基于分布式仿真的智能控制實驗教學平臺設計

蓋文東, 張　婧, 李玉霞, 高宏巖

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院, 山東 青島　266590)

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基于分布式仿真的智能控制實驗教學平臺設計

蓋文東, 張婧, 李玉霞, 高宏巖

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院, 山東 青島266590)

針對現有智能控制實驗裝置價格高、單臺實驗人數少、實驗項目單一等問題,設計了基于分布式仿真的智能控制實驗教學平臺。該平臺采用分層設計思想,構建了一個閉環智能控制系統,并通過三維視景實時顯示實驗效果。以基于遺傳算法的無人機路徑規劃及路徑跟蹤控制問題為例,說明分布式仿真實驗教學平臺的教學應用。該分布式仿真實驗教學平臺便于學生完成智能控制實驗,并進行二次開發和創新實驗。

智能控制； 分布式仿真； 實驗教學

智能控制是一種無需或僅需很少的人為干預就能獨立地驅動智能機器、實現控制目標的方法,主要用來解決那些傳統控制方法難以解決的復雜系統控制問題[1],代表了控制理論與技術的發展方向。智能控制是高校智能科學與技術、自動化等專業的一門理論與實踐相結合的重要專業課程。完善的智能控制實驗教學平臺是確保學生將所學理論應用于實踐的基礎,是培養學生實踐能力和創新能力的重要保證[2]。

目前,專門用于智能控制教學實踐環節的實驗裝置較少。文獻[3]在A3000過程控制實驗裝置的基礎上,設計了基于模糊-PI雙?？刂频碾p容液位實驗平臺；文獻[4]設計了基于PLC的智能交通燈控制實驗裝置；文獻[5]設計了移動智能體實驗平臺,用于學生完成具有創新性的綜合實驗。這些實驗教學裝置在教學實踐過程中主要存在以下問題:設備采購費用較高,而每套實驗裝置每次僅能供少數學生進行實驗；實驗項目單一,難以在其基礎上進行二次開發,難以滿足大量學生完成不同類型智能控制實驗的需要。

仿真技術通過系統模型和計算機編程,能夠對虛擬的或實際的系統進行動態實驗,對智能控制的實驗教學具有重要應用價值[6]。文獻[7]在Matlab仿真環境下設計了光電跟蹤系統的模糊自適應PID控制實驗；文獻[8]采用VC與Matlab的混合編程方法,將遺傳算法與PID控制相結合并設計了智能控制創新實驗平臺；文獻[9]設計了基于三維視景技術的車輛電子控制虛擬實驗平臺,取得了良好的實驗教學效果?；贛atlab的仿真實驗平臺有利于智能控制算法的研究,但其用戶交互系統較為簡單,難以使學生對實驗環境和控制效果有實際的感受。

本文基于分布式仿真和三維視景技術,設計了一種智能控制實驗教學平臺,為學生提供軟件仿真環境下可視化的實驗平臺,有助于提高學生學習興趣、培養學生的動手能力和創新意識。

1　分布式仿真實驗教學平臺總體結構

分布式仿真[10-11]是利用網絡技術,將具有不同功能的、分布的各個仿真節點連接在一起,通過各個仿真節點間的數據交互完成仿真運行。將分布式仿真與三維視景技術相結合,能夠構建出更加逼真的仿真實驗環境,使學生能夠身臨其境地感受到被控對象及其工作環境的動態變化,以及智能控制算法的應用效果。該分布式仿真實驗教學平臺的總體結構如圖1所示。

圖1　分布式仿真實驗教學平臺結構圖

在分布式仿真實驗教學平臺中,仿真管理節點主要負責仿真過程管理,它提供了仿真節點搜索、初始化、運行、暫停、停止等功能；被控對象節點主要完成被控對象非線性動力學模型的數值計算,它根據當前仿真周期的控制指令得到被控對象輸出數據；控制器節點主要實現智能控制算法,它根據期望指令和當前仿真周期的對象輸出數據,運行智能控制算法,產生控制指令；視景顯示節點主要完成被控對象在其工作環境中的動態視景顯示功能,該節點只接收數據,而不發布數據。

2　分布式仿真實驗教學平臺設計

2.1仿真支撐平臺設計

分布式仿真系統的基本功能是通過仿真支撐平臺完成的,該仿真支撐平臺采用了分層設計思想,分為核心層和應用層,均采用C++編程實現(見圖2)。

圖2　仿真支撐平臺分層設計示意圖

在分布式仿真過程中,數據交互類CDSM通過分布式共享存儲機制,實現各個仿真節點的數據交互。本平臺采用了基于軟件實現的邏輯共享存儲技術[12]。仿真支撐平臺的底層通信是通過網絡通信類CUDPSocket實現的,它采用UDP協議和多播通信方式。實時時鐘類CRTTimer在Windows多媒體時鐘庫基礎上進行封裝,可實現1 ms的精確定時,為實時仿真提供計時服務。仿真管理類CAdiminNode和仿真應用類CSimNode是在核心層3個類基礎上構建的,它們在內部集成了相應的仿真管理和調度功能,無需用戶干預。另外,它們還對外提供了仿真命令接口,用戶可以直接調用這些命令實現對仿真過程的控制。

