送信號，對本地實驗進行直接操控，屬于開環(huán)控制，在遠(yuǎn)端無法得知現(xiàn)場搭建實驗是否完成，這就導(dǎo)致現(xiàn)場真實設(shè)備的運行情況出現(xiàn)搭建的實驗電路或者實驗設(shè)備可能沒有符合期望，從而造成實驗失敗，甚至導(dǎo)致現(xiàn)場出現(xiàn)意外災(zāi)害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種基于閉環(huán)控制的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，在現(xiàn)場計算機與實體實驗系統(tǒng)之間加入控制模塊和測量模塊，強化對實體實驗系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
[0009]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0010]本發(fā)明涉及一種基于閉環(huán)控制的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)，包括:實體實驗系統(tǒng)、控制模塊、測量模塊、現(xiàn)場計算機、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場服務(wù)器和遠(yuǎn)程客戶端，其中:實體實驗系統(tǒng)通過控制模塊和測量模塊與現(xiàn)場計算機連接，測量模塊用于測量實體實驗系統(tǒng)的參數(shù)信號，控制模塊接收來自現(xiàn)場計算機的控制信號并對實體實驗系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，現(xiàn)場計算機和視頻監(jiān)控系統(tǒng)分別與現(xiàn)場服務(wù)器通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接，將實體實驗系統(tǒng)的控制信息和顯示信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務(wù)器，并將實驗室現(xiàn)場視頻信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務(wù)器，遠(yuǎn)程客戶端通過Internet與現(xiàn)場服務(wù)器連接，使得實驗的操作與顯示可以實時在現(xiàn)場計算機和遠(yuǎn)程客戶端上實現(xiàn)。
[0011]所述的實體實驗系統(tǒng)包括:執(zhí)行裝置、數(shù)字調(diào)節(jié)器、實驗顯示屏、實驗?zāi)K掛箱、實驗臺和實驗桌，其中:數(shù)字調(diào)節(jié)器與控制模塊相連并接收開關(guān)輸出量和模擬輸出量，數(shù)字調(diào)節(jié)器向執(zhí)行裝置發(fā)出控制電平，實驗顯示屏與實驗?zāi)K掛箱并排安裝在實驗臺上，實驗臺安裝在實驗桌上，執(zhí)行裝置用于完成實體實驗。
[0012]所述的控制模塊通過串口線與現(xiàn)場計算機連接，接收來自現(xiàn)場計算機的作為控制信號的開關(guān)輸入量和模擬輸入量，控制模塊通過控制電路與實體實驗系統(tǒng)連接，向?qū)嶓w實驗系統(tǒng)發(fā)送開關(guān)輸出量和模擬輸出量以實現(xiàn)閉環(huán)控制。
[0013]所述的測量模塊通過測量探頭與實體實驗系統(tǒng)連接，用于測量實體實驗系統(tǒng)的參數(shù)信號，再將參數(shù)信號傳輸顯示在現(xiàn)場計算機上。
[0014]所述的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，包括:網(wǎng)絡(luò)攝像機、云臺和支架，其中:網(wǎng)絡(luò)攝像機與云臺通過轉(zhuǎn)動電機連接，網(wǎng)絡(luò)攝像機與云臺通過緊密螺絲與支架連接，支架通過膨脹螺絲固定在實驗室墻壁上。
[0015]所述的視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集包括但不限于聲音、煙霧、火災(zāi)的報警信號。
