虛擬控制實驗仿真平臺的設(shè)計與教學應用

韓 芳，畢云松，孔維健，王直杰

(東華大學 信息科學與技術(shù)學院，上海 201620)

虛擬控制實驗仿真平臺的設(shè)計與教學應用

韓 芳，畢云松，孔維健，王直杰

(東華大學 信息科學與技術(shù)學院，上海 201620)

針對實物控制實驗效率低、成本高的缺點，設(shè)計一種面向紡織信息類教學的虛擬控制實驗仿真平臺。該平臺由虛擬對象、控制系統(tǒng)實物以及交互模塊構(gòu)成，虛擬對象采用Unity 3d和3ds Max聯(lián)合開發(fā)，其動畫由Matlab數(shù)據(jù)模型進行驅(qū)動，使虛擬實驗能夠逼真、真實地反映生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝過程。以碳纖維生產(chǎn)線中的水浴牽伸過程為例，介紹虛擬控制實驗仿真平臺在教學中的應用。

虛擬控制實驗；仿真平臺；實驗教學；碳纖維生產(chǎn)線

一、 虛擬實驗室的意義

在高校教學中，實驗教學是極其重要的環(huán)節(jié)。實驗過程可以讓學生觀察實驗現(xiàn)象，啟發(fā)思考，分析實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論。學生在實際操作過程中能形象、生動、直觀地理解和掌握專業(yè)技能，更好地培養(yǎng)創(chuàng)新能力。然而，由于學生人數(shù)較多和基礎(chǔ)實驗設(shè)備數(shù)量有限，無法滿足實驗教學的要求，導致傳統(tǒng)的實驗教學成為教學環(huán)節(jié)的薄弱點[1]。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)高仿真度的虛擬實驗環(huán)境，其中的虛擬實驗設(shè)備可以代替昂貴的真實器材，具有反復學習使用、不受時間地域限制、實際交互性強等優(yōu)點。這種教學方式也解決了生產(chǎn)設(shè)備成本較高、場地限制、操作人員安全性監(jiān)管等諸多問題[2]。

虛擬實驗室的概念最早由美國的William Wulf教授于1989年提出，它是一個計算機圖形化的虛擬實驗環(huán)境。虛擬實驗經(jīng)歷了兩個發(fā)展階段：(1)計算機仿真階段，注重計算機數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢；(2)虛擬現(xiàn)實階段，注重采用多種交互形式營造虛擬實驗室環(huán)境。目前，在發(fā)達國家虛擬實驗室的普及率已經(jīng)相當高，例如美國麻省理工學院的Web Lab遠程實驗室、俄勒岡大學的物理虛擬實驗室、德國波鴻大學的控制工程學習系統(tǒng)等。在我國，虛擬實驗室正處于起步階段，各高校也初步建立了能夠符合自身要求的虛擬實驗室，如浙江大學的基于Web的遠程實驗室、清華大學的電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真實驗室、中國農(nóng)業(yè)大學的虛擬土壤實驗室[3]。

將虛擬實驗室技術(shù)應用于工藝過程的實驗教學必然會增加學生的直觀認識，增強可視化和交互性能，使得系統(tǒng)更加貼近人們在現(xiàn)實世界中的思維行為模式，提高學習效率[4]?；诠に囘^程的虛擬實驗室就是通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建出一個可視化的三維環(huán)境，其中可視化三維物體代表一種或幾種實驗設(shè)備模塊。位于實驗室計算機前的學生，通過點擊鼠標和輸入?yún)?shù)等交互操作進行虛擬儀器操作，調(diào)整生產(chǎn)線的開關(guān)變量和模擬變量，從而觀察實驗現(xiàn)象，分析實驗結(jié)果。

二、 虛擬控制實驗仿真平臺的設(shè)計思路

虛擬控制實驗仿真平臺包括虛擬實驗對象、控制系統(tǒng)實物以及兩者的交互模塊三部分，如圖1所示。其中虛擬實驗對象用于模擬現(xiàn)實的工藝過程，控制系統(tǒng)實物即真實的控制器或控制系統(tǒng)，交互模塊用于實現(xiàn)用戶與虛擬對象之間的交互。

