CN107508879A - 一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统，包括云服务端、用户端、监控端、设备管理端；所述云服务端搭建有云数据库、云服务器管理模块、网络特性增强模块；所述用户端指PC用户端，搭建有用户通讯模块、控制算法挂载模块、实时图像显示模块、数据显示模块、仿真研究模块；所述监控端搭建有用户信息管理监控模块、设备信息管理监控模块、监控端通讯模块；所述设备管理端搭建有管理PC机、实际被控系统、摄像头模块。可以实现多用户通过网络进行远程实时控制实验，针对网络特性进行建模与控制算法研究；基于云端的数据存储和数据包转发服务功能，可以实现教师对使用者的实验过程进行实时监控，降低对远程控制系统硬件要求。

Description

一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统

技术领域

本发明属于控制实验技术领域，具体涉及一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统。

背景技术

在自动控制领域中，实验环节在教学过程中占据重要地位。目前实验系统主要分为三种类型：实物实验、半实物实验、计算机仿真实验。前两种实验系统资源齐全，实验效果直观，但是受到实验场所、实验时间的限制，可扩展性差；计算机仿真实验不受实验场所限制，但是不具有实时性，无法与实际对象的具体特性进行对比。

随着网络控制、云计算技术的出现和兴起，构建基于网络与云的实验系统，以满足网络控制系统和基于云计算的开放式实验要求，解决现有实验系统存在的各种局限性问题，是现代实验系统急需解决的问题。本发明建立的基于云计算的开放式远程控制实验系统，一方面可以进行网络控制系统课程及相关研究的实验，另一方面也可以用于以慕课(MOOC)为代表的远程教学的实验环节，目前尚没有控制实验系统可以同时满足上述两个方面的需求。云计算技术和网络通讯技术的发展，为具有云端服务的开放式计算机控制实验系统的开发提供了有力支撑。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的是提出一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统。

为实现本发明的目的，采用的技术方案是：

一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统，包括云服务端、用户端、监控端、设备管理端；

所述云服务端搭建有云数据库、云服务器管理模块、网络特性增强模块；

所述用户端指PC用户端，搭建有用户通讯模块、控制算法挂载模块、实时图像显示模块、数据显示模块、仿真研究模块；

所述监控端搭建有用户信息管理监控模块、设备信息管理监控模块、监控端通讯模块；

所述设备管理端搭建有管理PC机、实际被控系统、摄像头模块。

所述云服务端搭建有云数据库、云服务器管理模块、网络特性增强模块；

所述云数据库，用于存储用户的基本信息、被控对象的输出量检测信息和摄像头的图像信息，用户的基本信息包括用户的购买时间、使用时间和密保问题；用于存储实际设备的使用信息、工作状态；

所述云服务器管理模块，用于在多个用户端访问时，开启线程为每一个用户端分配一个对应的被控对象，在用户端退出操作时，取消其对应线程；管理用户的添加和删除，管理用户的计算数据信息的存储和删除；

所述网络特性增强模块，用于在进行网络控制实验时，增强网络的相关特性，如随机时延特性、随机丢包特性。

所述用户端指PC用户端，搭建有用户通讯模块、控制算法挂载模块、实时图像显示模块、数据显示模块、仿真研究模块；

所述用户通讯模块采用Http技术与云服务端进行通讯，将根据控制算法挂载模块得到的控制量实时传输至云服务端中的云数据库中，并接收设备管理端传至云服务端数据库中的被控对象的输出量；

所述控制算法挂载模块，用于挂载根据用户编写的控制算法生成的DLL文件或EXE文件，根据云服务端传回的输出量采用用户编写的控制算法进行计算得到控制量，将控制量传输至云服务端后，再实时传输至设备管理端；

所述实时图像显示模块，用于将网络摄像头通过设备管理端传递到云服务端中被控对象运行情况的图像进行实时显示；

所述数据显示模块，将接收的云服务端传回的被控对象输出量和用户挂载的控制算法得到的控制量，进行动态数据和曲线显示；

所述仿真研究模块，根据云服务端中云数据库获取的被控对象的输出量作为数据样本，利用Matlab研究被控对象模型与算法，将实验结果与仿真结果进行对比，对用户编写的控制算法进行编译。

所述监控端搭建有用户信息管理监控模块、设备信息管理监控模块、监控端通讯模块；

所述用户信息管理监控模块，用于管理用户的基本信息，监控用户使用状态，为用户分配权限；实时监视用户实验过程中产生的检测数据、控制数据和图像数据，将数据实时显示出来；