[0016]所述的現(xiàn)場服務(wù)器作為各種信號中轉(zhuǎn)中心，接收來自遠(yuǎn)程客戶端的控制信號、來自視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻顯示信號、來自現(xiàn)場計算機的測量信號和硬件連接反饋信號，并且現(xiàn)場服務(wù)器向遠(yuǎn)程客戶端發(fā)送視頻顯示信號、測量信號和硬件連接反饋信號、向視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送云臺控制信號、向現(xiàn)場計算機發(fā)送控制信號和視頻顯示信號。
[0017]所述的遠(yuǎn)程客戶端用于實現(xiàn)人機交互，對實體實驗系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作信號都由遠(yuǎn)程客戶端發(fā)出，并接收實體實驗系統(tǒng)的測量信號和硬件連接反饋信號及視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻顯示信號。
[0018]和傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)通過強化現(xiàn)場計算機對實體實驗系統(tǒng)的控制和測量功能，形成自動控制原理中經(jīng)典的閉環(huán)控制，控制模塊自身也采用閉環(huán)反饋思想來設(shè)計，在保證同樣性能的前提下，少用一半的繼電器。通過遠(yuǎn)程客戶端發(fā)送控制信號，可以在無人環(huán)境中自動接線，搭建實體實驗系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)是否搭建完成可以通過測量模塊獲知，也可以通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控實驗系統(tǒng)狀態(tài)，出現(xiàn)意外災(zāi)害及時報警，形成雙保險，從而在保證遠(yuǎn)程操控的方便優(yōu)點的基礎(chǔ)上，有效增強實驗系統(tǒng)的可靠性和安全性。
[0019]本發(fā)明還涉及一種基于自動控制的網(wǎng)絡(luò)實驗方法，包括以下步驟:
[0020]⑴遠(yuǎn)程登錄:實驗者在遠(yuǎn)程客戶端登錄在現(xiàn)場服務(wù)器，通過控制模塊在遠(yuǎn)端完成實驗系統(tǒng)搭建和參數(shù)調(diào)節(jié)，對現(xiàn)場的實體實驗系統(tǒng)直接操控，通過測量模塊在遠(yuǎn)端完成信號測量和數(shù)據(jù)分析，在實際操作中結(jié)合實時視頻場景，增強臨場感。
[0021]⑵系統(tǒng)搭建:以物聯(lián)網(wǎng)模式和基于LABview開發(fā)平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)對遠(yuǎn)程實體實驗系統(tǒng)兩點進行接線操控，包括兩點連線、連線刪除和系統(tǒng)保護。
[0022]⑶參數(shù)調(diào)節(jié):對模擬量和數(shù)字量的調(diào)節(jié)。
[0023]⑷信號測量:對于數(shù)值測量采用常規(guī)數(shù)值儀表直接顯示；對于波形測量采用虛擬示波器方法采集電信號。[0024](5)數(shù)據(jù)分析:根據(jù)實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，自行手工分析或通過系統(tǒng)中的軟件進來完成。
[0025](6)臨場監(jiān)控:采用光學(xué)變焦高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，提供經(jīng)過高倍壓縮的高清實時的現(xiàn)場圖像，再經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳送到遠(yuǎn)端，遠(yuǎn)程客戶端上開辟專門顯示窗口，采用畫中畫模式，觀察到遠(yuǎn)端操作實體實驗系統(tǒng)的全過程。
[0026]所述的遠(yuǎn)程登錄是指:以web方式，基于瀏覽器的B/S操作界面，支持對有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)包括GPRS、3G、4G、WIFI的設(shè)備遠(yuǎn)程操控和多人互動，如:在實驗的過程中可以與其他實驗者進行討論。
技術(shù)效果
