基于闭环控制的网络实验系统及其实现方法技术方案

一种基于闭环控制的网络实验系统及其实现方法，该系统包括：实体实验系统、控制模块、测量模块、现场计算机、视频监控系统、现场服务器和远程客户端，其中：实体实验系统通过控制模块和测量模块与现场计算机连接，测量模块用于测量实体实验系统的参数信号，控制模块接收来自现场计算机的控制信号并对实体实验系统进行闭环控制，现场计算机和视频监控系统分别与现场服务器通过有线或无线网络连接，将实体实验系统的控制信息和显示信息传输到现场服务器，并将实验室现场视频信息传输到现场服务器，本发明专利技术具有远程操控的优点，将实验从虚拟仿真变为实体操控，实际操作中配合视频临场感技术，使实验者身临其境，实现资源共享，大大提高了设备的利用率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种网络系统及其方法，特别是一种与自动控制、物联网、视频监控、数据处理及教学实践密切关联的网络实验系统及其实现方法。
技术介绍
随着我国高等教育的普及，近年来特别强调要加强本科培养中的工程教育，很多高校正着力于实习基地和教育教学实验系统的建设，然而由于资金所限，致使不少学校常常采取用理论分析代替实际动手，用虚拟仿真代替实体实验，用课堂演示代替工程实践，其结果直接影响了教学质量的提高和学生工程实践能力的培养。在线远程教育，特别是通过网络来实现工科实验教育，已经成为一个研究热点。经对现有技术文献的检索发现，现有的已经授权的针对真实硬件设备的网络远程实验专利大致有三种:I)中国专利授权号CN101814248B，公告日2011.11.09，公开了一种计算机硬件系列课程的远程实验系统，以计算机硬件实验为主体，由于远程操控本来就属于计算机网络范畴，对于计算机硬件远程实验，进行网络传输，不涉及非电信号量的采集，不涉及手动接线搭建不同的实验。2)中国专利授权号CN101237365B，公告日2010.07.21，公开了一种EDA网络实验系统及实验方法，以FPGA数字电路为主体，远程设计对应的实验电路，将设计代码通过网络传输下载到FPGA数字电路中，整个实验本身不涉及接线。3)中国专利授权号CN100492445，公告日2009.05.27，公开了一种基于网络的远程电子电路实验方法及系统，以基本电子电路为主题，对不同的电子元器件统一编址，在远端通过对实验电路中元器件的控制，从而设计不同的实验电路。上述技术均存在的缺点在于:通过远程计算机发送信号，对本地实验进行直接操控，属于开环控制，在远端无法得知现场搭建实验是否完成，这就导致现场真实设备的运行情况出现搭建的实验电路或者实验设备可能没有符合期望，从而造成实验失败，甚至导致现场出现意外灾害。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种，在现场计算机与实体实验系统之间加入控制模块和测量模块，强化对实体实验系统的闭环控制。本专利技术通过以下技术方案实现的:本专利技术涉及一种基于闭环控制的网络实验系统，包括:实体实验系统、控制模块、测量模块、现场计算机、视频监控系统、现场服务器和远程客户端，其中:实体实验系统通过控制模块和测量模块与现场计算机连接，测量模块用于测量实体实验系统的参数信号，控制模块接收来自现场计算机的控制信号并对实体实验系统进行闭环控制，现场计算机和视频监控系统分别与现场服务器通过有线或无线网络连接，将实体实验系统的控制信息和显示信息传输到现场服务器，并将实验室现场视频信息传输到现场服务器，远程客户端通过Internet与现场服务器连接，使得实验的操作与显示可以实时在现场计算机和远程客户端上实现。所述的实体实验系统包括:执行装置、数字调节器、实验显示屏、实验模块挂箱、实验台和实验桌，其中:数字调节器与控制模块相连并接收开关输出量和模拟输出量，数字调节器向执行装置发出控制电平，实验显示屏与实验模块挂箱并排安装在实验台上，实验台安装在实验桌上，执行装置用于完成实体实验。所述的控制模块通过串口线与现场计算机连接，接收来自现场计算机的作为控制信号的开关输入量和模拟输入量，控制模块通过控制电路与实体实验系统连接，向实体实验系统发送开关输出量和模拟输出量以实现闭环控制。