基于闭环控制的网络实验系统及其实现方法
【专利摘要】一种基于闭环控制的网络实验系统及其实现方法，该系统包括：实体实验系统、控制模块、测量模块、现场计算机、视频监控系统、现场服务器和远程客户端，其中：实体实验系统通过控制模块和测量模块与现场计算机连接，测量模块用于测量实体实验系统的参数信号，控制模块接收来自现场计算机的控制信号并对实体实验系统进行闭环控制，现场计算机和视频监控系统分别与现场服务器通过有线或无线网络连接，将实体实验系统的控制信息和显示信息传输到现场服务器，并将实验室现场视频信息传输到现场服务器，本发明具有远程操控的优点，将实验从虚拟仿真变为实体操控，实际操作中配合视频临场感技术，使实验者身临其境，实现资源共享，大大提高了设备的利用率。
【专利说明】基于闭环控制的网络实验系统及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种网络系统及其方法，特别是一种与自动控制、物联网、视频监控、数据处理及教学实践密切关联的网络实验系统及其实现方法。
【背景技术】
[0002]随着我国高等教育的普及，近年来特别强调要加强本科培养中的工程教育，很多高校正着力于实习基地和教育教学实验系统的建设，然而由于资金所限，致使不少学校常常采取用理论分析代替实际动手，用虚拟仿真代替实体实验，用课堂演示代替工程实践，其结果直接影响了教学质量的提高和学生工程实践能力的培养。在线远程教育，特别是通过网络来实现工科实验教育，已经成为一个研究热点。
[0003]经对现有技术文献的检索发现，现有的已经授权的针对真实硬件设备的网络远程实验专利大致有三种:
[0004]I)中国专利授权号CN101814248B，公告日2011.11.09，公开了一种计算机硬件系列课程的远程实验系统，以计算机硬件实验为主体，由于远程操控本来就属于计算机网络范畴，对于计算机硬件远程实验，进行网络传输，不涉及非电信号量的采集，不涉及手动接线搭建不同的实验。
[0005]2)中国专利授权号CN101237365B，公告日2010.07.21，公开了一种EDA网络实验系统及实验方法，以FPGA数字电路为主体，远程设计对应的实验电路，将设计代码通过网络传输下载到FPGA数字电路中，整个实验本身不涉及接线。
[0006]3)中国专利授权号CN100492445，公告日2009.05.27，公开了一种基于网络的远程电子电路实验方法及系统，以基本电子电路为主题，对不同的电子元器件统一编址，在远端通过对实验电路中元器件的控制，从而设计不同的实验电路。
[0007]上述技术均存在的缺点在于:通过远程计算机发送信号，对本地实验进行直接操控，属于开环控制，在远端无法得知现场搭建实验是否完成，这就导致现场真实设备的运行情况出现搭建的实验电路或者实验设备可能没有符合期望，从而造成实验失败，甚至导致现场出现意外灾害。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种基于闭环控制的网络实验系统及其实现方法，在现场计算机与实体实验系统之间加入控制模块和测量模块，强化对实体实验系统的闭环控制。
[0009]本发明通过以下技术方案实现的:
[0010]本发明涉及一种基于闭环控制的网络实验系统，包括:实体实验系统、控制模块、测量模块、现场计算机、视频监控系统、现场服务器和远程客户端，其中:实体实验系统通过控制模块和测量模块与现场计算机连接，测量模块用于测量实体实验系统的参数信号，控制模块接收来自现场计算机的控制信号并对实体实验系统进行闭环控制，现场计算机和视频监控系统分别与现场服务器通过有线或无线网络连接，将实体实验系统的控制信息和显示信息传输到现场服务器，并将实验室现场视频信息传输到现场服务器，远程客户端通过Internet与现场服务器连接，使得实验的操作与显示可以实时在现场计算机和远程客户端上实现。