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括:
[0028]I)通過采用閉環(huán)控制的系統(tǒng)架構(gòu)，在軟件層面可以實現(xiàn)系統(tǒng)搭建的可靠操作，保證實驗系統(tǒng)按照期望設(shè)計進行搭建，這是實驗進行的基礎(chǔ)，是實驗安全的保證，也是本發(fā)明最大的優(yōu)點。
[0029]2)軟件層面通過采用B/S架構(gòu)，在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方，任何可以允許瀏覽器的設(shè)備上，都可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)的訪問，增強了網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)的通用性。
[0030]3)強化網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)的功能，可以對實驗系統(tǒng)搭建進行控制，也可以在實驗進行過程中對參數(shù)進行調(diào)節(jié)，包括數(shù)字量調(diào)節(jié)，和模擬量調(diào)節(jié)，增強了實驗的靈活性和擴展性。
[0031]4)采用虛擬儀器的測量模塊，不需要額外的測量設(shè)備，就可以滿足實驗過程中不同參數(shù)測量，從而是系統(tǒng)的整體價格降低，也是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單。
[0032]5)數(shù)據(jù)分析可以通過自帶軟件在遠(yuǎn)程客戶端上進行，方便學(xué)生對實驗結(jié)果的分析和處理。
[0033]6)采用光學(xué)變焦高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，在遠(yuǎn)程客戶端上對實體實驗系統(tǒng)進行監(jiān)控，最大程度上使學(xué)生感到親身做系統(tǒng)搭建，操作實驗，調(diào)節(jié)參數(shù)，信號測量，數(shù)據(jù)分析，在實驗交互方面真正做到臨場感。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明示意圖。
[0035]圖2為實體實驗系統(tǒng)示意圖。
[0036]圖3為視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖。
[0037]圖4為系統(tǒng)搭建示意圖。
[0038]圖5為連線閉環(huán)控制原理圖。
[0039]圖6為網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)顯示界面示意圖。
【具體實施方式】
[0040]下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1
[0041]如圖1所示，本實施例涉及一種網(wǎng)絡(luò)控制實驗系統(tǒng)包括:實體實驗系統(tǒng)1、控制模塊2、測量模塊3、現(xiàn)場計算機4、視頻監(jiān)控系統(tǒng)5、現(xiàn)場服務(wù)器6以及遠(yuǎn)程客戶端7，其中:實體實驗系統(tǒng)I通過控制模塊2和測量模塊3與現(xiàn)場計算機4連接，測量模塊3測量實體實驗系統(tǒng)I的參數(shù)信號，控制模塊2接收來自現(xiàn)場計算機4的控制信號并對實體實驗系統(tǒng)I進行閉環(huán)控制，現(xiàn)場計算機4和視頻監(jiān)控系統(tǒng)5與現(xiàn)場服務(wù)器6連接，遠(yuǎn)程客戶端7與現(xiàn)場服務(wù)器6通過Internet連接，以使得實驗的操作與顯示可以同時在現(xiàn)場計算機3和遠(yuǎn)程客戶端7進行得以實現(xiàn)。
[0042]如圖2所示，所述的實體實驗系統(tǒng)I包括:執(zhí)行裝置(圖中未示出)、數(shù)字調(diào)節(jié)器(圖中未示出)、實驗顯示屏8、實驗?zāi)K掛箱9、實驗臺10和實驗桌11，其中:實驗顯示屏8與實驗?zāi)K掛箱9并排安裝在實驗臺10上，實驗臺10安裝在實驗桌11上，數(shù)字調(diào)節(jié)器與控制模塊相連并接收開關(guān)輸出量和模擬輸出量，數(shù)字調(diào)節(jié)器向執(zhí)行裝置發(fā)出控制電平，執(zhí)行裝置用于完成實體實驗。
