模塊化自動控制遠程實驗平臺的設計與實踐

胡文山，關世琦，周 洪，雷忠誠

模塊化自動控制遠程實驗平臺的設計與實踐

胡文山，關世琦，周 洪，雷忠誠

（武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072）

為實現實驗設備的在線共享和實驗教學的多元化發展，設計了基于Web的無插件自動化控制遠程實驗平臺。該平臺的設計包括硬件、軟件、控制算法和系統部署，均采用模塊化設計，平臺規模和功能可以根據需求進行組合。通過風扇控制系統的搭建，展現該設計方法在實驗平臺搭建、擴展和維護上的突出效果。該平臺結合MOOC在線實驗課程，豐富了教學內容，取得了較好的教學效果。

自動控制；網絡化控制；實驗平臺；遠程實驗室；模塊化設計

近些年，我國高等教育在線課程建設快速發 展[1-2]；然而在線實驗課程卻難以滿足教學的需求。隨著互聯網技術的發展，一些高校將在線教育與在線遠程實驗教學相結合，將實驗室放在了互聯網上，形成了在線實驗室[3-4]。例如，江蘇大學基于RIA的遠程實驗系統[5]，海軍工程大學的通信原理遠程實驗平臺[6]，浙江大學的虛擬化學實驗[7]，華東理工大學、大連理工大學、山東大學、哈爾濱工業大學和江南大學成立的用于實驗課程互選互認的高校在線實驗課程聯 盟[8]；中南大學的虛擬醫學陳列館[9]；福建師范大學TD-LTE基站安裝虛擬仿真實驗[10]等。

網絡化控制系統實驗室（networked control system laboratory，NCSLab）是基于自動化學科實驗特點開發的網絡在線實驗室[11-12]，為用戶提供了實體設備和虛擬設備。實體設備有實際的控制對象，而虛擬設備沒有實體實驗對象，但能通過算法計算對虛擬三維模型進行控制。所有的設備都能夠通過可視化界面觀察和監測其運行情況，直觀地展現實驗設備的控制過程和控制效果，是自動化教學的補充和擴展[13]。

為進一步提升自動控制實驗教學效果，本文提出了一種基于NCSLab的模塊化遠程實驗平臺設計方案。該方案簡化了實驗平臺的搭建過程，可以對設立在不同地方的實體平臺進行整合和管理，使NCSLab成為一個能夠涵蓋各類實驗資源、無插件運行的網絡交互實驗平臺[14]，并將已上線的MOOC課程“自動控制原理遠程虛擬仿真實驗”（www.icourse163.org/ course/WHU-1003368016）與NCSLab相結合起來。學生可通過MOOC學習自動控制原理實驗理論知識和實驗平臺的基本操作方法，同時通過NCSLab實驗平臺進行遠程實驗操作。

1 NCSLab簡介

NCSLab創建于2006年，該實驗平臺框架經歷了2次較大的升級，形成了現在的4層結構，即Web瀏覽器—中央服務器—實驗服務器—實驗設備。NCSLab架構如圖1所示。

圖1 NCSLab架構

NCSLab采用瀏覽器/服務器（B/S）架構，不需要下載額外的桌面應用程序[15]，通過網址（https://www. powersim.whu.edu.cn/ncslab）便可訪問。該網站使用HTTPS協議以保障數據通信的安全性。除此之外，NCSLab采用HTML5技術，不需使用Flash插件即可進行三維模型顯示。

目前，NCSLab集成了6臺實體設備和20臺虛擬設備用于日常教學和研究。該實驗平臺能夠為遠程用戶提供實時、可交互的實驗設備用于控制學科的實驗教學。只要保持網絡通暢，用戶便可以訪問該網站，通過改變設備參數來調節控制性能。對不同的實驗設備，用戶可以通過網頁界面組件來搭建適合于該實驗的監控界面，利用實時組件和現場攝像頭得到實驗設備端的反饋。

1.1 免插件的網絡化設計和實現

NCSLab采用基于Web的架構，通過最新的HTML5技術，消除了三維模型運行時所需的Flash插件支持，在主流Web瀏覽器中，用戶可以使用具有交互功能的監控部件進行實驗監控，無需額外安裝任何插件。

1.2 三維虛擬現實

在三維軟件如3ds Max、Solidworks、Pro/E中，按實際設備構建了三維模型。為了提高三維模型在網頁中的加載速度，三維模型可以進行適當簡化，但仍需保持模型的真實性和準確性。模型構建好之后，導出OBJ和MTL文件用于頁面中的模型加載。OBJ文件是三維模型的圖形圖像特征文件，MTL文件是包含有三維模型的顏色信息，兩種格式的文件在網頁上同時加載時才能夠準確、真實地呈現設備模型。

WebGL的Three.js庫提供了能夠解析OBJ和MTL的文件，當需要顯示三維模型時，頁面同時加載OBJ文件和MTL文件，通過代碼解析和重現，便能夠在頁面中顯示設備的三維模型。通過鼠標選擇和拖動，能夠旋轉設備模型以便進行多角度觀察；通過鼠標滾輪向前/向后，能夠實現三維模型的放大/縮小，便于觀察模型細節。HTML5支持紅綠、偏振的三維顯示，佩戴專用三維眼鏡，能夠觀察到更立體、更逼真的三維仿真模型。

