韓 芳，畢云松，孔維健，王直杰

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

虛擬控制實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與教學(xué)應(yīng)用

韓 芳，畢云松，孔維健，王直杰

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

針對(duì)實(shí)物控制實(shí)驗(yàn)效率低、成本高的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種面向紡織信息類教學(xué)的虛擬控制實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)由虛擬對(duì)象、控制系統(tǒng)實(shí)物以及交互模塊構(gòu)成，虛擬對(duì)象采用Unity 3d和3ds Max聯(lián)合開發(fā)，其動(dòng)畫由Matlab數(shù)據(jù)模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虮普妗⒄鎸?shí)地反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)在教學(xué)中的應(yīng)用。

虛擬控制實(shí)驗(yàn)；仿真平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；碳纖維生產(chǎn)線

一、 虛擬實(shí)驗(yàn)室的意義

在高校教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是極其重要的環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)過程可以讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，啟發(fā)思考，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。學(xué)生在實(shí)際操作過程中能形象、生動(dòng)、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(xué)生人數(shù)較多和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限，無法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，導(dǎo)致傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為教學(xué)環(huán)節(jié)的薄弱點(diǎn)[1]。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)高仿真度的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，其中的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以代替昂貴的真實(shí)器材，具有反復(fù)學(xué)習(xí)使用、不受時(shí)間地域限制、實(shí)際交互性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。這種教學(xué)方式也解決了生產(chǎn)設(shè)備成本較高、場(chǎng)地限制、操作人員安全性監(jiān)管等諸多問題[2]。

虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念最早由美國(guó)的William Wulf教授于1989年提出，它是一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段：(1)計(jì)算機(jī)仿真階段，注重計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì)；(2)虛擬現(xiàn)實(shí)階段，注重采用多種交互形式營(yíng)造虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。目前，在發(fā)達(dá)國(guó)家虛擬實(shí)驗(yàn)室的普及率已經(jīng)相當(dāng)高，例如美國(guó)麻省理工學(xué)院的Web Lab遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室、俄勒岡大學(xué)的物理虛擬實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)波鴻大學(xué)的控制工程學(xué)習(xí)系統(tǒng)等。在我國(guó)，虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室，如浙江大學(xué)的基于Web的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)的電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的虛擬土壤實(shí)驗(yàn)室[3]。

將虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)應(yīng)用于工藝過程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)必然會(huì)增加學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)可視化和交互性能，使得系統(tǒng)更加貼近人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中的思維行為模式，提高學(xué)習(xí)效率[4]。基于工藝過程的虛擬實(shí)驗(yàn)室就是通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建出一個(gè)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(shí)驗(yàn)設(shè)備模塊。位于實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)前的學(xué)生，通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)和輸入?yún)?shù)等交互操作進(jìn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

二、 虛擬控制實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路

虛擬控制實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)包括虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象、控制系統(tǒng)實(shí)物以及兩者的交互模塊三部分，如圖1所示。其中虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象用于模擬現(xiàn)實(shí)的工藝過程，控制系統(tǒng)實(shí)物即真實(shí)的控制器或控制系統(tǒng)，交互模塊用于實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬對(duì)象之間的交互。

圖1 虛擬控制實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的組成

1. 虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象由三維模型、三維場(chǎng)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(dǎo)入三維場(chǎng)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(chǎng)景中，最后傳遞給三維場(chǎng)景中的三維模型。

建立三維模型時(shí)需要對(duì)實(shí)物進(jìn)行實(shí)際考察，測(cè)量實(shí)物的幾何數(shù)據(jù)，取得一定數(shù)據(jù)后，借助三維動(dòng)畫渲染和制作軟件3ds Max建立三維模型。采用3ds Max建模時(shí)應(yīng)注意：(1)各實(shí)驗(yàn)設(shè)備的長(zhǎng)、寬、高數(shù)據(jù);(2)模型的中心基點(diǎn)應(yīng)與3ds Max中場(chǎng)景的中心點(diǎn)一致;(3)為減小數(shù)據(jù)量,模型應(yīng)抓住實(shí)驗(yàn)設(shè)備的主體輪廓，盡量減少面數(shù)[5]。

采用3ds Max和Unity 3d進(jìn)行協(xié)同三維建模，布置一個(gè)三維虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)場(chǎng)景。根據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(yùn)動(dòng)性開發(fā)引擎，可制作符合相應(yīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)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(chǎng)采集獲得。本設(shè)計(jì)采用Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以采用指數(shù)逼近、傅里葉逼近、高斯逼近、多項(xiàng)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(shí)物

控制系統(tǒng)實(shí)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(shí)體。這個(gè)實(shí)體提供了標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shì)，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(duì)設(shè)備進(jìn)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(gè)開發(fā)平臺(tái)創(chuàng)建諸如三維視頻、工業(yè)仿真可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的多平臺(tái)綜合開發(fā)工具。該平臺(tái)可將教學(xué)中難以講解的現(xiàn)實(shí)設(shè)備和控制技術(shù)用虛擬現(xiàn)實(shí)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

借助Visual Studio軟件制作人機(jī)交互模塊，運(yùn)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(jí)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(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)應(yīng)用案例

1. 案例介紹

下面通過一個(gè)教學(xué)案例來說明虛擬控制實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的應(yīng)用，其中虛擬對(duì)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(jìn)行雙擴(kuò)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(biāo)[10]。