[0043]所述的執(zhí)行裝置包括繼電器、電機等。
[0044]所述的控制模塊2針對不同的實驗設(shè)備進行優(yōu)化控制，如:實體實驗系統(tǒng)I的繼電器吸合狀態(tài)通過modbus協(xié)議實時向現(xiàn)場計算機4發(fā)送繼電器吸合完畢信號。
[0045]所述的控制模塊2包括:微處理器單元、外圍電路單元以及繼電器單元，其中:微處理器單元與外圍電路單元相連并傳輸控制信息，外圍電路單元與繼電器相連并傳輸驅(qū)動信息。
[0046]所述的控制模塊2通過串口線與現(xiàn)場計算機4連接，接收現(xiàn)場計算機4的開關(guān)輸入量和模擬輸入量，控制模塊2通過外圍電路與實體實驗系統(tǒng)I連接，向?qū)嶓w實驗系統(tǒng)I發(fā)送開關(guān)輸出量和模擬輸出量。
[0047]所述的測量模塊3采用虛擬儀器的方法，在現(xiàn)場計算機4調(diào)用對應(yīng)軟件模塊對各種參數(shù)進行測量。
[0048]所述的測量模塊3包括:數(shù)據(jù)采集硬件單元、計算機LABview應(yīng)用程序單元，其中:數(shù)據(jù)采集硬件單元采集實體實驗系統(tǒng)I的各種物理參數(shù)信號，通過總線傳輸?shù)浆F(xiàn)場計算機4上，經(jīng)過計算機上的LABview應(yīng)用程序處理，顯示在現(xiàn)場計算機4顯示屏上。
[0049]所述的測量模塊3通過測量探頭與實體實驗系統(tǒng)I連接，用于測量實體實驗系統(tǒng)I的各種參數(shù)信號，再將參數(shù)信號傳輸顯示在現(xiàn)場計算機4上。
[0050]所述的現(xiàn)場計算機4與現(xiàn)場服務(wù)器6通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接，將實體實驗系統(tǒng)I的控制信息和顯示信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務(wù)器6，遠(yuǎn)程客戶端7訪問現(xiàn)場服務(wù)器6，直觀地顯示實體實驗系統(tǒng)I的運行狀態(tài)。
[0051]如圖3所示，所述的視頻監(jiān)控系統(tǒng)5，包括:網(wǎng)絡(luò)攝像機12、云臺13和支架14，網(wǎng)絡(luò)攝像機12與云臺13通過轉(zhuǎn)動電機連接，網(wǎng)絡(luò)攝像機12與云臺13通過緊密螺絲與支架14連接，支架14通過膨脹螺絲固定在實驗室墻壁上。
[0052]所述的視頻監(jiān)控系統(tǒng)5與現(xiàn)場服務(wù)器6通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接，將實驗室現(xiàn)場視頻信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務(wù)器，遠(yuǎn)程客戶端通過Internet訪問現(xiàn)場服務(wù)器6，實現(xiàn)對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的控制和實驗實時情況的顯示。
[0053]所述的視頻監(jiān)控系統(tǒng)5采集包括聲音、煙霧、火災(zāi)的報警信號。
[0054]所述的現(xiàn)場服務(wù)器6作為各種信號中轉(zhuǎn)中心，用于接收來自遠(yuǎn)程客戶端7的控制信號，接收視頻監(jiān)控系統(tǒng)5的視頻顯示信號，接收現(xiàn)場計算機4的測量信號和硬件連接反饋信號，向遠(yuǎn)程客戶端7發(fā)送視頻顯示信號，測量信號和硬件連接反饋信號，向視頻監(jiān)控系統(tǒng)5發(fā)送云臺控制信號，向現(xiàn)場計算機4發(fā)送控制信號和視頻顯示信號。
[0055]所述的遠(yuǎn)程客戶端7用于實現(xiàn)人機交互，對實體實驗系統(tǒng)I的遠(yuǎn)程操作信號都由遠(yuǎn)程客戶端7發(fā)出，并接收實體實驗系統(tǒng)I的測量信號和硬件連接反饋信號及視頻監(jiān)控系統(tǒng)5的視頻顯示信號。
[0056]本實施例涉及上述系統(tǒng)的實驗方法，包括以下步驟:
