模块化自动控制远程实验平台的设计与实践

胡文山，关世琦，周 洪，雷忠诚

模块化自动控制远程实验平台的设计与实践

胡文山，关世琦，周 洪，雷忠诚

（武汉大学 电气与自动化学院，湖北 武汉 430072）

为实现实验设备的在线共享和实验教学的多元化发展，设计了基于Web的无插件自动化控制远程实验平台。该平台的设计包括硬件、软件、控制算法和系统部署，均采用模块化设计，平台规模和功能可以根据需求进行组合。通过风扇控制系统的搭建，展现该设计方法在实验平台搭建、扩展和维护上的突出效果。该平台结合MOOC在线实验课程，丰富了教学内容，取得了较好的教学效果。

自动控制；网络化控制；实验平台；远程实验室；模块化设计

近些年，我国高等教育在线课程建设快速发 展[1-2]；然而在线实验课程却难以满足教学的需求。随着互联网技术的发展，一些高校将在线教育与在线远程实验教学相结合，将实验室放在了互联网上，形成了在线实验室[3-4]。例如，江苏大学基于RIA的远程实验系统[5]，海军工程大学的通信原理远程实验平台[6]，浙江大学的虚拟化学实验[7]，华东理工大学、大连理工大学、山东大学、哈尔滨工业大学和江南大学成立的用于实验课程互选互认的高校在线实验课程联 盟[8]；中南大学的虚拟医学陈列馆[9]；福建师范大学TD-LTE基站安装虚拟仿真实验[10]等。

网络化控制系统实验室（networked control system laboratory，NCSLab）是基于自动化学科实验特点开发的网络在线实验室[11-12]，为用户提供了实体设备和虚拟设备。实体设备有实际的控制对象，而虚拟设备没有实体实验对象，但能通过算法计算对虚拟三维模型进行控制。所有的设备都能够通过可视化界面观察和监测其运行情况，直观地展现实验设备的控制过程和控制效果，是自动化教学的补充和扩展[13]。

为进一步提升自动控制实验教学效果，本文提出了一种基于NCSLab的模块化远程实验平台设计方案。该方案简化了实验平台的搭建过程，可以对设立在不同地方的实体平台进行整合和管理，使NCSLab成为一个能够涵盖各类实验资源、无插件运行的网络交互实验平台[14]，并将已上线的MOOC课程“自动控制原理远程虚拟仿真实验”（www.icourse163.org/ course/WHU-1003368016）与NCSLab相结合起来。学生可通过MOOC学习自动控制原理实验理论知识和实验平台的基本操作方法，同时通过NCSLab实验平台进行远程实验操作。

1 NCSLab简介

NCSLab创建于2006年，该实验平台框架经历了2次较大的升级，形成了现在的4层结构，即Web浏览器—中央服务器—实验服务器—实验设备。NCSLab架构如图1所示。

图1 NCSLab架构

NCSLab采用浏览器/服务器（B/S）架构，不需要下载额外的桌面应用程序[15]，通过网址（https://www. powersim.whu.edu.cn/ncslab）便可访问。该网站使用HTTPS协议以保障数据通信的安全性。除此之外，NCSLab采用HTML5技术，不需使用Flash插件即可进行三维模型显示。

目前，NCSLab集成了6台实体设备和20台虚拟设备用于日常教学和研究。该实验平台能够为远程用户提供实时、可交互的实验设备用于控制学科的实验教学。只要保持网络通畅，用户便可以访问该网站，通过改变设备参数来调节控制性能。对不同的实验设备，用户可以通过网页界面组件来搭建适合于该实验的监控界面，利用实时组件和现场摄像头得到实验设备端的反馈。

1.1 免插件的网络化设计和实现

NCSLab采用基于Web的架构，通过最新的HTML5技术，消除了三维模型运行时所需的Flash插件支持，在主流Web浏览器中，用户可以使用具有交互功能的监控部件进行实验监控，无需额外安装任何插件。

1.2 三维虚拟现实

在三维软件如3ds Max、Solidworks、Pro/E中，按实际设备构建了三维模型。为了提高三维模型在网页中的加载速度，三维模型可以进行适当简化，但仍需保持模型的真实性和准确性。模型构建好之后，导出OBJ和MTL文件用于页面中的模型加载。OBJ文件是三维模型的图形图像特征文件，MTL文件是包含有三维模型的颜色信息，两种格式的文件在网页上同时加载时才能够准确、真实地呈现设备模型。