圖1 虛擬控制實驗仿真平臺的組成

1. 虛擬實驗對象設(shè)計

虛擬實驗對象由三維模型、三維場景、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。具體操作流程如下：先將三維模型導入三維場景，然后將數(shù)據(jù)模型產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，再將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)傳遞到三維場景中，最后傳遞給三維場景中的三維模型。

建立三維模型時需要對實物進行實際考察，測量實物的幾何數(shù)據(jù)，取得一定數(shù)據(jù)后，借助三維動畫渲染和制作軟件3ds Max建立三維模型。采用3ds Max建模時應注意：(1)各實驗設(shè)備的長、寬、高數(shù)據(jù);(2)模型的中心基點應與3ds Max中場景的中心點一致;(3)為減小數(shù)據(jù)量,模型應抓住實驗設(shè)備的主體輪廓，盡量減少面數(shù)[5]。

采用3ds Max和Unity 3d進行協(xié)同三維建模，布置一個三維虛擬實驗平臺場景。根據(jù)真實實驗場景中設(shè)備的位置、大小、遮擋關(guān)系，擺放虛擬部件模型。Unity 3d作為模型的運動性開發(fā)引擎，可制作符合相應運動機制的腳本，附著于三維模型上[6]。

數(shù)據(jù)模型是基于數(shù)據(jù)建立的模型，用于描述工藝過程中輸入變量與輸出變量之間的特性關(guān)系，其中的數(shù)據(jù)可以通過現(xiàn)場采集獲得。本設(shè)計采用Matlab軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，可以采用指數(shù)逼近、傅里葉逼近、高斯逼近、多項式逼近等多種形式的數(shù)據(jù)擬合原型[7]。

2. 控制系統(tǒng)實物

控制系統(tǒng)實物是一種將支撐電路、算術(shù)邏輯模塊封裝成可重用功能模塊的硬件實體。這個實體提供了標準的輸入、輸出接口，能夠被第三方軟件部署和組裝。DCS(分布式控制系統(tǒng))和PLC(可編程邏輯控制器)是生產(chǎn)中常見的兩種控制系統(tǒng)實物，其中DCS側(cè)重于過程控制，PLC則側(cè)重于邏輯控制。采用兩種設(shè)備相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，最大限度地防止性能不足的情況出現(xiàn)，確保兩者能夠協(xié)調(diào)地對設(shè)備進行控制[8]。

3. 交互模塊

在三維建模和數(shù)據(jù)建模之后，需要一個開發(fā)平臺創(chuàng)建諸如三維視頻、工業(yè)仿真可視化、實時三維動畫、增強現(xiàn)實的多平臺綜合開發(fā)工具。該平臺可將教學中難以講解的現(xiàn)實設(shè)備和控制技術(shù)用虛擬現(xiàn)實的形式呈現(xiàn)出來，并加入輸入?yún)?shù)界面、輸出參數(shù)界面和曲線顯示的交互技術(shù)，以提高學生的學習興趣和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

借助Visual Studio軟件制作人機交互模塊，運用模塊化、開放性的開發(fā)思路。其中的子模塊自成體系，使用統(tǒng)一規(guī)范的接口，為日后的系統(tǒng)升級提供了便利條件。開發(fā)中具體涉及到Windows Form、Unity Web player control控件、Labview Gragh3d、Access數(shù)據(jù)源控件的使用[9]。

三、 虛擬控制實驗仿真平臺應用案例

1. 案例介紹

下面通過一個教學案例來說明虛擬控制實驗仿真平臺的應用，其中虛擬對象模擬的是碳纖維生產(chǎn)線中的水浴牽伸過程。碳纖維水浴牽伸過程是指碳纖維原絲在凝固浴槽和牽伸水浴槽進行雙擴散、水洗、牽伸等工藝處理的過程，其中的牽伸率為主要性能指標[10]。

教學案例的目標是使學生采用PID算法控制碳纖維水浴牽伸過程的牽伸率指標，形成閉環(huán)控制反饋回路，以防止差值較大和目標值附近振蕩頻發(fā)的過程。相對調(diào)整碳纖維水浴牽伸過程中各開關(guān)量開度的變化和輸入?yún)?shù)值，尋找到能保持最佳溶液濃度、輥輪速度的開關(guān)量開度值，以確保最佳的原絲牽伸率[11]。