[0057]⑴遠(yuǎn)程登錄:實驗者在遠(yuǎn)程客戶端I登錄在現(xiàn)場服務(wù)器6，通過控制模塊2在遠(yuǎn)端完成實驗系統(tǒng)搭建和參數(shù)調(diào)節(jié)，對現(xiàn)場的實體實驗系統(tǒng)I進行操控，通過測量模塊3在遠(yuǎn)端完成信號測量和數(shù)據(jù)分析，在實際操作中能通過遠(yuǎn)程客戶端看到實時視頻場景。
[0058]⑵系統(tǒng)搭建:如圖4所示，以物聯(lián)網(wǎng)模式和基于LABview開發(fā)平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)對遠(yuǎn)程實體實驗系統(tǒng)I兩點進行接線操控，包括兩點連線、連線刪除和系統(tǒng)保護。
[0059]⑶參數(shù)調(diào)節(jié):對模擬量和數(shù)字量的調(diào)節(jié)。
[0060]⑷信號測量:對于數(shù)值測量采用常規(guī)數(shù)值儀表直接顯示；對于波形測量采用虛擬不波器方法米集電信號。
[0061](5)數(shù)據(jù)分析:根據(jù)實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，自行手工分析或通過系統(tǒng)中的軟件進來完成。
[0062](6)臨場監(jiān)控:如圖6所示，采用光學(xué)變焦高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，提供經(jīng)過高倍壓縮的高清實時的現(xiàn)場圖像，再經(jīng)現(xiàn)場服務(wù)器傳送到遠(yuǎn)程客戶端，同時在現(xiàn)場計算機顯示屏上開辟專門顯示窗口，采用畫中畫模式，實驗者可身臨其境的觀察到遠(yuǎn)端操作實體實驗系統(tǒng)的全過程。
[0063]所述的操控，是指:現(xiàn)場手動操作實體實驗系統(tǒng)、現(xiàn)場通過計算機操作實體實驗系統(tǒng)和通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操控實體實驗系統(tǒng)三種實驗?zāi)Ｊ健?br> [0064]所述的步驟⑴遠(yuǎn)程登錄，以web方式，基于瀏覽器的B/S操作界面，支持對有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)包括GPRS、3G、4G、WIFI的設(shè)備遠(yuǎn)程操控和多人互動，在實驗的過程中可以與其他實驗者進行討論。
[0065]所述的兩點連線，是指:選中工具欄中“連線”功能標(biāo)簽后，依次點擊希望連接點:
起點-終點，計算機屏上立即動態(tài)顯示連線(紅色)由起點向終點慢慢延伸，連線生成
后，延遲數(shù)秒，當(dāng)計算機接收到連線完成反饋信號后，連線自動變綠，表示兩點連線成功，兩點處于接通狀態(tài)，為了保證系統(tǒng)連線的可靠性，本實施例引進反饋控制技術(shù)，利用輔助觸點作為反饋信號。
[0066]所述的連線刪除，是指:操作選中工具欄中“刪除”功能標(biāo)簽后，依次點擊已有連線的兩點，連接線會立即消失，表示兩點連線刪除，兩點成斷開狀態(tài)。
[0067]所述的系統(tǒng)保護，是指:當(dāng)實驗者選中不該連接的兩點，計算機自檢判別后會自動提示:“非法操作”，確保實驗系統(tǒng)的安全運行。
[0068]如圖5所示，本實施例連線操作中引進了反饋控制。實驗者選中工具欄中的“連線”功能后，在遠(yuǎn)程客戶端顯示屏上展現(xiàn)的實驗原理圖上依次點擊希望連線的起點——終點，顯示屏上會立即出現(xiàn)一根紅線由起點向終點慢慢動態(tài)延伸，連線生成后，延遲數(shù)秒，計算機接收到反饋信號確認(rèn)后——連線變綠，表示連線完成。
[0069]本實施例控制模塊2采用16只兩常開兩常閉繼電器，其中一對常開觸點控制實體實驗系統(tǒng)兩點的連線，另一對常開觸點作為反饋信號，本實施例中，當(dāng)計算機接受不到反饋信號，連線不會變綠，根據(jù)顏色的變化實驗者可很快直觀地判斷出連線成功與否。這與常規(guī)閉環(huán)控制設(shè)計相比，本實施例在不降低可靠性的條件下，使繼電器的使用數(shù)量一半。每個輸出節(jié)點與繼電器都有固定的地址相對應(yīng)，用戶可根據(jù)實驗連接點的需要對繼電器進行人為配置。此外驅(qū)動板的數(shù)量可根據(jù)需要自行擴展。