[0011]所述的实体实验系统包括:执行装置、数字调节器、实验显示屏、实验模块挂箱、实验台和实验桌，其中:数字调节器与控制模块相连并接收开关输出量和模拟输出量，数字调节器向执行装置发出控制电平，实验显示屏与实验模块挂箱并排安装在实验台上，实验台安装在实验桌上，执行装置用于完成实体实验。
[0012]所述的控制模块通过串口线与现场计算机连接，接收来自现场计算机的作为控制信号的开关输入量和模拟输入量，控制模块通过控制电路与实体实验系统连接，向实体实验系统发送开关输出量和模拟输出量以实现闭环控制。
[0013]所述的测量模块通过测量探头与实体实验系统连接，用于测量实体实验系统的参数信号，再将参数信号传输显示在现场计算机上。
[0014]所述的视频监控系统，包括:网络摄像机、云台和支架，其中:网络摄像机与云台通过转动电机连接，网络摄像机与云台通过紧密螺丝与支架连接，支架通过膨胀螺丝固定在实验室墙壁上。
[0015]所述的视频监控系统采集包括但不限于声音、烟雾、火灾的报警信号。
[0016]所述的现场服务器作为各种信号中转中心，接收来自远程客户端的控制信号、来自视频监控系统的视频显示信号、来自现场计算机的测量信号和硬件连接反馈信号，并且现场服务器向远程客户端发送视频显示信号、测量信号和硬件连接反馈信号、向视频监控系统发送云台控制信号、向现场计算机发送控制信号和视频显示信号。
[0017]所述的远程客户端用于实现人机交互，对实体实验系统的远程操作信号都由远程客户端发出，并接收实体实验系统的测量信号和硬件连接反馈信号及视频监控系统的视频显示信号。
[0018]和传统的远程实验系统不同，本系统通过强化现场计算机对实体实验系统的控制和测量功能，形成自动控制原理中经典的闭环控制，控制模块自身也采用闭环反馈思想来设计，在保证同样性能的前提下，少用一半的继电器。通过远程客户端发送控制信号，可以在无人环境中自动接线，搭建实体实验系统，实验系统是否搭建完成可以通过测量模块获知，也可以通过视频监控系统实时监控实验系统状态，出现意外灾害及时报警，形成双保险，从而在保证远程操控的方便优点的基础上，有效增强实验系统的可靠性和安全性。
[0019]本发明还涉及一种基于自动控制的网络实验方法，包括以下步骤:
[0020]⑴远程登录:实验者在远程客户端登录在现场服务器，通过控制模块在远端完成实验系统搭建和参数调节，对现场的实体实验系统直接操控，通过测量模块在远端完成信号测量和数据分析，在实际操作中结合实时视频场景，增强临场感。
[0021]⑵系统搭建:以物联网模式和基于LABview开发平台，通过物联网对远程实体实验系统两点进行接线操控，包括两点连线、连线删除和系统保护。
[0022]⑶参数调节:对模拟量和数字量的调节。
[0023]⑷信号测量:对于数值测量采用常规数值仪表直接显示；对于波形测量采用虚拟示波器方法采集电信号。[0024](5)数据分析:根据实验结果数据，自行手工分析或通过系统中的软件进来完成。
[0025](6)临场监控:采用光学变焦高清网络摄像机，提供经过高倍压缩的高清实时的现场图像，再经网络系统传送到远端，远程客户端上开辟专门显示窗口，采用画中画模式，观察到远端操作实体实验系统的全过程。
[0026]所述的远程登录是指:以web方式，基于浏览器的B/S操作界面，支持对有线网络、无线网络包括GPRS、3G、4G、WIFI的设备远程操控和多人互动，如:在实验的过程中可以与其他实验者进行讨论。
技术效果
[0027]与现有技术相比，本发明的优点包括:
[0028]I)通过采用闭环控制的系统架构，在软件层面可以实现系统搭建的可靠操作，保证实验系统按照期望设计进行搭建，这是实验进行的基础，是实验安全的保证，也是本发明最大的优点。
[0029]2)软件层面通过采用B/S架构，在任何有网络的地方，任何可以允许浏览器的设备上，都可以实现对网络实验系统的访问，增强了网络实验系统的通用性。
[0030]3)强化网络实验系统的功能，可以对实验系统搭建进行控制，也可以在实验进行过程中对参数进行调节，包括数字量调节，和模拟量调节，增强了实验的灵活性和扩展性。