所述设备信息管理监控模块实时监控用户使用的被控对象情况，以便通知管理员及时的对设备进行管理；

所述监控端通讯模块，用于采用Http技术与云服务端和用户端、设备管理端进行通讯，将云服务端接收的输出量传输至监控模块。

所述设备管理端搭建有管理PC机、实际被控系统、摄像头模块；

所述管理PC机，用于设备的登录/退出，设备运行情况的管理，向云服务端发送实际被控系统传递过来的输出量，接收云服务端传递的控制量。

所述实际被控系统由直流伺服电机、电机检测模块、负载模块、电机驱动模块、以DSP为核心的数据采集与控制板组成，通过USB接口与管理PC机相互连接，向管理PC机发送被控系统输出量，接收由管理PC机传回的控制量；

所述摄像头模块，与管理PC机相连，实时获取设备的图像信息，传至云服务端数据库。

本发明具有的优点是：

本发明提出一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统，该平台充分利用了互联网、云数据库、远程通讯等新技术的优势，具有更好的开放性，使学生可以摆脱地域限制，在任何时间内随时进行与控制相关的各种实验；更为重要的是，教师可以实现对学生的实验过程和各种实验数据的实时监控，达到实验过程实时监督指导的目的。提供了一种基于网络的开放式实验教学模式，为其它各个学科的网络实验教学提供了一种范例；以实际设备为被控对象，使学生更能体会到系统的真实性，在此系统上进行的各种实验更加贴近工业过程；教师能够实时监控用户的实验过程和实验数据，达到督促和指导作用，使师生之间如同真实环境下的面对面指导一样，极大地方便了实验教学过程；基于云服务和宽带网络的高性能，实现了大规模用户同时在线实验的能力；学生和教师可以通过网络摄像头实时观察被控对象受控情况，可以进一步加深对控制过程的理解，方便学生使用。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的具有云端服务的开放式计算机控制实验系统示意图；

图2为本发明一种实施方式的设备管理端中实际被控系统的结构示意图；

图3为本发明一种实施方式的设备管理端登录界面图；

图4为本发明一种实施方式的用户端主界面示意图；

图5a为本发明用户后台管理界面图；

图5b为本发明设备后台管理界面图；

图5c为本发明一种实施方式的监控端界面图；

图6为本发明一种实施方式的具有云端服务的开放式计算机控制实验系统控制方法流程图；

图7为本发明一种实施方式的直流电机开环曲线显示实验图；

图8为本发明一种实施方式的直流电机闭环曲线显示实验图；

图9为本发明一种实施方式的用户仿真研究模块流程图。

具体实施方式

下面结合附图1-9及实施例对本发明进一步说明。

一种基于云端服务的开放式计算机控制实验系统，如图1所示，包括云服务端、设备管理端、用户端、监控端。

所述云服务端搭建有搭建有云数据库、云服务器管理模块、网络特性增强模块。

本实施方式中，可以自行搭建或租用云服务器作为云服务端。可以控制多种典型被控对象，如实际设备中电机，加热箱/加热炉控制，磁悬浮球等。

所述云数据库，用于存储用户的基本信息和用户基于真实被控对象进行控制的数据信息，用户的购买时间、使用时间和计费信息；用于存储实际设备的使用信息、工作状态。

所述服务器管理模块，用于在多个用户端访问时，开启线程为每一个用户端分配一个对应的被控对象，在用户端退出操作时，取消其对应线程；管理用户的添加和删除，管理用户的控制数据信息的存储和删除；

所述网络特性增强模块，用于在进行网络控制实验时，增强网络的随机时延特性和随机丢包特性。

本实施方式中，为了保证对所有用户的账号，使用情况以及计时收费情况的管理，需要在云服务端的数据库中为每个用户设计表单，表单的字段及解释如表1所示。

表1用户表单

所述设备管理端搭建有实际被控系统、管理PC机、摄像头模块；

实际被控系统如图2所示。DSP采集处理模块将USB模块从管理PC机接收到的控制量和负载信息分别传给电机驱动模块和负载模块，从而驱动伺服电机，并对其施加相应的载荷。同时DSP采集处理模块通过USB通信模块将通过电机检测模块采集到的输出量传递到管理PC机。

所述管理PC机，用于设备的登录/退出，设备运行情况的管理，获取视频信息，向云服务端发送实际被控系统传递过来的输出量，接收云服务端传递的控制量；主界面如图3所示。一旦设备、摄像头和管理PC机连接就绪，登录后自动获取当前设备的串口号与网络摄像头的连接端口号。打开摄像头后，界面右侧实时录制设备运行情况，点击“开始”按钮后通过HTTP协议传输至云端。

所述摄像头模块，用于拍摄设备运转图像，通过管理PC机上传至云服务端，供用户通过用户端观察设备运行情况。

所述用户端指PC用户端，主界面如图4所示。搭建有用户通讯模块、控制算法挂载模块、实时图像显示模块、数据显示模块、仿真研究模块；

所述用户端通讯模块，用于采用Http技术与云服务端进行通讯，将根据控制算法得到的控制量实时传输至云服务端中的云数据库中，并接收设备管理端传至云服务端数据库中的被控对象的输出量；