所述的测量模块通过测量探头与实体实验系统连接，用于测量实体实验系统的参数信号，再将参数信号传输显示在现场计算机上。所述的视频监控系统，包括:网络摄像机、云台和支架，其中:网络摄像机与云台通过转动电机连接，网络摄像机与云台通过紧密螺丝与支架连接，支架通过膨胀螺丝固定在实验室墙壁上。所述的视频监控系统采集包括但不限于声音、烟雾、火灾的报警信号。所述的现场服务器作为各种信号中转中心，接收来自远程客户端的控制信号、来自视频监控系统的视频显示信号、来自现场计算机的测量信号和硬件连接反馈信号，并且现场服务器向远程客户端发送视频显示信号、测量信号和硬件连接反馈信号、向视频监控系统发送云台控制信号、向现场计算机发送控制信号和视频显示信号。所述的远程客户端用于实现人机交互，对实体实验系统的远程操作信号都由远程客户端发出，并接收实体实验系统的测量信号和硬件连接反馈信号及视频监控系统的视频显示信号。和传统的远程实验系统不同，本系统通过强化现场计算机对实体实验系统的控制和测量功能，形成自动控制原理中经典的闭环控制，控制模块自身也采用闭环反馈思想来设计，在保证同样性能的前提下，少用一半的继电器。通过远程客户端发送控制信号，可以在无人环境中自动接线，搭建实体实验系统，实验系统是否搭建完成可以通过测量模块获知，也可以通过视频监控系统实时监控实验系统状态，出现意外灾害及时报警，形成双保险，从而在保证远程操控的方便优点的基础上，有效增强实验系统的可靠性和安全性。本专利技术还涉及一种基于自动控制的网络实验方法，包括以下步骤:⑴远程登录:实验者在远程客户端登录在现场服务器，通过控制模块在远端完成实验系统搭建和参数调节，对现场的实体实验系统直接操控，通过测量模块在远端完成信号测量和数据分析，在实际操作中结合实时视频场景，增强临场感。⑵系统搭建:以物联网模式和基于LABview开发平台，通过物联网对远程实体实验系统两点进行接线操控，包括两点连线、连线删除和系统保护。⑶参数调节:对模拟量和数字量的调节。⑷信号测量:对于数值测量采用常规数值仪表直接显示；对于波形测量采用虚拟示波器方法采集电信号。(5)数据分析:根据实验结果数据，自行手工分析或通过系统中的软件进来完成。(6)临场监控:采用光学变焦高清网络摄像机，提供经过高倍压缩的高清实时的现场图像，再经网络系统传送到远端，远程客户端上开辟专门显示窗口，采用画中画模式，观察到远端操作实体实验系统的全过程。所述的远程登录是指:以web方式，基于浏览器的B/S操作界面，支持对有线网络、无线网络包括GPRS、3G、4G、WIFI的设备远程操控和多人互动，如:在实验的过程中可以与其他实验者进行讨论。 技术效果与现有技术相比，本专利技术的优点包括:I)通过采用闭环控制的系统架构，在软件层面可以实现系统搭建的可靠操作，保证实验系统按照期望设计进行搭建，这是实验进行的基础，是实验安全的保证，也是本专利技术最大的优点。2)软件层面通过采用B/S架构，在任何有网络的地方，任何可以允许浏览器的设备上，都可以实现对网络实验系统的访问，增强了网络实验系统的通用性。3)强化网络实验系统的功能，可以对实验系统搭建进行控制，也可以在实验进行过程中对参数进行调节，包括数字量调节，和模拟量调节，增强了实验的灵活性和扩展性。4)采用虚拟仪器的测量模块，不需要额外的测量设备，就可以满足实验过程中不同参数测量，从而是系统的整体价格降低，也是系统结构更简单。5)数据分析可以通过自带软件在远程客户端上进行，方便学生对实验结果的分析和处理。6)采用光学变焦高清网络摄像机，在远程客户端上对实体实验系统进行监控，最大程度上使学生感到亲身做系统搭建，操作实验，调节参数，信号测量，数据分析，在实验交互方面真正做到临场感。【附图说明】图1为本专利技术示意图。图2为实体实验系统示意图。图3为视频监控系统示意图。