1.3 實體實驗和虛擬實驗

NCSLab架構不但支持實體設備，也支持虛擬設備。對于實體設備，例如風扇控制系統和實體雙容水箱等，均有虛擬三維模型與之對應，并在監控界面能夠實時同步顯示。

為了降低實驗成本，虛擬實驗設備占NCSLab設備的大多數，它們能夠提供與實際設備幾乎相同的實驗過程和結果。對于實體設備，遠程控制器控制的是真實的設備；而對于虛擬設備，被控對象是虛擬的數學模型。實體設備與虛擬設備的部署方式如圖2所示。

圖2 實體設備與虛擬設備的部署方式

為了加強虛擬實驗的沉浸感和真實性，NCSLab實現了不同的3D交互方式。例如在虛擬球桿系統中，通過三維界面中的光標調整小球的設定位置；通過鼠標和鍵盤的操作放大和縮小三維模型，鼠標拖動旋轉模型角度等。

2 模塊化設計

2.1 硬件架構的模塊化設計

NCSLab的硬件架構包括實驗設備、實驗服務器、中央服務器和Web瀏覽器。

實驗設備包括實驗對象和控制器。對于實體設備而言，還需要攝像頭和數據采集板（DAQ），DAQ從實體設備裝置獲取實驗數據和現場畫面，回送給控制器，提供用于遠程監控實驗設備的實時數據和實時圖像。控制器采用ARM-9控制板、微型小型PC機等，用來控制實驗設備，并將實驗數據傳回服務器。在虛擬實驗中，實驗設備的數學模型和控制算法均被放置在控制器中進行運算。

實驗服務器也稱為區域實驗服務器，主要用于實驗設備的管理。實驗服務器與實驗設備存在于同一個局域網中，管理該區域實驗室的實驗數據、權限及資源分配等。通過在實驗服務器上部署實時實驗室（real-time laboratory，rtlab），能夠實現實驗設備的實時控制和展示。不同的實驗服務器通過中央服務器連接和管理。

中央服務器即中央Web服務器，是NCSLab的“神經中樞”，主要存放實驗室網站的數據庫，建立與用戶端、實驗設備的網絡連接，從而進行通信和數據交互，能夠將分立在世界各地的區域實驗室整合在一起，形成龐大的NCSLab實驗網絡，供用戶學習和研究。

Web瀏覽器是各用戶的電腦終端，通過瀏覽器展示實驗平臺的控制過程和控制結果，用戶可以通過監控界面多角度全方位地觀察設備的調節過程。

NCSLab的4層架構為系統設計人員和用戶提供了極大便利。該架構易于進行模塊化設計，能夠將各部分進行封裝，不同環節間約定好數據接口，各部分組裝起來方便快捷，使得NCSLab可以集成大量實體和虛擬實驗設備，輕松實現軟件部署和升級、算法定制。同時，各層架構分工明確，通過部署rtlab和實驗設備，還能實現跨機構整合。

2.2 軟件模塊設計

NCSLab前端采用Yahoo UI Library（YUI）框架，從最初搭建至今，已有十幾年穩定運行的基礎。YUI是一組用戶界面工具和控件，用JavaScript寫成，通過DOM腳本、DHTML和AJAX等技術創建前端網頁交互式應用程序。采用HTML5，基于其SVG、Canvas、WebGL及CSS3的3D功能，能夠實現NCSLab三維模型的無插件運行，以支持虛擬和實體設備的遠程實驗。Canvas對象給瀏覽器帶來直接繪制矢量圖的能力，頁面可以脫離Flash和Silverlight插件運行，減少瀏覽器對插件的依賴性，同時HTML5增強了網頁在圖形繪制、媒體播放、信息傳送等方面的能力，為信息展示創造了優越的條件。

實驗監控界面提供了用于實時獲取控制信息的小部件。例如，CanvasJS用于顯示信號的實時圖表；iframe用于顯示實驗設備的遠程實時圖像；使用Three.js實現虛擬設備的3D顯示，用戶可以通過放大/縮小和從任何可能的角度觀看并與3D場景交互。更重要的是，在使用Three.js的虛擬場景中也實現了諸如閥門調整、光標拖動和虛擬布線的實驗操作。監控部件對應關系如圖3所示。

圖3 NCSLab監控界面組態部件

前端頁面與后臺服務系統通過Ajax進行通信，前后端協調好API，約定需要的參數名稱及數據形式，通過.JSON文件進行數據傳輸。將前后端功能分離，做到各司其職，盡量避免在開發和維護過程中牽一發而動全身。單頁面應用的設定將用戶進行分類分流，根據用戶類型有針對性地加載頁面，從而減少前端不必要的加載項，提高了頁面加載和響應速度，避免了瀏覽器不兼容和崩潰等問題。