所述控制算法挂载模块，用于挂载根据用户编写的控制算法生成的DLL文件或EXE文件，根据云服务端传回的输出量采用用户编写的控制算法进行计算得到控制量，将控制量传输至云服务端后，再实时传输至设备管理端；

所述实时图像显示模块，用于将网络摄像头通过设备管理端传递到云服务端中被控对象的输出量进行实时显示。

所述数据显示模块，用于根据接收的通过云服务端传回的被控对象输出量和用户挂载的控制算法得到的控制量，进行动态数据和曲线显示。

所述仿真研究模块，用于根据从云服务端数据库获取的被控对象的输出量作为数据样本，利用Matlab研究被控对象模型与控制算法，可以将实验结果与仿真结果进行对比，进而编译控制算法用于算法挂载。

本实施方式中，用户端在连接云服务端的网络选择方面有两种方式：局域网和广域网；局域网的带宽往往比广域网要大，因此数据传输速度较快，但局域网仅适合小范围内用户使用，即每个用户端必须与云服务端处在同一个局域网内，可以应用在校园网等较大局域网范畴；广域网主要通过申请的域名与云服务端的IP地址进行绑定，并利用内网透传技术，即便云服务端IP地址变化，通过该域名仍可访问到云服务端。

所述监控端,搭建有用户信息管理监控模块、设备信息管理监控模块、监控端通讯模块；

所述用户信息管理监控模块，用于管理用户的基本信息，监控用户使用状态，为用户分配权限；实时监视用户实验过程中产生的检测数据、控制数据和图像数据，并将各种数据实时显示出来；

所述设备信息管理监控模块实时监控用户使用的被控对象情况，以便通知管理员及时的对设备进行管理；

所述监控端通讯模块，用于采用Http技术与云服务端和用户端、设备管理端进行通讯，接收云服务端传递的输出量，传输至监控模块；

如图5a所示，通过监控端可以查看用户信息和设备信息，点击用户信息列表中的“查看数据”会看到如图5b所示的信息，包括输出量、控制量、图像信息。

实验系统的控制方法，如图6所示，包括以下步骤：

步骤1：在云服务端中搭建用户数据库和设备管理数据库；

步骤2：用户登录后首先查询设备管理数据库，判断设备是否存在，若存在则分配给用户空闲设备，并进行连接，否则等待；

步骤3：成功登录后，通过PC用户端挂载算法模块挂载用户自行编写的控制算法，进行初始化设置，设定参考输入、网络特性参数；

本实施方式中，允许用户使用C/C++、MATLAB等语言在本地将控制算法编写后按照规定生成动态链接库(dll)或可执行文件(exe)，放在用户端的特定路径下，即可实现对远方的实验设备进行控制。

本实施方式中，以用户编写的离散位置式PID算法为例进行介绍，其数学模型如式(1)所示：

其中，u(k)为k时刻的控制量，error(k)为k时刻的偏差，即实际值与设定值的差，ts为采样周期，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数。本实例中采用k_p＝0.2,k_i＝3.5,k_d＝0,t_s＝0.001

步骤4：设备管理端将通过接口板采集被控独享的输出量，通过摄像头采集被控对象的图像信息，传输至云服务端数据库中保存；

步骤5：云服务端将输出量数据包经过网络特性增强模块处理后，将输出量和图像信息送至用户端计算并显示和监控端显示；

网络特性增强模块的具体实施：用户端的“网络特性设置”区的参数均为0，则为不加强网络特性的情况，否则为加强网络特性，具体情况如下：

网络时延模型为：delay(pack_i(t),λ)＝pack_i(t-λ) (2)

式中：pack_i(t)表示t时刻的第i个数据包；λ≥0为随机滞后时间。当λ＞0时，λ＝random(0,n·ts)，其中n为整数，且n≥1，ts同式(1)，为采样周期，random(·)为随机函数。

