專利名稱：虛擬計算機過程控制及通信實驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種虛擬計算機過程控制及通信實驗系統(tǒng)，屬實驗裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本實驗系統(tǒng)是為自動化專業(yè)、控制類專業(yè)以及計算機應(yīng)用等專業(yè)研究開發(fā)的一套實驗系統(tǒng)。這些專業(yè)開設(shè)自動控制等課程時必須進行過程控制實驗，但部分的學校由于手段和裝置的問題無法進行實驗。也有一些學校也開設(shè)一些實驗，但一般采用以下實驗方法a、采用計算機模擬和仿真的辦法。
由于沒有實驗裝置，只能采用計算機和模擬仿真方法，這種方法在學生實驗時，沒有被控制的對象，也不動手，所以效果很差，達不到動手實踐和提高感性認識的功效。
b、有的也搞了一些裝置，但以儀表控制為主，或自編了一些控制軟件。一般對象不直觀，開設(shè)的實驗比較少，以儀表控制為主，技術(shù)比較落后，價格也比較昂貴。
c、原有的實驗裝置一般為一個獨立的裝置，每次只能供1-2位學生做實驗，學生總?cè)藬?shù)比較多時，就存在實驗裝置少與人多的矛盾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種采用以Labview為軟件平臺的虛擬儀器技術(shù)及可用電話線進行的遠程通信，使實驗系統(tǒng)變成實驗網(wǎng)絡(luò)的虛擬計算機過程控制及通信實驗系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案特點是它包括液位控制系統(tǒng)實驗裝置、流量控制系統(tǒng)實驗裝置、恒壓水循環(huán)系統(tǒng)及建立在LABVIEW為軟件平臺上的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及數(shù)據(jù)通信模塊，被控對象的目標值由計算機界面上給定，被控對象的實際值通過變送器檢測，測得信號送入數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號與被控對象的目標值給定信號同時送入包括數(shù)字濾波，多輸入通道的信號分離等處理的數(shù)據(jù)處理模塊，經(jīng)處理后的信號送入控制算法模塊進行運算，運算的控制信號驅(qū)動伺服放大器，推動調(diào)節(jié)閥，將被控參數(shù)調(diào)整至目標值，同時信號還送入利用Datasocket進行數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)通信模塊，通過服務(wù)器數(shù)據(jù)端、公用電話網(wǎng)及Datasocke服務(wù)器與客戶端相連接。
由于本發(fā)明是用虛擬儀器技術(shù)，是比較新的計算機應(yīng)用技術(shù)，采用LABVIEW為軟件平臺，自主開發(fā)了計算機過程控制的軟件，實現(xiàn)了對一階、二階、單回路和串接系統(tǒng)等多種模式的過程控制，可以代替儀表控制，實現(xiàn)了技術(shù)上的發(fā)展，也將實驗的課程擴大到計算機控制、虛擬儀器技術(shù)等領(lǐng)域。本發(fā)明不僅實現(xiàn)了實驗室局域網(wǎng)的通信，并且還可通過電話線和任何一處實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信，并開設(shè)專用網(wǎng)頁，使用者可上網(wǎng)直接下載文件。一個裝置可通過網(wǎng)絡(luò)擴展到多個終端，以解決裝置少實驗人數(shù)多的矛盾，大大提高了實驗系統(tǒng)的利用率和功效。本發(fā)明應(yīng)用過程控制技術(shù)開發(fā)了可自由組合的液位、流量一階、二階、單回路、串級等多種模式的實驗，除了計算機控制也可用于儀表控制。


圖1為虛擬計算機過程控制及通信實驗系統(tǒng)前面板框圖；圖2為虛擬計算機過程控制及通信實驗系統(tǒng)程序框圖；圖3為虛擬計算機過程控制及通信實驗系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)軟件框圖；圖4為液位單回路虛擬計算機過程控制系統(tǒng)原理圖；圖5為液位串級虛擬計算機過程控制系統(tǒng)原理圖；圖6為流量單回路虛擬計算機過程控制系統(tǒng)原理圖；圖7為流量串級虛擬計算機過程控制系統(tǒng)原理圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的組成本實驗系統(tǒng)由六部分組成，其組成如下1、液位控制系統(tǒng)實驗裝置包括液位上、下水槽、差壓變送器、無紙記錄儀、伺服放大器、調(diào)節(jié)閥及支架。