[0031]4)采用虚拟仪器的测量模块，不需要额外的测量设备，就可以满足实验过程中不同参数测量，从而是系统的整体价格降低，也是系统结构更简单。
[0032]5)数据分析可以通过自带软件在远程客户端上进行，方便学生对实验结果的分析和处理。
[0033]6)采用光学变焦高清网络摄像机，在远程客户端上对实体实验系统进行监控，最大程度上使学生感到亲身做系统搭建，操作实验，调节参数，信号测量，数据分析，在实验交互方面真正做到临场感。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为本发明示意图。
[0035]图2为实体实验系统示意图。
[0036]图3为视频监控系统示意图。
[0037]图4为系统搭建示意图。
[0038]图5为连线闭环控制原理图。
[0039]图6为网络实验系统显示界面示意图。
【具体实施方式】
[0040]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
[0041]如图1所示，本实施例涉及一种网络控制实验系统包括:实体实验系统1、控制模块2、测量模块3、现场计算机4、视频监控系统5、现场服务器6以及远程客户端7，其中:实体实验系统I通过控制模块2和测量模块3与现场计算机4连接，测量模块3测量实体实验系统I的参数信号，控制模块2接收来自现场计算机4的控制信号并对实体实验系统I进行闭环控制，现场计算机4和视频监控系统5与现场服务器6连接，远程客户端7与现场服务器6通过Internet连接，以使得实验的操作与显示可以同时在现场计算机3和远程客户端7进行得以实现。
[0042]如图2所示，所述的实体实验系统I包括:执行装置(图中未示出)、数字调节器(图中未示出)、实验显示屏8、实验模块挂箱9、实验台10和实验桌11，其中:实验显示屏8与实验模块挂箱9并排安装在实验台10上，实验台10安装在实验桌11上，数字调节器与控制模块相连并接收开关输出量和模拟输出量，数字调节器向执行装置发出控制电平，执行装置用于完成实体实验。
[0043]所述的执行装置包括继电器、电机等。
[0044]所述的控制模块2针对不同的实验设备进行优化控制，如:实体实验系统I的继电器吸合状态通过modbus协议实时向现场计算机4发送继电器吸合完毕信号。
[0045]所述的控制模块2包括:微处理器单元、外围电路单元以及继电器单元，其中:微处理器单元与外围电路单元相连并传输控制信息，外围电路单元与继电器相连并传输驱动信息。
[0046]所述的控制模块2通过串口线与现场计算机4连接，接收现场计算机4的开关输入量和模拟输入量，控制模块2通过外围电路与实体实验系统I连接，向实体实验系统I发送开关输出量和模拟输出量。
[0047]所述的测量模块3采用虚拟仪器的方法，在现场计算机4调用对应软件模块对各种参数进行测量。
[0048]所述的测量模块3包括:数据采集硬件单元、计算机LABview应用程序单元，其中:数据采集硬件单元采集实体实验系统I的各种物理参数信号，通过总线传输到现场计算机4上，经过计算机上的LABview应用程序处理，显示在现场计算机4显示屏上。
[0049]所述的测量模块3通过测量探头与实体实验系统I连接，用于测量实体实验系统I的各种参数信号，再将参数信号传输显示在现场计算机4上。
[0050]所述的现场计算机4与现场服务器6通过有线或无线网络连接，将实体实验系统I的控制信息和显示信息传输到现场服务器6，远程客户端7访问现场服务器6，直观地显示实体实验系统I的运行状态。
[0051]如图3所示，所述的视频监控系统5，包括:网络摄像机12、云台13和支架14，网络摄像机12与云台13通过转动电机连接，网络摄像机12与云台13通过紧密螺丝与支架14连接，支架14通过膨胀螺丝固定在实验室墙壁上。
[0052]所述的视频监控系统5与现场服务器6通过有线或无线网络连接，将实验室现场视频信息传输到现场服务器，远程客户端通过Internet访问现场服务器6，实现对视频监控系统的控制和实验实时情况的显示。