該仿真平臺包括:仿真管理節點和仿真應用節點,其中仿真應用節點可細分為被控對象仿真節點、控制器仿真節點、視景顯示節點等。

2.2仿真管理節點設計

仿真管理節點相當于控制臺,它負責整個仿真系統的配置和管理,包含了仿真管理類CAdiminNode的對象,需要完成以下功能。

(1) 搜索節點。管理節點在網絡上發布接收仿真應用節點的注冊消息,在線的仿真應用節點接收到該注冊消息后,向管理節點發送注冊信息,包括本節點的名稱、IP地址、數據接收端口、本地分布式共享內存區(DSM)及其所有權標志等。

(2) 仿真初始化。整個分布式仿真系統的初始化工作包括管理節點初始化和仿真應用節點初始化。對于管理節點來說,在完成節點搜索工作后,它根據搜索到的當前在線的仿真應用節點信息,為各個仿真應用節點分配多播組地址,具有同名DSM的仿真應用節點將分配相同的多播組地址。因此,同一個仿真應用節點可加入多個多播組地址。對于仿真應用節點來說,在收到管理節點初始化命令后,支撐平臺會自動調用相應的仿真初始化函數,完成用戶需要的特定的初始化操作。該功能由CSimNode類通過函數指針實現,改變函數指針的指向就可以實現調用不同的初始化函數,實現不同的功能。

(3) 仿真管理。主要對仿真步長、仿真速度、仿真總時間、仿真類型等仿真參數進行設置,以及對仿真過程的啟動、暫停、加速、減緩和終止等操作?？墒褂梅抡婀芾砉濣c界面上的相應命令或工具欄按鈕運行仿真、暫停仿真或終止仿真。為了保證整個仿真系統中各節點仿真時間的一致性,由管理節點掌控著仿真時鐘。仿真運行后,每隔一個仿真周期,管理節點會向各仿真應用節點發送仿真推進指令,各仿真應用節點接收到仿真推進指令后,分別調用各自的仿真過程函數,完成一個周期的仿真,并交互必要的仿真數據。

2.3被控對象仿真節點設計

被控對象仿真節點內包含了一個仿真應用類CSimNode的對象,由該對象負責仿真系統底層的網絡通信、數據交互、仿真命令解析等任務。實現數據交互時,只需要把在網絡上共享和交互的數據塊交由一個CDSM類的對象管理,并將這些CDSM類的對象向CSimNode類的對象注冊即可。

在每個仿真周期內,被控對象仿真節點是最先進行仿真運算的節點,運算完成后將所得的被控對象輸出數據發送給控制器仿真節點和視景顯示節點,以便控制器仿真節點進行控制律解算、視景顯示節點完成場景顯示。被控對象模型的數值求解采用四階龍格庫塔算法實現。

2.4控制器仿真節點設計

控制器仿真節點包含了一個仿真應用類CSimNode的對象,主要完成控制器仿真任務,即計算控制指令。它根據被控對象仿真節點的數據,按照一定的控制律來計算控制指令,并將該控制指令發送給被控對象節點作為其控制輸入。

在每個仿真周期內,當控制器仿真節點接收到管理節點發送的仿真推進指令時,并不立即完成控制律計算,而是等待被控對象節點仿真數據計算完畢,并傳送過來之后才能進行,否則就會出現錯誤。這一點是通過仿真支撐平臺保證的。將本地節點用作仿真結果輸出的、可改寫的DSM數據塊屬性定義為W(寫),而將仿真計算需要用到卻無法改寫的DSM數據塊屬性定義為R(讀),就可以實現數據的有序共享,保證仿真的時序。

2.5視景顯示節點設計

視景顯示節點包含了一個仿真應用類CSimNode的對象,主要完成被控對象及其場景的動態顯示,以便學生對于控制效果有一個直觀、清晰的認識。

通過Creator軟件建立被控對象及其場景的三維模型,同時利用VegaPrime軟件提供的三維視景模型驅動接口,在視景節點中實現三維視景的動態顯示。視景顯示節點接收仿真管理節點的仿真推進指令,并接收被控對象仿真節點和控制器仿真節點的輸出數據。

3　教學應用實例

以基于遺傳算法的無人機路徑規劃及路徑跟蹤控制問題為例,說明該分布式仿真實驗教學平臺在實際教學中的應用。

3.1無人機路徑規劃與跟蹤控制實驗設計

被控對象仿真節點的主要功能是完成無人機動力學模型的數字仿真。

無人機六自由度非線性模型包括:機體坐標系中質心動力學方程(力方程)、繞質心轉動的動力學方程(力矩方程)、地面坐標系下的質心運動學方程和繞質心轉動運動學方程,共計12個一階微分方程[13]。