控制系統(tǒng)實物采用DCS集散式控制系統(tǒng)，將進液量、出液量、導絲輥速度、牽伸輥速度設(shè)置為I/O口模擬量類型。數(shù)據(jù)庫中的模擬量向上接收人機交互模塊加載的參數(shù)和操作命令，向下直接面對碳纖維生產(chǎn)線水浴牽伸過程對象，利用模擬量驅(qū)動執(zhí)行器，完成碳纖維生產(chǎn)線水浴牽伸過程的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制、順序控制、數(shù)據(jù)采集等功能。

(1) 虛擬實驗對象的實現(xiàn)。采用3ds Max，運用多邊形建模方法制作前臺虛擬碳纖維水浴牽伸過程對象模型。完成三維模型建立后，在保證模型精度和便于模型導入的前提下，將建立好的模型轉(zhuǎn)換為.FBX格式，然后導入到Unity 3d開發(fā)平臺中。

為真實反映生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝過程，采用JavaScript腳本語言編寫控制腳本，嵌入對應的三維模型中，完成對整個虛擬場景的實時交互，如圖2所示。在Matlab環(huán)境下開發(fā)數(shù)據(jù)模型，以便碳纖維水浴牽伸系統(tǒng)進行符合實際運行過程的虛擬仿真。采用支持向量機的方法擬合數(shù)據(jù)曲線，得到相應的數(shù)據(jù)模型后制成dll(動態(tài)鏈接數(shù)據(jù)庫)供仿真平臺調(diào)用。

圖2 碳纖維水浴牽伸過程三維虛擬現(xiàn)實平臺

(2) 交互模塊。采用數(shù)據(jù)庫對登錄數(shù)據(jù)進行預存，通過登錄賬號，作為進出虛擬實驗室的通行證，當實驗完成后，相應的實驗結(jié)果會保存在對應的存儲設(shè)備中。

調(diào)用Windows Form中的Unity Web player control控件，將制作完成的碳纖維生產(chǎn)線水浴牽伸過程虛擬對象拖入實驗模塊中。安裝Labview應用軟件，調(diào)用Graph3d控件讀取數(shù)據(jù)庫中的牽伸率、凝固浴濃度、時間，進行二維曲線顯示，如圖3所示。

圖3 交互模塊運行界面

2. 虛擬控制實驗過程

實驗平臺的操作流程如下:

(1) 打開軟件，進行場景設(shè)備設(shè)定，選取碳纖維生產(chǎn)線水浴牽伸過程設(shè)備。漫游虛擬實驗平臺場景，盡量熟悉設(shè)備之間的關(guān)系，見圖4。

圖4 虛擬實驗室完整顯示界面

(2) 輸入溶液出量參數(shù)、進水量參數(shù)、P比例參數(shù)、I積分參數(shù)、D微分參數(shù)。

(3) 通過控制打開原液控制開關(guān)，觀察原液從噴絲頭噴出形成絲狀碳纖維原絲。

(4) 觀察到凝固浴中濃度上升，打開進液口開關(guān)，保持凝固浴濃度相對恒定在68%附近。

(5) 打開出液口開關(guān)，保持凝固浴液面相對恒定。

(6) 待原絲成型進入導絲輥，設(shè)定導絲輥、牽伸輥速度為260～300 m/min。

(7) 啟動水浴牽伸槽加熱開關(guān)，保持水浴牽伸槽中溶液溫度恒定在98～100 ℃。

(8) 觀察出產(chǎn)碳纖維原絲牽伸率，按所學理論操作原則，分別修改各控制量值，保證在不出現(xiàn)明顯超調(diào)的前提下，尋找最優(yōu)牽伸率的各項控制指標量。

四、 平臺應用教學效果

采用虛擬控制實驗仿真平臺進行教學具有以下優(yōu)點。

1. 全新的感官體驗式教學

教師不再局限于傳統(tǒng)的實驗教學方法，應用虛擬實驗平臺，通過三維動畫演示的方式直觀、形象地介紹碳纖維水浴牽伸過程的空間實體，從而使學生合理地選擇學習內(nèi)容和表現(xiàn)形式，獲得全新的感官體驗[12]。