WebGL的Three.js库提供了能够解析OBJ和MTL的文件，当需要显示三维模型时，页面同时加载OBJ文件和MTL文件，通过代码解析和重现，便能够在页面中显示设备的三维模型。通过鼠标选择和拖动，能够旋转设备模型以便进行多角度观察；通过鼠标滚轮向前/向后，能够实现三维模型的放大/缩小，便于观察模型细节。HTML5支持红绿、偏振的三维显示，佩戴专用三维眼镜，能够观察到更立体、更逼真的三维仿真模型。

1.3 实体实验和虚拟实验

NCSLab架构不但支持实体设备，也支持虚拟设备。对于实体设备，例如风扇控制系统和实体双容水箱等，均有虚拟三维模型与之对应，并在监控界面能够实时同步显示。

为了降低实验成本，虚拟实验设备占NCSLab设备的大多数，它们能够提供与实际设备几乎相同的实验过程和结果。对于实体设备，远程控制器控制的是真实的设备；而对于虚拟设备，被控对象是虚拟的数学模型。实体设备与虚拟设备的部署方式如图2所示。

图2 实体设备与虚拟设备的部署方式

为了加强虚拟实验的沉浸感和真实性，NCSLab实现了不同的3D交互方式。例如在虚拟球杆系统中，通过三维界面中的光标调整小球的设定位置；通过鼠标和键盘的操作放大和缩小三维模型，鼠标拖动旋转模型角度等。

2 模块化设计

2.1 硬件架构的模块化设计

NCSLab的硬件架构包括实验设备、实验服务器、中央服务器和Web浏览器。

实验设备包括实验对象和控制器。对于实体设备而言，还需要摄像头和数据采集板（DAQ），DAQ从实体设备装置获取实验数据和现场画面，回送给控制器，提供用于远程监控实验设备的实时数据和实时图像。控制器采用ARM-9控制板、微型小型PC机等，用来控制实验设备，并将实验数据传回服务器。在虚拟实验中，实验设备的数学模型和控制算法均被放置在控制器中进行运算。

实验服务器也称为区域实验服务器，主要用于实验设备的管理。实验服务器与实验设备存在于同一个局域网中，管理该区域实验室的实验数据、权限及资源分配等。通过在实验服务器上部署实时实验室（real-time laboratory，rtlab），能够实现实验设备的实时控制和展示。不同的实验服务器通过中央服务器连接和管理。

中央服务器即中央Web服务器，是NCSLab的“神经中枢”，主要存放实验室网站的数据库，建立与用户端、实验设备的网络连接，从而进行通信和数据交互，能够将分立在世界各地的区域实验室整合在一起，形成庞大的NCSLab实验网络，供用户学习和研究。

Web浏览器是各用户的电脑终端，通过浏览器展示实验平台的控制过程和控制结果，用户可以通过监控界面多角度全方位地观察设备的调节过程。

NCSLab的4层架构为系统设计人员和用户提供了极大便利。该架构易于进行模块化设计，能够将各部分进行封装，不同环节间约定好数据接口，各部分组装起来方便快捷，使得NCSLab可以集成大量实体和虚拟实验设备，轻松实现软件部署和升级、算法定制。同时，各层架构分工明确，通过部署rtlab和实验设备，还能实现跨机构整合。

2.2 软件模块设计

NCSLab前端采用Yahoo UI Library（YUI）框架，从最初搭建至今，已有十几年稳定运行的基础。YUI是一组用户界面工具和控件，用JavaScript写成，通过DOM脚本、DHTML和AJAX等技术创建前端网页交互式应用程序。采用HTML5，基于其SVG、Canvas、WebGL及CSS3的3D功能，能够实现NCSLab三维模型的无插件运行，以支持虚拟和实体设备的远程实验。Canvas对象给浏览器带来直接绘制矢量图的能力，页面可以脱离Flash和Silverlight插件运行，减少浏览器对插件的依赖性，同时HTML5增强了网页在图形绘制、媒体播放、信息传送等方面的能力，为信息展示创造了优越的条件。

实验监控界面提供了用于实时获取控制信息的小部件。例如，CanvasJS用于显示信号的实时图表；iframe用于显示实验设备的远程实时图像；使用Three.js实现虚拟设备的3D显示，用户可以通过放大/缩小和从任何可能的角度观看并与3D场景交互。更重要的是，在使用Three.js的虚拟场景中也实现了诸如阀门调整、光标拖动和虚拟布线的实验操作。监控部件对应关系如图3所示。