随机丢包模型为：

式中：pack_i表示第i个数据包；σ为随机丢包概率，且0≤σ＜1；random(·)同式(2)，为随机函数。

当输入的λ、σ参数取非零值时，将使网络特性得到加强，为后续针对网络特性进行控制算法研究提供便利；当输入的λ、σ参数取零值时，网络特性为实际特性，未得到加强。

步骤6：用户端获取云端数据库中的输出量，然后调用自行挂载的控制算法计算控制量，并将控制量、输出量、图像信息送至用户端数据显示模块和图像显示模块；

步骤7：用户端将控制量送至云端数据库中；

步骤8：云端将控制量数据包传递给网络特性增强模块处理后，再传递给监控端用于显示，传输至设备管理端用于执行；

步骤9：设备管理端将接收到的控制量通过接口板USB通信模块传递给DSP数据采集与控制板，再通过电机驱动模块去控制电机运转；

步骤10：判断停止标志，如果是则实验结束，否则返回步骤4。

本实施方式中，电机控制开环曲线显示实验图如图7所示，电机控制闭环曲线显示实验图如图8所示。

用户端仿真研究模块用于模型辨识和算法研究，具体流程如图9所示：

步骤1：以云端数据库中保存的被控对象输出量作为数据样本，使用matlab工具箱辨识对象模型；

步骤2：根据辨识得到模型，设计控制器，编写控制算法；

步骤3:通过MATLAB分析控制效果；

步骤4：将仿真得到的曲线与实际控制曲线比较，分析哪种控制效果更为良好；

步骤5：若仿真结果优于实际控制效果或达到实际控制要求指标，则进行控制算法编译，用于用户挂载,否则转步骤2重新设计控制算法；

步骤6：辨识仿真与算法研究结束。

Claims (6)

1.一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统，其特征在于：

包括云服务端、用户端、监控端、设备管理端；

所述云服务端搭建有云数据库、云服务器管理模块、网络特性增强模块；

所述用户端指PC用户端，搭建有用户通讯模块、控制算法挂载模块、实时图像显示模块、数据显示模块、仿真研究模块；

所述监控端搭建有用户信息管理监控模块、设备信息管理监控模块、监控端通讯模块；

所述设备管理端搭建有管理PC机、实际被控系统、摄像头模块。

2.根据权利要求1所述的一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统，其特征在于：

所述云服务端搭建有云数据库、云服务器管理模块、网络特性增强模块；

所述云数据库，用于存储用户的基本信息、被控对象的输出量检测信息和摄像头的图像信息，用户的基本信息包括用户的购买时间、使用时间和密保问题；用于存储实际设备的使用信息、工作状态；

所述云服务器管理模块，用于在多个用户端访问时，开启线程为每一个用户端分配一个对应的被控对象，在用户端退出操作时，取消其对应线程；管理用户的添加和删除，管理用户的计算数据信息的存储和删除；

所述网络特性增强模块，用于在进行网络控制实验时，增强网络的相关特性，如随机时延特性、随机丢包特性。

3.根据权利要求1所述的一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统，其特征在于：

所述用户端指PC用户端，搭建有用户通讯模块、控制算法挂载模块、实时图像显示模块、数据显示模块、仿真研究模块；

所述用户通讯模块采用Http技术与云服务端进行通讯，将根据控制算法挂载模块得到的控制量实时传输至云服务端中的云数据库中，并接收设备管理端传至云服务端数据库中的被控对象的输出量；

所述控制算法挂载模块，用于挂载根据用户编写的控制算法生成的DLL文件或EXE文件，根据云服务端传回的输出量采用用户编写的控制算法进行计算得到控制量，将控制量传输至云服务端后，再实时传输至设备管理端；

所述实时图像显示模块，用于将网络摄像头通过设备管理端传递到云服务端中被控对象运行情况的图像进行实时显示；

所述数据显示模块，将接收的云服务端传回的被控对象输出量和用户挂载的控制算法得到的控制量，进行动态数据和曲线显示；

所述仿真研究模块，根据云服务端中云数据库获取的被控对象的输出量作为数据样本，利用Matlab研究被控对象模型与算法，将实验结果与仿真结果进行对比，对用户编写的控制算法进行编译。

4.根据权利要求1所述的一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统，其特征在于：

所述监控端搭建有用户信息管理监控模块、设备信息管理监控模块、监控端通讯模块；

所述用户信息管理监控模块，用于管理用户的基本信息，监控用户使用状态，为用户分配权限；实时监视用户实验过程中产生的检测数据、控制数据和图像数据，将数据实时显示出来；

所述设备信息管理监控模块实时监控用户使用的被控对象情况，以便通知管理员及时的对设备进行管理；

所述监控端通讯模块，用于采用Http技术与云服务端和用户端、设备管理端进行通讯，将云服务端接收的输出量传输至监控模块。

5.根据权利要求1所述的一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统，其特征在于：

所述设备管理端搭建有管理PC机、实际被控系统、摄像头模块；

所述管理PC机，用于设备的登录/退出，设备运行情况的管理，向云服务端发送实际被控系统传递过来的输出量，接收云服务端传递的控制量。

6.根据权利要求5所述的一种具有云端服务的开放式计算机控制实验系统，其特征在于：

所述实际被控系统由直流伺服电机、电机检测模块、负载模块、电机驱动模块、以DSP为核心的数据采集与控制板组成，通过USB接口与管理PC机相互连接，向管理PC机发送被控系统输出量，接收由管理PC机传回的控制量；

所述摄像头模块，与管理PC机相连，实时获取设备的图像信息，传至云服务端数据库。