图4为系统搭建示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于闭环控制的网络实验系统，其特征在于，包括：实体实验系统、控制模块、测量模块、现场计算机、视频监控系统、现场服务器和远程客户端，其中：实体实验系统通过控制模块和测量模块与现场计算机连接，测量模块用于测量实体实验系统的参数信号，控制模块接收来自现场计算机的控制信号并对实体实验系统进行闭环控制，现场计算机和视频监控系统分别与现场服务器通过有线或无线网络连接，将实体实验系统的控制信息和显示信息传输到现场服务器，并将实验室现场视频信息传输到现场服务器，远程客户端通过Internet与现场服务器连接，使得实验的操作与显示可以实时在现场计算机和远程客户端上实现；所述的控制模块通过串口线与现场计算机连接，接收来自现场计算机的作为控制信号的开关输入量和模拟输入量，控制模块通过控制电路与实体实验系统连接，向实体实验系统发送开关输出量和模拟输出量以实现闭环控制；所述的控制模块包括：微处理器单元、外围电路单元以及继电器单元，其中：微处理器单元与外围电路单元相连并传输控制信息，外围电路单元与继电器相连并传输驱动信息；所述的测量模块通过测量探头与实体实验系统连接，用于测量实体实验系统的参数信号，再将参数信号传输显示在现场计算机上；所述的测量模块包括：数据采集硬件单元、计算机LABview应用程序单元，其中：数据采集硬件单元采集实体实验系统的各种物理参数信号，通过总线传输到现场计算机上，经过计算机上的LABview应用程序处理，显示在现场计算机显示屏上。...

【技术特征摘要】
1.一种基于闭环控制的网络实验系统，其特征在于，包括:实体实验系统、控制模块、测量模块、现场计算机、视频监控系统、现场服务器和远程客户端，其中:实体实验系统通过控制模块和测量模块与现场计算机连接，测量模块用于测量实体实验系统的参数信号，控制模块接收来自现场计算机的控制信号并对实体实验系统进行闭环控制，现场计算机和视频监控系统分别与现场服务器通过有线或无线网络连接，将实体实验系统的控制信息和显示信息传输到现场服务器，并将实验室现场视频信息传输到现场服务器，远程客户端通过Internet与现场服务器连接，使得实验的操作与显示可以实时在现场计算机和远程客户端上实现； 所述的控制模块通过串口线与现场计算机连接，接收来自现场计算机的作为控制信号的开关输入量和模拟输入量，控制模块通过控制电路与实体实验系统连接，向实体实验系统发送开关输出量和模拟输出量以实现闭环控制； 所述的控制模块包括:微处理器单元、外围电路单元以及继电器单元，其中:微处理器单元与外围电路单元相连并传输控制信息，外围电路单元与继电器相连并传输驱动信息； 所述的测量模块通过测量探头与实体实验系统连接，用于测量实体实验系统的参数信号，再将参数信号传输显示在现场计算机上； 所述的测量模块包括:数据采集硬件单元、计算机LABview应用程序单元，其中:数据采集硬件单元采集实体实验系统的各种物理参数信号，通过总线传输到现场计算机上，经过计算机上的LABview应用程序处理，显示在现场计算机显示屏上。2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的实体实验系统包括:执行装置、数字调节器、实验显示屏 、实验模块挂箱、实验台和实验桌，其中:数字调节器与控制模块相连并接收开关输出量和模拟输出量，数字调节器向执行装置发出控制电平，实验显示屏与实验模块挂箱并排安装在实验台上，实验台安装在实验桌上，执行装置用于完成实体实验。3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的控制模块包括:针对不同的实验设备进行优化控制，实体实验系统的继电器吸合状态通过modbus协议实时向现场计算机发送继电器吸合完毕信号。4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的视频监控系统，包括:网络摄像机、云台和支架，其中:...

【专利技术属性】
技术研发人员：田作华，杨明，杨根科，周越，王冰，王红雨，赵国旗，王宏武，钱华新，郭栋，施红梅，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31