图3 NCSLab监控界面组态部件

前端页面与后台服务系统通过Ajax进行通信，前后端协调好API，约定需要的参数名称及数据形式，通过.JSON文件进行数据传输。将前后端功能分离，做到各司其职，尽量避免在开发和维护过程中牵一发而动全身。单页面应用的设定将用户进行分类分流，根据用户类型有针对性地加载页面，从而减少前端不必要的加载项，提高了页面加载和响应速度，避免了浏览器不兼容和崩溃等问题。

通过软件的模块化设计，将各个部件、功能模块隔离开，所有监控部件的特性和功能（如3D交互）一一对应，能够在不影响整体系统的情况下进行更改和开发。

3 实例分析——风扇速度控制系统

3.1 设备部署

风扇实验台是一种简单的速度控制实验台，控制器的PWM信号经过放大之后驱动风扇旋转。风扇每旋转一圈，就会产生2个脉冲信号，因而风扇的转速可以通过脉冲信号的频率测得。它的硬件部分包括风扇设备、实验服务器、中央服务器和用户端。远程端的实验设备包括：风扇、摄像头和数据采集板，控制器是小型PC机，其IP地址固定并与风扇系统对应。实验服务器和网络服务器放置在武汉大学自动化系的实验室，通过部署rtlab实现实时数据通信，完成远程实验的同步控制和显示。

3.2 默认算法控制

风扇系统是典型的一阶惯性系统，由于其结构简单、易于控制、成本低，经常被用于自动控制实验教学。在控制过程中，风扇系统能够凸显一阶惯性特点，实验效果较好。

NCSLab为风扇系统提供了2种默认算法——开环控制算法和闭环PI（比例积分）控制算法。通过两种算法的对比实验，可以验证闭环PI控制的优点及比例积分环节在闭环系统控制中起到的作用。

图4为实验监控界面，包含有远程实验实时画面、风扇三维模型、数据图表和输入输出框，用户通过调节参数和给定值，观察数据曲线图并得到实验结果。

图4 风扇系统PI控制监控界面

3.3 自主算法设计

除了默认的控制算法，用户还可以自己设计其他算法进行实验和验证。以设计抗积分饱和算法为例，说明自主算法设计的过程。

以NCSLab中的风扇系统框图（见图5）为基础，更改其控制模块的S函数，将抗积分饱和算法通过编程语言实现，并将最终结果输出给下一模块。将编辑好的框图通过MATLAB RTW生成可执行文件，并上传至控制器中，即可用新算法远程控制风扇系统。

图5 风扇系统框图

4 NCSLab在科研和教学中的应用

随着3D渲染技术等技术的发展，NCSLab成为了一个能提供在线实验的复合实验室，为学生提供更好的实验环境，为教师提供更丰富的课堂拓展。

目前，NCSLab已被应用于武汉大学的实验教学，每年有200多名学生在课堂内外进行控制理论的学习和实验。NCSLab在课堂上主要用于在线演示教材中的概念和公式，达到直观演示和易于理解的效果；在课后的实验中，学生可以自主设计算法并进行验证，进一步加深了对课程理解，强化了课堂理论应用。

在武汉大学，经典控制理论（CCT）、控制系统仿真和计算机辅助设计（CSS＆CAD）、系统辨识（SI）3门课程已经全面使用NCSLab作为实验教学工具，学生需要在NCSLab上进行相关的实验，如PID（比例-积分-微分）控制、LQR（线性二次型调节器）控制等。自2015年使用NCSLab后，课程评价结果有明显提升，2016年后一直保持在较高的水平。

对学生进行的问卷调查结果表明：学生对NCSLab的接受程度非常高，大多数学生认为NCSLab易于使用，可以帮助他们理解课程内容；在实验的理解和完成度上有很大提高，也加强了对理论知识的理解和应用。

5 结语

NCSLab的模块化设计简化了部署新设备的步骤和过程，其软件架构使NCSLab平台前端界面负担减少，显示和交互性能提高，新特性的增加只需要进行相应部分的修改，而不需要改动整体程序。

NCSLab为学生提供了一个专注于控制理论学习的实验平台。模块化远程实验室已成功应用于武汉大学控制工程教学和科研中，并取得了良好的实验教学效果。

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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

自然科学科学基金资助项目（61873195）；武汉大学实验技术资助项目（WHU-2018-SYJS-05）

胡文山（1980—），男，山东梁山，博士，教授，博士生导师，研究方向为网络控制系统、远程网络实验室和智能电网. E-mail: wenshan.hu@whu.edu.cn

周洪（1962—），男，湖南株洲，博士，教授，博士生导师，虚拟仿真实验教学中心主任，主要研究方向为发电控制与智能电网.E-mail: hzhouwhuee@whu.edu.cn