控制類多學科融合虛擬仿真教學資源建設

白瑞峰, 于赫洋, 靳荔成, 韓洪洪

(天津大學 電氣與自動化工程學院 電氣工程與自動化國家級虛擬仿真實驗教學中心, 天津 300072)

從“復旦共識”到“天大行動”,再到“北京指南”,新工科建設“三部曲”起承轉合、漸入佳境。在新工業革命加速進行中,新工科建設勢在必行[1]。工程教育在我國高等教育中占有重要地位,高素質工程科技人才是支撐產業轉型升級、實施國家重大發展戰略的重要保障。在“互聯網+”和《中國制造2025》計劃的時代背景下,高校應主動服務國家戰略需求,主動服務行業企業需要,加快建設新工科專業,打造“卓越工程師教育培養計劃”的升級版[2],探索“新工科”背景下創新工程教育與實踐教學資源建設,最終形成中國特色、世界水平的工程教育體系。由于計算機控制系統、過程控制系統、運動控制系統、現代控制原理、智能控制等控制類學科緊密貼近工程實際,涉及廣、交叉大,同時也是電氣信息類專業核心課程[3-4],所以涉及控制類多學科融合的綜合實踐教學資源越來越受到重視。

為更好地推進課程教學內容的理解,有必要搭建一個融合多課程內容、虛擬實驗與實際實驗相結合的綜合實驗教學系統,從而有效地幫助學生將理論學習與實驗實踐有機結合,培養創新意識和提高創新創業能力[5-6]。

依據實踐教學規律和自動化專業過程控制、運動控制、計算機控制等控制類課程需求,將虛擬仿真技術和互聯網技術應用到控制系統設計、控制系統網絡構建、機器人控制和智能制造等實踐教學內容中,并構建控制類多學科融合實驗教學系統。該系統包括虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺,可完成實體實驗及虛擬實驗教學與管理；還包括工業機器人控制系統構建和過程控制系統構建虛擬實驗、DCS網絡實驗等內容。該系統中的資源覆蓋了過程控制、運動控制、計算機控制所需的實驗教學內容,且各有所側重,同時也涉及先進過程控制、控制網絡、機器人技術、智能制造等科技前沿技術,旨在為自動化專業本科生提供從系統建模、PID整定、控制系統設計、控制網絡設計和智能制造系統構建的完整實踐教學平臺。

1 工業機器人控制系統構建

工業機器人控制系統構架是在原有RV-F三菱機器人的基礎上,引入了Visual Components開源機器人虛擬仿真環境,其網絡結構如圖1所示。該控制系統包括含有機械手的3D虛擬對象、三菱Q系列PLC及MES系統、Web服務器和數據庫服務器等。終端用戶可通過訪問服務器控制PLC,通過CC-Link現場采集監控實際對象,也可與虛擬對象通信。

圖1 工業機器人虛擬實驗系統結構圖

實驗系統與服務器的網絡管理平臺集成,學生可通過互聯網遠程完成實驗項目。如圖2所示,學生可通過互聯網訪問服務器,調用虛擬對象進行生產線的工藝設計,同時該虛擬環境支持SolidWorks,允許自主設計模型。利用GX-Works2對PLC進行編程,從而控制3D虛擬對象。利用Visual Components(VC)搭建的虛擬對象代替了機械對象,可與真實PLC數據交互。學生通過真實的PLC實現對虛擬對象中機械手、電機、閥門等執行器的控制。生產線以及數據庫的信息與PLC通信通過MES模塊實現。

圖2 工業機器人虛擬仿真實驗

該實驗系統與實際設備相對應,為學生提供更加優質的教學資源環境,擴大了教學資源共享范圍。學生可選擇不同的虛擬仿真機器人對象并設計機器人動作，以完成不同任務。也可實現虛擬設備和真實設備的通信,為虛實結合的實驗教學內容提供基礎。依托該平臺,我校學生已申請國家大學生創新訓練項目3項,獲得“三菱電機杯”全國大學生自動化大賽等科技競賽獎項10余項。

2 構建過程控制系統虛擬實驗

該實驗基于過程控制系統的典型被控對象液位對象構建,系統結構如圖3所示。系統包括實際被控對象、虛擬被控對象以及LabVIEW開發的人機交互及登錄配置模塊、控制算法及仿真模塊、SoftMotion模塊[7]、數據采集模塊等。