[0070]所述的模擬量調(diào)節(jié)，是指:通過網(wǎng)絡(luò)操控驅(qū)動控制模塊2發(fā)出開關(guān)信號，驅(qū)動實體實驗系統(tǒng)I對被控對象(如本實施例的電位器、調(diào)壓器、閥門等)實施連續(xù)調(diào)節(jié)，獲得實驗系統(tǒng)所需的物理量(如本實施例的電阻、電壓、流量等)；通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程驅(qū)動控制模塊2發(fā)出模擬電信號(如本實施例的電壓O— 5v、電流4— 20ma或占空比可調(diào)的PWM波等)對電力電子部件(如本實施例的晶閘管，可控硅等)實施調(diào)節(jié)連續(xù)，獲得實體實驗系統(tǒng)I所需的物理量(如本實施例的電流、光強、溫度等)。
[0071]所述的數(shù)字量調(diào)節(jié)，通過數(shù)據(jù)通訊方式對實體實驗系統(tǒng)中的數(shù)字調(diào)節(jié)器進行參數(shù)設(shè)定或調(diào)節(jié)。
[0072]本實施例通過無線通訊方式完成控制模塊的參數(shù)設(shè)定；通過電信號驅(qū)動實體實驗系統(tǒng)I控制被控對象完成相關(guān)物理量的參數(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)，如通過專門設(shè)計的驅(qū)動/執(zhí)行一體裝置改變負(fù)載(阻性、感性或容性)的大小，以及通過D/Α轉(zhuǎn)換或占空比可變的PWM波加濾波電路生成的模擬量調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角等。
[0073]所述的虛擬示波器采用多通道輸入，觸發(fā)方式包括電平觸發(fā)、上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)，現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)計算機上實時顯示所測波形的頻率、幅值、相位，并完成存儲和打印。
[0074]本實施例通過數(shù)據(jù)采集卡或獨立的數(shù)據(jù)采集模塊將需要測量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將其數(shù)值顯示在現(xiàn)場計算機上，遠(yuǎn)端實驗者采用遠(yuǎn)程登錄方式查看實驗過程中的相關(guān)信號變化情況。同時實驗者通過視頻直接查看實體實驗系統(tǒng)測量儀表顯示的被測信號。對于波形測量，通過LABview平臺，采用虛擬儀器方式將被測波形直接顯示在現(xiàn)場計算機屏上，也可以通過視頻直接查看到被測波形。
[0075]本實施例可根據(jù)實驗結(jié)果數(shù)據(jù)自行手工分析或通過系統(tǒng)自帶的LABview分析軟件進行處理分析，利用軟件分析可自動生成:①表格圖形；(條形圖，餅形圖)；③曲線；根據(jù)用戶需求，繪制特性響應(yīng)曲線、伏安特性曲線、功率曲線、頻域特性圖，根軌跡曲線圖；④特征值；極值、諧振頻率、過渡過程時間，峰值時間，超調(diào)量。
[0076]在所述的步驟(6)臨場監(jiān)控中采用光學(xué)變焦高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，是指:該攝像機安裝在云臺上，由實驗者遠(yuǎn)程操控，進行變焦縮放、多屏互動、錄像存儲。
[0077]在所述的步驟(6)臨場監(jiān)控中，本實施例開辟專用視頻區(qū)，通過光學(xué)變焦高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，將實驗現(xiàn)場的場景傳至現(xiàn)場服務(wù)器，并在現(xiàn)場計算機上實時顯示、存儲。攝像機視頻界面功能:①縮放:按住左鍵拉動看位置。通過滾輪看縮放視頻；②全屏:視頻放大到全屏；③語音:點擊進行多人互動語音交流(本地與遠(yuǎn)端)；④拍照:拍攝頁面照片并自動存儲到文件中，備查閱；⑤播放:攝像頭啟動。視頻開始；⑥錄像:錄制視頻實驗過程并自動存儲到文件中，備查閱預(yù)置位:可預(yù)置多個位置，點擊直接進入看。遠(yuǎn)端實驗者通過遠(yuǎn)程登錄操作，通過視頻臨場感技術(shù)讓實驗者親身感受遠(yuǎn)端操控實驗全過程，如參數(shù)調(diào)整引起的物理一化學(xué)變化過程，達(dá)到進一步加深對實驗原理的理解和相關(guān)知識的掌握。