2、流量控制系統(tǒng)實驗裝置包括液位水槽、差壓變送器、流量計、流量顯示器、伺服放大器、無紙記錄儀、調(diào)節(jié)閥、支架。
3、恒壓水循環(huán)系統(tǒng)包括恒壓上位水箱、循環(huán)水箱、循環(huán)水泵。
4、信號轉(zhuǎn)換部分包括A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I轉(zhuǎn)換器、信號采集軟件。
5、虛擬控制軟件，其組成見圖1、圖2，它包括數(shù)據(jù)采集模塊、包括多輸入通道數(shù)據(jù)分離、數(shù)字濾波處理的數(shù)據(jù)處理模塊、包括常規(guī)PID、積分分離PID等算法的控制算法模塊、利用Datasocket進行數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊及控制輸出模塊。
6、網(wǎng)絡(luò)控制軟件，其組成由圖3所示，其工作流程如下由服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)Datasocket服務(wù)器由客戶應(yīng)用進程接收數(shù)據(jù)。
本發(fā)明可完成以下主要實驗1、單回路液位虛擬計算機過程控制及通信實驗；2、單回路流量虛擬計算機過程控制及通信實驗；3、串級液位虛擬計算機過程控制及通信實驗；4、串級流量虛擬計算機過程控制及通信實驗；5、計算機系統(tǒng)辨識。
本發(fā)明的實施以液位單回路控制為例，結(jié)合附圖作一說明。從附圖4中可以看出我們要控制的對象是液位槽1的液位高度。此高度由實驗者在計算機的控制界面上給定，而液位槽的實際液位高度通過液位變送器2測得，并將測得的信號送入數(shù)據(jù)采集模塊3，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)計算機軟件讀取以后，送入數(shù)據(jù)處理模塊4，由計算機軟件對輸入的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理。這些處理包括數(shù)字濾波，多輸入通道的信號分離等。經(jīng)處理后的信號一方面送入控制算法模塊5進行運算，另一方面送入數(shù)據(jù)通信模塊10準備數(shù)據(jù)的遠程通信。
a、控制算法模塊將數(shù)據(jù)處理模塊送入的信號進行控制算法運算，其運算有比例(P)、積分(I)、微分(D)算法運算和其它的算法運算。運算結(jié)果輸入控制輸出模塊7，將信號從數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換為模擬信號，以驅(qū)動伺服放大器8，從而驅(qū)動調(diào)節(jié)閥9，使調(diào)節(jié)閥開啟或關(guān)閉，使水的流量根據(jù)計算機的運算結(jié)果調(diào)整變化，從而讓液位槽的水位達到實驗者要求的給定高度。同時這時的液位槽的實際水位送入數(shù)據(jù)顯示模塊6，在計算機液位顯示框內(nèi)顯示出來。
b、數(shù)據(jù)處理模塊4的輸出信號，同時輸入到數(shù)據(jù)通信模塊10，并利用Datasocket將信號送入到服務(wù)器數(shù)據(jù)端11，通過電話撥號接入公共電話網(wǎng)12，輸送到用戶方的Datasocket Sevver13，在客戶14的計算機上將會出現(xiàn)遠程傳輸?shù)膶嶒灴刂葡到y(tǒng)的信號、數(shù)據(jù)和圖象。
整個系統(tǒng)全部是以Labview為軟件平臺，用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的虛擬計算機控制系統(tǒng)。并將實驗數(shù)據(jù)通過電話線進行遠程通信，可到達電話能接通的任何地方。
圖5是液位串級虛擬計算機過程控制及通信實驗系統(tǒng)的原理圖，其控制的對象是二個液位槽即上液位槽和下液位槽。信號也有二路，其復雜程度比上述實驗更復雜，而工作過程基本一致。圖6、圖7為為流量單回路控制系統(tǒng)實驗和流量串級控制系統(tǒng)實驗的原理圖。其控制參數(shù)為流量。而工作原理與液位控制相同。
