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实现并验证控制算法是控制教学实验系统的基本功能。随着网络和通信技术的发展,基于本地操作的教学实验系统逐渐向远程化方向发展,从而摆脱了地理位置的限制,使随时随地通过物理实验验证控制算法成为可能。尽管如此,如何根据控制研究与教学的需求,将控制技术与最新的信息技术相结合,进一步扩充现有系统的功能是控制教学实验系统开发者所持续面临的问题。
在过程控制教学实验中,双容水箱是广泛应用的典型过程控制教学实验对象。因此本文以双容水箱为对象,依托东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室教学改革项目,设计并开发了远程教学实验系统。该系统将控制技术与最新的信息技术相结合,在基本的控制算法实现与验证功能的基础上,根据控制研究与教学的需求,增加了面向远程实验的被控对象模拟、实验过程监控、控制性能评价、案例教学、远程控制系统安全等新的功能。所设计的系统在具备上述新功能的同时,能够降低系统开发成本并提升后期可扩展性。
本文的主要研究工作内容如下:
(1)在对远程教学实验系统和水箱控制教学实验系统研究现状全面综述的基础上,以远程实验教学为目标,系统地分析了远程教学实验系统的功能需求。
(2)针对系统的功能需求,本文以控制研究与教学中典型的双容水箱为对象,设计了基于云计算的控制远程教学实验系统的总体结构和各个主要功能模块。该系统采用基于PLC的作为底层回路控制系统,设计了数据的采集模块以及应急情况下的安全控制策略;在云服务器中设计了实验数据处理、远程安全保护、用户管理等功能,并且对实验算法和实验数据进行服务化封装管理。为了满足算法设计和案例教学的需求,设计了被控对象动态模拟功能和包括典型系统辨识与控制算法的算法库。
(3)基于西门子S7-300PLC控制系统、MATLAB以及MyEclipse开发了双容水箱远程教学系统。该系统利用西门子工控软件完成了数据采集以及应急情况下的安全控制的开发,利用MATLAB软件完成了控制算法(辨识程序、控制器设计等)的开发,利用MyEclipse软件完成了云端实验算法和数据的服务化封装管理以及系统实验界面的开发。
(4)对双容水箱远程教学实验系统进行了实验验证。从实验者的角度在该系统上进行了完整的系统动态模型验证、辨识实验和回路控制实验,并对实验结果进行了分析,验证了系统的有效性。
在过程控制教学实验中,双容水箱是广泛应用的典型过程控制教学实验对象。因此本文以双容水箱为对象,依托东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室教学改革项目,设计并开发了远程教学实验系统。该系统将控制技术与最新的信息技术相结合,在基本的控制算法实现与验证功能的基础上,根据控制研究与教学的需求,增加了面向远程实验的被控对象模拟、实验过程监控、控制性能评价、案例教学、远程控制系统安全等新的功能。所设计的系统在具备上述新功能的同时,能够降低系统开发成本并提升后期可扩展性。
本文的主要研究工作内容如下:
(1)在对远程教学实验系统和水箱控制教学实验系统研究现状全面综述的基础上,以远程实验教学为目标,系统地分析了远程教学实验系统的功能需求。
(2)针对系统的功能需求,本文以控制研究与教学中典型的双容水箱为对象,设计了基于云计算的控制远程教学实验系统的总体结构和各个主要功能模块。该系统采用基于PLC的作为底层回路控制系统,设计了数据的采集模块以及应急情况下的安全控制策略;在云服务器中设计了实验数据处理、远程安全保护、用户管理等功能,并且对实验算法和实验数据进行服务化封装管理。为了满足算法设计和案例教学的需求,设计了被控对象动态模拟功能和包括典型系统辨识与控制算法的算法库。
(3)基于西门子S7-300PLC控制系统、MATLAB以及MyEclipse开发了双容水箱远程教学系统。该系统利用西门子工控软件完成了数据采集以及应急情况下的安全控制的开发,利用MATLAB软件完成了控制算法(辨识程序、控制器设计等)的开发,利用MyEclipse软件完成了云端实验算法和数据的服务化封装管理以及系统实验界面的开发。
(4)对双容水箱远程教学实验系统进行了实验验证。从实验者的角度在该系统上进行了完整的系统动态模型验证、辨识实验和回路控制实验,并对实验结果进行了分析,验证了系统的有效性。