圖3 構建過程控制系統虛擬實驗系統結構圖

構建過程控制系統虛擬實驗能夠完成過程控制虛擬實驗和實體實驗,液位過程控制系統構建、一階和二階對象建模、PID工程整定以及先進過程控制等，是控制思路、控制策略和控制方法等創新實驗的基礎。

該實驗系統通過LabVIEW與SolidWorks的開源環境自主開發設計,可進行三維可視化圖形仿真,為學生提供清晰、逼真的3D效果。系統設計采用“被控對象+控制”的基本架構和模塊化開放的設計理念。LabVIEW完成控制算法及仿真模塊通信,可實現PID控制,學生也可通過該算法模塊完成其他先進過程控制的設計。數據采集模塊選用NI-6259[8],通過數據采集模塊實現對實際對象的控制。3D虛擬對象通過SolidWorks設計實現,結合SoftMotion完成3D虛擬對象與LabVIEW控制算法及仿真模塊的通信,從而搭建起完整的虛擬仿真實驗平臺。

圖4(a)為實體實驗對象,包括二階水槽、差壓變送器、電動調節閥、渦輪流量計及相關的顯示儀表,圖4(b)為利用SolidWorks實現的虛擬被控對象,其組成、尺寸與實體對象一致。

圖4 過程控制系統被控對象

在被控對象中，水槽可簡化為慣性環節數學模型[9]。針對實體被控對象,在不同的工作點通過響應曲線法進行建模，實驗界面如圖5所示。可通過選單選取一階控制系統建模、一階控制系統PID整定、二階控制系統建模、二階控制系統PID整定以及創新控制策略等實驗。圖5中,左側為3D顯示界面,可直觀看到虛擬被控對象的變化以及相關儀表的顯示狀態,右側為實驗區域,包括參數設定、曲線顯示以及實驗結果等。

圖5 實驗界面

3 DCS網絡虛擬實驗

根據專業培養目標要求,自動化專業本科生應具備控制系統設計與調試的能力,還需要掌握DCS、CC-Link、Profidbus等控制系統的網絡架構[10],而這對于剛完成理論課學習的本科生來說,略感吃力。針對控制網絡的構建實踐教學需求,開發了DCS網絡虛擬實驗。在網絡的環境下,學生可完成DCS網絡構建、過程控制對象的建模和整定等實驗內容。

該實驗基于VB和KingACT自主開發,采用開放式、模塊化的設計思路,在KingACT[11]中分別建立對象模型程序和控制器模型程序,通過VB編程環境分別建立對象界面和控制器操作界面,利用OPC服務器完成VB程序和KingACT的數據交互。

DCS網絡虛擬實驗的網絡結構如圖6所示。實體的控制器與被控對象均設有網絡接口，可與操作員站和工程師站進行通信。操作員站計算機運行VB程序,可完成虛擬或者實體的控制器和被控對象的監控；虛擬控制器和虛擬被控對象可由運行KingACT的計算機實現,同時在該計算機上啟動KingACT的OPC服務器。

圖6 DCS網絡虛擬實驗的網絡結構

OPC服務器[12]近似于實體對象中傳感器和執行器之間的信號連接,可實現控制信號與控制對象參數信號連接。通過該實驗，學生可完成DCS網絡構建以及虛擬、實體的實驗內容。

4 管理與共享平臺

為了對實驗教學資源進行有效管理,提高應用效果和共享范圍,構建了虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺。虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺是基于J2EE架構的B/S結構[13],如圖7所示。

圖7 虛擬仿真實驗教學管理與共享平臺結構圖

該平臺覆蓋實體實驗、虛擬實驗、基礎實驗、創新創業實驗等多層次的實驗教學內容。此外,該平臺遵循資源共享，重視科研成果向教學的轉化及校企合作,讓更多的本科生提前了解學科及行業前沿,對全面提升學生綜合素質具有重要意義。

5 結語

面向新工科實踐教學,緊密結合電氣信息類學科及工業發展的機器人技術、智能制造、網絡控制等前沿技術，構建了控制類多學科融合虛擬仿真實驗教學系統。該教學資源擴充過程控制、對象模型測取及PID整定、控制網絡、機器人技術以及智能制造等方面的實驗教學內容。該平臺的構建融合了過程控制、運動控制、計算機控制等控制類核心課程,打破獨立課程的教學“孤島”,涵蓋了從基本原理驗證、設計性開放性實驗,到科技前沿學科競賽等教學需求。該平臺豐富了工程教育培養手段,填補、充實了本科生實踐教學內容,為新工科背景下的實踐教學、多層次教學奠定了基礎。

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