根據(jù)以上工作原理的說明，可看出本發(fā)明有以下幾個特點1、計算機控制采用了以Labview為軟件平臺的虛擬儀器技術(shù)。而Labview軟件平臺是一種圖形化軟件。其程序設(shè)計和編制是采用圖形化方式，分成前面板和程序，其設(shè)計框圖，見前面框圖，該軟件不僅比較新，而且編程簡單，修改容易，學生可以容易地按要求進行編制和修改，并在此過程中學習Labview軟件，以掌握虛擬儀器技術(shù)。
2、本發(fā)明可利用電話線進行遠程通信，使實驗系統(tǒng)變成了實驗網(wǎng)絡(luò)，在任何可接通電話的地方均可使用。這不僅使學生學會了如何建立遠程通信而且擴大的實驗范圍，提高實驗利用率，為目前廣泛推廣的遠程教學提供了實驗手段。
3、本發(fā)明的裝置設(shè)計，應(yīng)用了過程控制的技術(shù)，選擇了液位流量這二個最為直觀的量來進行控制，給學生一個非常直接的感性認識，并通過親手操作對控制過程有一個清晰的認識。
權(quán)利要求
1.一種虛擬計算機過程控制及通信實驗系統(tǒng)，其特征在于，它包括液位控制系統(tǒng)實驗裝置、流量控制系統(tǒng)實驗裝置、恒壓水循環(huán)系統(tǒng)及建立在LABVIEW為軟件平臺上的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及數(shù)據(jù)通信模塊，被控對象的目標值由計算機界面上給定，被控對象的實際值通過變送器檢測，測得信號送入數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號與被控對象的目標值給定信號同時送入包括數(shù)字濾波，多輸入通道的信號分離等處理的數(shù)據(jù)處理模塊，經(jīng)處理后的信號送入控制算法模塊進行運算，運算的控制信號驅(qū)動伺服放大器，運算的控制信號驅(qū)動伺服放大器，推動調(diào)節(jié)閥，將被控參數(shù)調(diào)整至目標值，同時信號還送入利用Datasocket進行數(shù)據(jù)通信模塊，通過服務(wù)器數(shù)據(jù)端、公用電話網(wǎng)及Datasocke服務(wù)器與客戶端相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬計算機過程控制及通信實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的液位控制系統(tǒng)實驗裝置包括液位上、下水槽、差壓變送器、無紙記錄儀、伺服放大器、調(diào)節(jié)閥及支架。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬計算機過程控制及通信實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的流量控制系統(tǒng)實驗裝置包括液位水槽、差壓變送器、流量計、流量顯示器、伺服放大器、無紙記錄儀、調(diào)節(jié)閥、支架。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種虛擬計算機過程控制及通信實驗系統(tǒng)，特點是它包括液位、流量實驗裝置、及建立在LABVIEW為軟件平臺的數(shù)據(jù)采集、處理及數(shù)據(jù)通信等模塊，被控對象由變送器測得信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換后與給定信號送入數(shù)據(jù)處理模塊，經(jīng)處理的信號送入控制算法模塊運算及數(shù)據(jù)通信模塊，通過公用電話網(wǎng)實現(xiàn)通信。本發(fā)明用虛擬儀器技術(shù)，以LABVIEW為軟件平臺，實現(xiàn)了多種模式的過程控制，不僅實現(xiàn)了實驗室局域網(wǎng)的通信，還可通過電話線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信。
文檔編號G06F17/00GK1494014SQ0213768
公開日2004年5月5日 申請日期2002年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月29日
發(fā)明者居滋培, 許偉明 申請人:上海理工大學