【權(quán)利要求】
1.一種基于閉環(huán)控制的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)，其特征在于，包括:實體實驗系統(tǒng)、控制模塊、測量模塊、現(xiàn)場計算機、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場服務(wù)器和遠(yuǎn)程客戶端，其中:實體實驗系統(tǒng)通過控制模塊和測量模塊與現(xiàn)場計算機連接，測量模塊用于測量實體實驗系統(tǒng)的參數(shù)信號，控制模塊接收來自現(xiàn)場計算機的控制信號并對實體實驗系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，現(xiàn)場計算機和視頻監(jiān)控系統(tǒng)分別與現(xiàn)場服務(wù)器通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接，將實體實驗系統(tǒng)的控制信息和顯示信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務(wù)器，并將實驗室現(xiàn)場視頻信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場服務(wù)器，遠(yuǎn)程客戶端通過Internet與現(xiàn)場服務(wù)器連接，使得實驗的操作與顯示可以實時在現(xiàn)場計算機和遠(yuǎn)程客戶端上實現(xiàn)； 所述的控制模塊通過串口線與現(xiàn)場計算機連接，接收來自現(xiàn)場計算機的作為控制信號的開關(guān)輸入量和模擬輸入量，控制模塊通過控制電路與實體實驗系統(tǒng)連接，向?qū)嶓w實驗系統(tǒng)發(fā)送開關(guān)輸出量和模擬輸出量以實現(xiàn)閉環(huán)控制； 所述的控制模塊包括:微處理器單元、外圍電路單元以及繼電器單元，其中:微處理器單元與外圍電路單元相連并傳輸控制信息，外圍電路單元與繼電器相連并傳輸驅(qū)動信息； 所述的測量模塊通過測量探頭與實體實驗系統(tǒng)連接，用于測量實體實驗系統(tǒng)的參數(shù)信號，再將參數(shù)信號傳輸顯示在現(xiàn)場計算機上； 所述的測量模塊包括:數(shù)據(jù)采集硬件單元、計算機LABview應(yīng)用程序單元，其中:數(shù)據(jù)采集硬件單元采集實體實驗系統(tǒng)的各種物理參數(shù)信號，通過總線傳輸?shù)浆F(xiàn)場計算機上，經(jīng)過計算機上的LABview應(yīng)用程序處理，顯示在現(xiàn)場計算機顯示屏上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的實體實驗系統(tǒng)包括:執(zhí)行裝置、數(shù)字調(diào)節(jié)器、實驗顯示屏 、實驗?zāi)K掛箱、實驗臺和實驗桌，其中:數(shù)字調(diào)節(jié)器與控制模塊相連并接收開關(guān)輸出量和模擬輸出量，數(shù)字調(diào)節(jié)器向執(zhí)行裝置發(fā)出控制電平，實驗顯示屏與實驗?zāi)K掛箱并排安裝在實驗臺上，實驗臺安裝在實驗桌上，執(zhí)行裝置用于完成實體實驗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的控制模塊包括:針對不同的實驗設(shè)備進行優(yōu)化控制，實體實驗系統(tǒng)的繼電器吸合狀態(tài)通過modbus協(xié)議實時向現(xiàn)場計算機發(fā)送繼電器吸合完畢信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，包括:網(wǎng)絡(luò)攝像機、云臺和支架，其中:網(wǎng)絡(luò)攝像機與云臺通過轉(zhuǎn)動電機連接，網(wǎng)絡(luò)攝像機與云臺通過緊密螺絲與支架連接，支架通過膨脹螺絲固定在實驗室墻壁上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的現(xiàn)場服務(wù)器作為各種信號中轉(zhuǎn)中心，接收來自遠(yuǎn)程客戶端的控制信號、來自視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻顯示信號、來自現(xiàn)場計算機的測量信號和硬件連接反饋信號，并且現(xiàn)場服務(wù)器向遠(yuǎn)程客戶端發(fā)送視頻顯示信號、測量信號和硬件連接反饋信號、向視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送云臺控制信號、向現(xiàn)場計算機發(fā)送控制信號和視頻顯示信號。