2. 與真實的工藝過程相融合

比如，靈活地控制進液口和出液口開關(guān)開度以及導絲輥和牽伸輥速度旋鈕，提高教學平臺的交互性、體驗性和實用性。未來學生可以通過不同的實驗思路，加載不同的實驗設(shè)備組件，多角度地觀察、控制實驗環(huán)境，完成不同種類的實驗。

3. 提高實驗效果，降低實驗成本

虛擬實驗平臺能夠克服課堂教學時間、地點的限制，充分發(fā)揮操作人員的自主學習能力。采用三維動畫的形式展現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)、交互控制、監(jiān)控評價等功能，調(diào)動操作人員的積極性，提高操作人員的動手能力、空間想象力和創(chuàng)新思維能力。這種虛擬實驗平臺的制作方式在降低實驗室采購設(shè)備成本的同時，也能夠自主更新與升級虛擬設(shè)備，保證了實驗教學內(nèi)容與最前沿技術(shù)的契合。

五、 結(jié)語

虛擬控制實驗仿真平臺把真實的工藝過程與三維虛擬實驗結(jié)合在一起,利用虛擬實驗對象、控制設(shè)備實物、交互模塊的協(xié)同作用實現(xiàn)了虛擬平臺教學，通過控制操作變量的方法模擬整個實驗過程。該虛擬實驗室仿真軟件可以用作教學與控制技術(shù)科研實驗，有助于提升實驗教學人員的教學效率和科研人員的仿真真實性，不僅有效地控制了實驗與培訓成本，還降低了在真實的凝固浴牽伸系統(tǒng)中開展實驗的風險，而且該系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要自定義設(shè)備參數(shù)及特性，具有擴展功能。

[1] 白雁,張娟,潘瑾，等.“虛擬實驗室”在高校儀器分析教學中的應用[J].實驗技術(shù)與管理,2011(12):169-171.

[2] 劉澤良.發(fā)揮虛擬實驗室建設(shè)對實驗教學的促進作用[J].實驗技術(shù)與管理,2011(7):193-194.

[3] 張靜,肖明.開放式虛實結(jié)合的實驗教學模式的研究與探索[J].中國電力教育,2014(36):176-177.

[4] 李芳,寇應展,申吉紅，等.軍校網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與開放實驗室一體化教學模式的創(chuàng)新研究[J].中國電力教育,2014(29):77-78.

[5] 張巖,高海俠.淺談3DSMax多種建模方法的應用[J].科技創(chuàng)新導報,2008(33):26-27.

[6] WANG S, MAO Z, ZENG C, et al. A new method of virtual reality based on Unity 3d[C]. 18th IEEE International Conference on Geoinformatics, 2010:1-5.

[7] 李本祥,董新榮,曾盔.Matlab在化工數(shù)據(jù)及模型參數(shù)擬合中的應用[J].計算機與應用化學,2007(9):1197-1200.

[8] 周學慧,袁奕,羅永濤.DCS與PLC控制系統(tǒng)的特點分析[J].平頂山工學院學報,2005(1):38-40.

[9] 朱明勛,吳悅明,陳慧彬,等.城市軌道交通信號道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備的虛擬仿真培訓系統(tǒng)[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2016(1):9-11.

[10]王琴,呂春祥,梁曉懌,等.聚丙烯腈纖維在水浴牽伸過程中應力-應變曲線的研究[J].新型炭材料,2004(1):38-44.

[11]王成國，朱波.聚丙烯腈基碳纖維[M].北京：科學出版社，2011：188-219.

[12]陳小紅.虛擬實驗室的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2010(17):107-109.

(責任編輯：吳文英)

2014年度上海市本科精品課程項目；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(15D210406,15D110425)

韓 芳(1981—)，女，山西懷仁人，副教授，博士，研究方向為智能系統(tǒng)與神經(jīng)動力學。E-mail:yadiahan@163.com

G642

A

2095-3860(2017)04-0304-04