[0053]所述的视频监控系统5采集包括声音、烟雾、火灾的报警信号。
[0054]所述的现场服务器6作为各种信号中转中心，用于接收来自远程客户端7的控制信号，接收视频监控系统5的视频显示信号，接收现场计算机4的测量信号和硬件连接反馈信号，向远程客户端7发送视频显示信号，测量信号和硬件连接反馈信号，向视频监控系统5发送云台控制信号，向现场计算机4发送控制信号和视频显示信号。
[0055]所述的远程客户端7用于实现人机交互，对实体实验系统I的远程操作信号都由远程客户端7发出，并接收实体实验系统I的测量信号和硬件连接反馈信号及视频监控系统5的视频显示信号。
[0056]本实施例涉及上述系统的实验方法，包括以下步骤:
[0057]⑴远程登录:实验者在远程客户端I登录在现场服务器6，通过控制模块2在远端完成实验系统搭建和参数调节，对现场的实体实验系统I进行操控，通过测量模块3在远端完成信号测量和数据分析，在实际操作中能通过远程客户端看到实时视频场景。
[0058]⑵系统搭建:如图4所示，以物联网模式和基于LABview开发平台，通过物联网对远程实体实验系统I两点进行接线操控，包括两点连线、连线删除和系统保护。
[0059]⑶参数调节:对模拟量和数字量的调节。
[0060]⑷信号测量:对于数值测量采用常规数值仪表直接显示；对于波形测量采用虚拟不波器方法米集电信号。
[0061](5)数据分析:根据实验结果数据，自行手工分析或通过系统中的软件进来完成。
[0062](6)临场监控:如图6所示，采用光学变焦高清网络摄像机，提供经过高倍压缩的高清实时的现场图像，再经现场服务器传送到远程客户端，同时在现场计算机显示屏上开辟专门显示窗口，采用画中画模式，实验者可身临其境的观察到远端操作实体实验系统的全过程。
[0063]所述的操控，是指:现场手动操作实体实验系统、现场通过计算机操作实体实验系统和通过网络远程操控实体实验系统三种实验模式。
[0064]所述的步骤⑴远程登录，以web方式，基于浏览器的B/S操作界面，支持对有线网络、无线网络包括GPRS、3G、4G、WIFI的设备远程操控和多人互动，在实验的过程中可以与其他实验者进行讨论。
[0065]所述的两点连线，是指:选中工具栏中“连线”功能标签后，依次点击希望连接点:
起点-终点，计算机屏上立即动态显示连线(红色)由起点向终点慢慢延伸，连线生成
后，延迟数秒，当计算机接收到连线完成反馈信号后，连线自动变绿，表示两点连线成功，两点处于接通状态，为了保证系统连线的可靠性，本实施例引进反馈控制技术，利用辅助触点作为反馈信号。
[0066]所述的连线删除，是指:操作选中工具栏中“删除”功能标签后，依次点击已有连线的两点，连接线会立即消失，表示两点连线删除，两点成断开状态。
[0067]所述的系统保护，是指:当实验者选中不该连接的两点，计算机自检判别后会自动提示:“非法操作”，确保实验系统的安全运行。
[0068]如图5所示，本实施例连线操作中引进了反馈控制。实验者选中工具栏中的“连线”功能后，在远程客户端显示屏上展现的实验原理图上依次点击希望连线的起点——终点，显示屏上会立即出现一根红线由起点向终点慢慢动态延伸，连线生成后，延迟数秒，计算机接收到反馈信号确认后——连线变绿，表示连线完成。
[0069]本实施例控制模块2采用16只两常开两常闭继电器，其中一对常开触点控制实体实验系统两点的连线，另一对常开触点作为反馈信号，本实施例中，当计算机接受不到反馈信号，连线不会变绿，根据颜色的变化实验者可很快直观地判断出连线成功与否。这与常规闭环控制设计相比，本实施例在不降低可靠性的条件下，使继电器的使用数量一半。每个输出节点与继电器都有固定的地址相对应，用户可根据实验连接点的需要对继电器进行人为配置。此外驱动板的数量可根据需要自行扩展。