6.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實驗方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)遠(yuǎn)程登錄:實驗者在遠(yuǎn)程客戶端登錄在現(xiàn)場服務(wù)器，通過控制模塊在遠(yuǎn)端完成實驗系統(tǒng)搭建和參數(shù)調(diào)節(jié)，對現(xiàn)場的實體實驗系統(tǒng)直接操控，通過測量模塊在遠(yuǎn)端完成信號測量和數(shù)據(jù)分析，在實際操作中結(jié)合實時視頻場景，增強臨場感； 2)系統(tǒng)搭建:以物聯(lián)網(wǎng)模式和基于LABview開發(fā)平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)對遠(yuǎn)程實體實驗系統(tǒng)兩點進行接線操控，包括兩點連線、連線刪除和系統(tǒng)保護； 3)參數(shù)調(diào)節(jié):對模擬量和數(shù)字量的調(diào)節(jié)； 4)信號測量:對于數(shù)值測量采用常規(guī)數(shù)值儀表直接顯示；對于波形測量采用虛擬示波器方法米集電信號； 5)數(shù)據(jù)分析:根據(jù)實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，自行手工分析或通過系統(tǒng)中的軟件進來完成； 6)臨場監(jiān)控:采用光學(xué)變焦高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，提供經(jīng)過高倍壓縮的高清實時的現(xiàn)場圖像，再經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳送到遠(yuǎn)端，遠(yuǎn)程客戶端上開辟專門顯示窗口，采用畫中畫模式，觀察到遠(yuǎn)端操作實體實驗系統(tǒng)的全過程。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，所述的遠(yuǎn)程登錄是指:以web方式，基于瀏覽器的B/S操作界面，支持對有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)包括GPRS、3G、4G、WIFI的設(shè)備遠(yuǎn)程操控和多人互動，如:在實驗的過程中可以與其他實驗者進行討論。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，步驟3中，對模擬量進行調(diào)節(jié)是指:通過網(wǎng)絡(luò)操控驅(qū)動控制模塊發(fā)出開關(guān)信號，驅(qū)動實體實驗系統(tǒng)對被控對象實施連續(xù)調(diào)節(jié)，獲得實驗系統(tǒng)所需的物理量；通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程驅(qū)動控制模塊發(fā)出模擬電信號對電力電子部件實施調(diào)節(jié)連續(xù)，獲得實體 實驗系統(tǒng)所需的物理量；對數(shù)字量進行調(diào)節(jié)是指:通過數(shù)據(jù)通訊方式對實體實驗系統(tǒng)中的數(shù)字調(diào)節(jié)器進行參數(shù)設(shè)定或調(diào)節(jié)。
【文檔編號】G09B5/06GK103985277SQ201410242218
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月3日
【發(fā)明者】田作華, 楊明, 楊根科, 周越, 王冰, 王紅雨, 趙國旗, 王宏武, 錢華新, 郭棟, 施紅梅 申請人:上海交通大學(xué)