被控對象仿真節點根據控制器節點產生的舵面偏轉和油門開度指令,采用四階龍格庫塔算法,完成對無人機非線性模型的數值求解,得到當前仿真周期的無人機飛行狀態信息(包括位置、姿態等)。

本實驗采用了基于遺傳算法的路徑規劃方法。遺傳算法是建立在遺傳學機理上的迭代自適應概率性搜索算法,通過自然選擇、交叉和變異等操作,完成問題的優化求解[14-15]?；谶z傳算法的路徑規劃計算流程如圖3所示。

圖3　基于遺傳算法的路徑規劃流程圖

當得到可行的最優路徑后,利用PID控制方法分別設計無人機的高度、速度以及側偏距控制律，以實現對所得最優路徑的跟蹤控制。

控制節點的跟蹤控制算法是將連續的PID控制器離散化得到的,所采用的離散化方法為雙線性變換法(圖斯汀變換法)：

(1)

式中,T為采樣周期。

本實驗的視景仿真節點主要完成無人機避障飛行過程的動態顯示,包括無人機三維模型、三維地形模型等。視景節點接收被控對象節點的仿真數據,實現無人機三維模型姿態、軌跡以及三維地形的動態變化。

3.2無人機路徑規劃與跟蹤控制實驗結果

在本文構建的分布式仿真平臺基礎上,實現了基于遺傳算法的無人機路徑規劃分布式仿真實驗,仿真系統的參數設置如表1所示。

表1　分布式仿真的參數設置表

根據表1中參數設置分布式仿真實驗平臺,基于遺傳算法的路徑規劃所得到的無人機可行路徑,以及無人機自動規避障礙物的機動飛行三維視景分別如圖4和圖5所示。

圖4　控制器節點的無人機路徑規劃圖

圖5　視景節點的無人機飛行效果圖

根據圖4和圖5可知,在分布式仿真實驗教學平臺的基礎上,基于遺傳算法的路徑規劃方法可以得到無人機的可行路徑,路徑跟蹤控制方法可以實現對規劃路徑的跟蹤。這些結果均可以通過視景節點的動態仿真界面直觀地呈現在學生面前。

3.3功能特點與應用分析

該基于分布式仿真的智能控制實驗教學平臺,有效彌補了現有智能控制實驗裝置在實踐教學過程中的不足,其優勢體現在以下兩方面。

(1) 實驗設備經濟、使用方便,實驗結果形象、直觀。該分布式仿真平臺只需要4臺計算機,分別作為仿真控制節點、被控對象節點、控制器節點和視景節點。我校自動化專業實驗室配有60臺高性能計算機以及局域網,這些設備可以構成多套分布式仿真平臺,從而有效解決了實驗設備數量少與學生人數多的矛盾。另外,學生完成相應的算法和程序設計,得到形象、直觀的實驗結果,大大提高了學習興趣。

(2) 具有較強的可擴展性,便于學生進行二次開發和創新研究。通過該分布式仿真平臺,學生可以在控制器節點設計與實現不同智能控制算法，在被控對象節點設計與實現不同類型的控制對象，并在視景節點建立不同的三維視景仿真環境。這有利于學生完成創新性研究和畢業設計等教研活動。

4　結語

本文針對智能控制實驗教學過程中存在的問題,設計了基于分布式仿真的智能控制實驗教學平臺。該平臺充分利用了現有實驗室的條件,具有較強的二次開發能力和創新研究價值,有助于增強學生對智能控制課程學習的興趣,提高學生應用智能控制理論知識分析、解決實際問題的能力。

References)

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An intelligent control experiment teaching platform based on distributed simulation

Gai Wendong, Zhang Jing, Li Yuxia, Gao Hongyan

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Aiming at the problem of the intelligent control experimental devices during the experimental teaching, an intelligent control experimental teaching platform based on the distributed simulation is designed. In this experimental teaching platform, the distributed simulation technology is used to construct a closed-loop intelligent control system, and the experimental result is shown by the 3D visual simulation. The application effect shows that it is helpful for the students to finish the intelligent experiment, and carry out the secondary development and innovation research.

intelligent control; distributed simulation; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.034

2015- 08- 11

山東省自然科學基金資助項目(ZR2014FQ008)；山東科技大學自動化學院名校工程建設項目(MX-JXGG-5) ； 山東科技大學電氣與自動化工程學院優秀教學團隊建設計劃資助(skzdhjxtd152)；山東科技大學人才引進科研啟動基金項目(2014RCJJ053)

蓋文東(1982—),男,山東淄博,博士,講師,主要研究方向為飛行控制、控制理論及其應用.

E-mail:gwd2011@sdust.edu.cn

TP273

A

1002-4956(2016)3- 0134- 04