通過軟件的模塊化設計，將各個部件、功能模塊隔離開，所有監控部件的特性和功能（如3D交互）一一對應，能夠在不影響整體系統的情況下進行更改和開發。

3 實例分析——風扇速度控制系統

3.1 設備部署

風扇實驗臺是一種簡單的速度控制實驗臺，控制器的PWM信號經過放大之后驅動風扇旋轉。風扇每旋轉一圈，就會產生2個脈沖信號，因而風扇的轉速可以通過脈沖信號的頻率測得。它的硬件部分包括風扇設備、實驗服務器、中央服務器和用戶端。遠程端的實驗設備包括：風扇、攝像頭和數據采集板，控制器是小型PC機，其IP地址固定并與風扇系統對應。實驗服務器和網絡服務器放置在武漢大學自動化系的實驗室，通過部署rtlab實現實時數據通信，完成遠程實驗的同步控制和顯示。

3.2 默認算法控制

風扇系統是典型的一階慣性系統，由于其結構簡單、易于控制、成本低，經常被用于自動控制實驗教學。在控制過程中，風扇系統能夠凸顯一階慣性特點，實驗效果較好。

NCSLab為風扇系統提供了2種默認算法——開環控制算法和閉環PI（比例積分）控制算法。通過兩種算法的對比實驗，可以驗證閉環PI控制的優點及比例積分環節在閉環系統控制中起到的作用。

圖4為實驗監控界面，包含有遠程實驗實時畫面、風扇三維模型、數據圖表和輸入輸出框，用戶通過調節參數和給定值，觀察數據曲線圖并得到實驗結果。

圖4 風扇系統PI控制監控界面

3.3 自主算法設計

除了默認的控制算法，用戶還可以自己設計其他算法進行實驗和驗證。以設計抗積分飽和算法為例，說明自主算法設計的過程。

以NCSLab中的風扇系統框圖（見圖5）為基礎，更改其控制模塊的S函數，將抗積分飽和算法通過編程語言實現，并將最終結果輸出給下一模塊。將編輯好的框圖通過MATLAB RTW生成可執行文件，并上傳至控制器中，即可用新算法遠程控制風扇系統。

圖5 風扇系統框圖

4 NCSLab在科研和教學中的應用

隨著3D渲染技術等技術的發展，NCSLab成為了一個能提供在線實驗的復合實驗室，為學生提供更好的實驗環境，為教師提供更豐富的課堂拓展。

目前，NCSLab已被應用于武漢大學的實驗教學，每年有200多名學生在課堂內外進行控制理論的學習和實驗。NCSLab在課堂上主要用于在線演示教材中的概念和公式，達到直觀演示和易于理解的效果；在課后的實驗中，學生可以自主設計算法并進行驗證，進一步加深了對課程理解，強化了課堂理論應用。

在武漢大學，經典控制理論（CCT）、控制系統仿真和計算機輔助設計（CSS＆CAD）、系統辨識（SI）3門課程已經全面使用NCSLab作為實驗教學工具，學生需要在NCSLab上進行相關的實驗，如PID（比例-積分-微分）控制、LQR（線性二次型調節器）控制等。自2015年使用NCSLab后，課程評價結果有明顯提升，2016年后一直保持在較高的水平。

對學生進行的問卷調查結果表明：學生對NCSLab的接受程度非常高，大多數學生認為NCSLab易于使用，可以幫助他們理解課程內容；在實驗的理解和完成度上有很大提高，也加強了對理論知識的理解和應用。

5 結語

NCSLab的模塊化設計簡化了部署新設備的步驟和過程，其軟件架構使NCSLab平臺前端界面負擔減少，顯示和交互性能提高，新特性的增加只需要進行相應部分的修改，而不需要改動整體程序。

NCSLab為學生提供了一個專注于控制理論學習的實驗平臺。模塊化遠程實驗室已成功應用于武漢大學控制工程教學和科研中，并取得了良好的實驗教學效果。

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Design and practice of remote experiment platform for modular automatic control

HU Wenshan, GUAN Shiqi, ZHOU Hong, LEI Zhongcheng

(School of Electrical Engineering and Automation, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

In order to realize the online sharing of experimental equipment and the diversified development of experimental teaching, a remote experimental platform for plug-in-free automatic control based on Web is designed. The design of the platform includes hardware, software, control algorithm and system deployment, all of which adopt modular design. The scale and function of the platform can be combined according to requirements. In combination with MOOC online experiment courses, this platform greatly enriches the teaching content and achieves better teaching effect.

automatic control; Web-based control; experiment platform; remote control laboratory; modular design

TP391.9

A

1002-4956(2019)07-0155-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.037

2019-01-03

自然科學科學基金資助項目（61873195）；武漢大學實驗技術資助項目（WHU-2018-SYJS-05）

胡文山（1980—），男，山東梁山，博士，教授，博士生導師，研究方向為網絡控制系統、遠程網絡實驗室和智能電網. E-mail: wenshan.hu@whu.edu.cn

周洪（1962—），男，湖南株洲，博士，教授，博士生導師，虛擬仿真實驗教學中心主任，主要研究方向為發電控制與智能電網.E-mail: hzhouwhuee@whu.edu.cn