[0070]所述的模拟量调节，是指:通过网络操控驱动控制模块2发出开关信号，驱动实体实验系统I对被控对象(如本实施例的电位器、调压器、阀门等)实施连续调节，获得实验系统所需的物理量(如本实施例的电阻、电压、流量等)；通过网络远程驱动控制模块2发出模拟电信号(如本实施例的电压O— 5v、电流4— 20ma或占空比可调的PWM波等)对电力电子部件(如本实施例的晶闸管，可控硅等)实施调节连续，获得实体实验系统I所需的物理量(如本实施例的电流、光强、温度等)。
[0071]所述的数字量调节，通过数据通讯方式对实体实验系统中的数字调节器进行参数设定或调节。
[0072]本实施例通过无线通讯方式完成控制模块的参数设定；通过电信号驱动实体实验系统I控制被控对象完成相关物理量的参数连续调节，如通过专门设计的驱动/执行一体装置改变负载(阻性、感性或容性)的大小，以及通过D/Α转换或占空比可变的PWM波加滤波电路生成的模拟量调节可控硅的导通角等。
[0073]所述的虚拟示波器采用多通道输入，触发方式包括电平触发、上升沿触发、下降沿触发，现场监控系统计算机上实时显示所测波形的频率、幅值、相位，并完成存储和打印。
[0074]本实施例通过数据采集卡或独立的数据采集模块将需要测量信号转换为数字量，并将其数值显示在现场计算机上，远端实验者采用远程登录方式查看实验过程中的相关信号变化情况。同时实验者通过视频直接查看实体实验系统测量仪表显示的被测信号。对于波形测量，通过LABview平台，采用虚拟仪器方式将被测波形直接显示在现场计算机屏上，也可以通过视频直接查看到被测波形。
[0075]本实施例可根据实验结果数据自行手工分析或通过系统自带的LABview分析软件进行处理分析，利用软件分析可自动生成:①表格图形；(条形图，饼形图)；③曲线；根据用户需求，绘制特性响应曲线、伏安特性曲线、功率曲线、频域特性图，根轨迹曲线图；④特征值；极值、谐振频率、过渡过程时间，峰值时间，超调量。
[0076]在所述的步骤(6)临场监控中采用光学变焦高清网络摄像机，是指:该摄像机安装在云台上，由实验者远程操控，进行变焦缩放、多屏互动、录像存储。
[0077]在所述的步骤(6)临场监控中，本实施例开辟专用视频区，通过光学变焦高清网络摄像头，将实验现场的场景传至现场服务器，并在现场计算机上实时显示、存储。摄像机视频界面功能:①缩放:按住左键拉动看位置。通过滚轮看缩放视频；②全屏:视频放大到全屏；③语音:点击进行多人互动语音交流(本地与远端)；④拍照:拍摄页面照片并自动存储到文件中，备查阅；⑤播放:摄像头启动。视频开始；⑥录像:录制视频实验过程并自动存储到文件中，备查阅预置位:可预置多个位置，点击直接进入看。远端实验者通过远程登录操作，通过视频临场感技术让实验者亲身感受远端操控实验全过程，如参数调整引起的物理一化学变化过程，达到进一步加深对实验原理的理解和相关知识的掌握。
【权利要求】
1.一种基于闭环控制的网络实验系统，其特征在于，包括:实体实验系统、控制模块、测量模块、现场计算机、视频监控系统、现场服务器和远程客户端，其中:实体实验系统通过控制模块和测量模块与现场计算机连接，测量模块用于测量实体实验系统的参数信号，控制模块接收来自现场计算机的控制信号并对实体实验系统进行闭环控制，现场计算机和视频监控系统分别与现场服务器通过有线或无线网络连接，将实体实验系统的控制信息和显示信息传输到现场服务器，并将实验室现场视频信息传输到现场服务器，远程客户端通过Internet与现场服务器连接，使得实验的操作与显示可以实时在现场计算机和远程客户端上实现； 所述的控制模块通过串口线与现场计算机连接，接收来自现场计算机的作为控制信号的开关输入量和模拟输入量，控制模块通过控制电路与实体实验系统连接，向实体实验系统发送开关输出量和模拟输出量以实现闭环控制； 所述的控制模块包括:微处理器单元、外围电路单元以及继电器单元，其中:微处理器单元与外围电路单元相连并传输控制信息，外围电路单元与继电器相连并传输驱动信息； 所述的测量模块通过测量探头与实体实验系统连接，用于测量实体实验系统的参数信号，再将参数信号传输显示在现场计算机上； 所述的测量模块包括:数据采集硬件单元、计算机LABview应用程序单元，其中:数据采集硬件单元采集实体实验系统的各种物理参数信号，通过总线传输到现场计算机上，经过计算机上的LABview应用程序处理，显示在现场计算机显示屏上。