教學(xué)案例的目標(biāo)是使學(xué)生采用PID算法控制碳纖維水浴牽伸過程的牽伸率指標(biāo)，形成閉環(huán)控制反饋回路，以防止差值較大和目標(biāo)值附近振蕩頻發(fā)的過程。相對(duì)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(shí)物采用DCS集散式控制系統(tǒng)，將進(jìn)液量、出液量、導(dǎo)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(jī)交互模塊加載的參數(shù)和操作命令，向下直接面對(duì)碳纖維生產(chǎn)線水浴牽伸過程對(duì)象，利用模擬量驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)對(duì)象的實(shí)現(xiàn)。采用3ds Max，運(yùn)用多邊形建模方法制作前臺(tái)虛擬碳纖維水浴牽伸過程對(duì)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(dǎo)入的前提下，將建立好的模型轉(zhuǎn)換為.FBX格式，然后導(dǎo)入到Unity 3d開發(fā)平臺(tái)中。

為真實(shí)反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝過程，采用JavaScript腳本語言編寫控制腳本，嵌入對(duì)應(yīng)的三維模型中，完成對(duì)整個(gè)虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)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(jìn)行符合實(shí)際運(yùn)行過程的虛擬仿真。采用支持向量機(jī)的方法擬合數(shù)據(jù)曲線，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型后制成dll(動(dòng)態(tài)鏈接數(shù)據(jù)庫)供仿真平臺(tái)調(diào)用。

圖2 碳纖維水浴牽伸過程三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)

(2) 交互模塊。采用數(shù)據(jù)庫對(duì)登錄數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)存，通過登錄賬號(hào)，作為進(jìn)出虛擬實(shí)驗(yàn)室的通行證，當(dāng)實(shí)驗(yàn)完成后，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)保存在對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)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(duì)象拖入實(shí)驗(yàn)?zāi)K中。安裝Labview應(yīng)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(shí)間，進(jìn)行二維曲線顯示，如圖3所示。

圖3 交互模塊運(yùn)行界面

2. 虛擬控制實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作流程如下:

(1) 打開軟件，進(jìn)行場(chǎng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)場(chǎng)景，盡量熟悉設(shè)備之間的關(guān)系，見圖4。

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)室完整顯示界面

(2) 輸入溶液出量參數(shù)、進(jìn)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(jìn)液口開關(guān)，保持凝固浴濃度相對(duì)恒定在68%附近。

(5) 打開出液口開關(guān)，保持凝固浴液面相對(duì)恒定。

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

(7) 啟動(dòng)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(xué)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(xiàng)控制指標(biāo)量。

四、 平臺(tái)應(yīng)用教學(xué)效果

采用虛擬控制實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1. 全新的感官體驗(yàn)式教學(xué)

教師不再局限于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過三維動(dòng)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(shí)體，從而使學(xué)生合理地選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容和表現(xiàn)形式，獲得全新的感官體驗(yàn)[12]。

2. 與真實(shí)的工藝過程相融合

比如，靈活地控制進(jìn)液口和出液口開關(guān)開度以及導(dǎo)絲輥和牽伸輥速度旋鈕，提高教學(xué)平臺(tái)的交互性、體驗(yàn)性和實(shí)用性。未來學(xué)生可以通過不同的實(shí)驗(yàn)思路，加載不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備組件，多角度地觀察、控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境，完成不同種類的實(shí)驗(yàn)。

3. 提高實(shí)驗(yàn)效果，降低實(shí)驗(yàn)成本

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠克服課堂教學(xué)時(shí)間、地點(diǎn)的限制，充分發(fā)揮操作人員的自主學(xué)習(xí)能力。采用三維動(dòng)畫的形式展現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)、交互控制、監(jiān)控評(píng)價(jià)等功能，調(diào)動(dòng)操作人員的積極性，提高操作人員的動(dòng)手能力、空間想象力和創(chuàng)新思維能力。這種虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的制作方式在降低實(shí)驗(yàn)室采購設(shè)備成本的同時(shí)，也能夠自主更新與升級(jí)虛擬設(shè)備，保證了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與最前沿技術(shù)的契合。

五、 結(jié)語

虛擬控制實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)把真實(shí)的工藝過程與三維虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合在一起,利用虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象、控制設(shè)備實(shí)物、交互模塊的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了虛擬平臺(tái)教學(xué)，通過控制操作變量的方法模擬整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。該虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真軟件可以用作教學(xué)與控制技術(shù)科研實(shí)驗(yàn)，有助于提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員的教學(xué)效率和科研人員的仿真真實(shí)性，不僅有效地控制了實(shí)驗(yàn)與培訓(xùn)成本，還降低了在真實(shí)的凝固浴牽伸系統(tǒng)中開展實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)，而且該系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要自定義設(shè)備參數(shù)及特性，具有擴(kuò)展功能。

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(責(zé)任編輯：吳文英)

2014年度上海市本科精品課程項(xiàng)目；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(15D210406,15D110425)

韓 芳(1981—)，女，山西懷仁人，副教授，博士，研究方向?yàn)橹悄芟到y(tǒng)與神經(jīng)動(dòng)力學(xué)。E-mail:yadiahan@163.com

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2095-3860(2017)04-0304-04