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的实体实验系统包括:执行装置、数字调节器、实验显示屏 、实验模块挂箱、实验台和实验桌，其中:数字调节器与控制模块相连并接收开关输出量和模拟输出量，数字调节器向执行装置发出控制电平，实验显示屏与实验模块挂箱并排安装在实验台上，实验台安装在实验桌上，执行装置用于完成实体实验。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的控制模块包括:针对不同的实验设备进行优化控制，实体实验系统的继电器吸合状态通过modbus协议实时向现场计算机发送继电器吸合完毕信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的视频监控系统，包括:网络摄像机、云台和支架，其中:网络摄像机与云台通过转动电机连接，网络摄像机与云台通过紧密螺丝与支架连接，支架通过膨胀螺丝固定在实验室墙壁上。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的现场服务器作为各种信号中转中心，接收来自远程客户端的控制信号、来自视频监控系统的视频显示信号、来自现场计算机的测量信号和硬件连接反馈信号，并且现场服务器向远程客户端发送视频显示信号、测量信号和硬件连接反馈信号、向视频监控系统发送云台控制信号、向现场计算机发送控制信号和视频显示信号。
6.一种根据上述任一权利要求所述系统的网络实验方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)远程登录:实验者在远程客户端登录在现场服务器，通过控制模块在远端完成实验系统搭建和参数调节，对现场的实体实验系统直接操控，通过测量模块在远端完成信号测量和数据分析，在实际操作中结合实时视频场景，增强临场感； 2)系统搭建:以物联网模式和基于LABview开发平台，通过物联网对远程实体实验系统两点进行接线操控，包括两点连线、连线删除和系统保护； 3)参数调节:对模拟量和数字量的调节； 4)信号测量:对于数值测量采用常规数值仪表直接显示；对于波形测量采用虚拟示波器方法米集电信号； 5)数据分析:根据实验结果数据，自行手工分析或通过系统中的软件进来完成； 6)临场监控:采用光学变焦高清网络摄像机，提供经过高倍压缩的高清实时的现场图像，再经网络系统传送到远端，远程客户端上开辟专门显示窗口，采用画中画模式，观察到远端操作实体实验系统的全过程。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的远程登录是指:以web方式，基于浏览器的B/S操作界面，支持对有线网络、无线网络包括GPRS、3G、4G、WIFI的设备远程操控和多人互动，如:在实验的过程中可以与其他实验者进行讨论。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征是，步骤3中，对模拟量进行调节是指:通过网络操控驱动控制模块发出开关信号，驱动实体实验系统对被控对象实施连续调节，获得实验系统所需的物理量；通过网络远程驱动控制模块发出模拟电信号对电力电子部件实施调节连续，获得实体 实验系统所需的物理量；对数字量进行调节是指:通过数据通讯方式对实体实验系统中的数字调节器进行参数设定或调节。
【文档编号】G09B5/06GK103985277SQ201410242218
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2014年6月3日
【发明者】田作华, 杨明, 杨根科, 周越, 王冰, 王红雨, 赵国旗, 王宏武, 钱华新, 郭栋, 施红梅 申请人:上海交通大学