虛擬計算機過程控制及通信實驗系統的製作方法
2023-12-12 13:16:42 1
專利名稱：虛擬計算機過程控制及通信實驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種虛擬計算機過程控制及通信實驗系統，屬實驗裝置技術領域。
背景技術：
本實驗系統是為自動化專業、控制類專業以及計算機應用等專業研究開發的一套實驗系統。這些專業開設自動控制等課程時必須進行過程控制實驗，但部分的學校由於手段和裝置的問題無法進行實驗。也有一些學校也開設一些實驗，但一般採用以下實驗方法a、採用計算機模擬和仿真的辦法。
由於沒有實驗裝置，只能採用計算機和模擬仿真方法，這種方法在學生實驗時，沒有被控制的對象，也不動手，所以效果很差，達不到動手實踐和提高感性認識的功效。
b、有的也搞了一些裝置，但以儀表控制為主，或自編了一些控制軟體。一般對象不直觀，開設的實驗比較少，以儀表控制為主，技術比較落後，價格也比較昂貴。
c、原有的實驗裝置一般為一個獨立的裝置，每次只能供1-2位學生做實驗，學生總人數比較多時，就存在實驗裝置少與人多的矛盾。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術的缺點，提供一種採用以Labview為軟體平臺的虛擬儀器技術及可用電話線進行的遠程通信，使實驗系統變成實驗網絡的虛擬計算機過程控制及通信實驗系統。
本發明的技術方案特點是它包括液位控制系統實驗裝置、流量控制系統實驗裝置、恆壓水循環系統及建立在LABVIEW為軟體平臺上的數據採集模塊、數據處理模塊及數據通信模塊，被控對象的目標值由計算機界面上給定，被控對象的實際值通過變送器檢測，測得信號送入數據採集模塊，經A/D轉換後的數位訊號與被控對象的目標值給定信號同時送入包括數字濾波，多輸入通道的信號分離等處理的數據處理模塊，經處理後的信號送入控制算法模塊進行運算，運算的控制信號驅動伺服放大器，推動調節閥，將被控參數調整至目標值，同時信號還送入利用Datasocket進行數據通信的數據通信模塊，通過伺服器數據端、公用電話網及Datasocke伺服器與客戶端相連接。
由於本發明是用虛擬儀器技術，是比較新的計算機應用技術，採用LABVIEW為軟體平臺，自主開發了計算機過程控制的軟體，實現了對一階、二階、單迴路和串接系統等多種模式的過程控制，可以代替儀表控制，實現了技術上的發展，也將實驗的課程擴大到計算機控制、虛擬儀器技術等領域。本發明不僅實現了實驗室區域網的通信，並且還可通過電話線和任何一處實現數據傳輸和通信，並開設專用網頁，使用者可上網直接下載文件。一個裝置可通過網絡擴展到多個終端，以解決裝置少實驗人數多的矛盾，大大提高了實驗系統的利用率和功效。本發明應用過程控制技術開發了可自由組合的液位、流量一階、二階、單迴路、串級等多種模式的實驗，除了計算機控制也可用於儀表控制。
圖1為虛擬計算機過程控制及通信實驗系統前面板框圖；圖2為虛擬計算機過程控制及通信實驗系統程序框圖；圖3為虛擬計算機過程控制及通信實驗系統通信網絡軟體框圖；圖4為液位單迴路虛擬計算機過程控制系統原理圖；圖5為液位串級虛擬計算機過程控制系統原理圖；圖6為流量單迴路虛擬計算機過程控制系統原理圖；圖7為流量串級虛擬計算機過程控制系統原理圖。
具體實施例方式
本發明的組成本實驗系統由六部分組成，其組成如下1、液位控制系統實驗裝置包括液位上、下水槽、差壓變送器、無紙記錄儀、伺服放大器、調節閥及支架。
2、流量控制系統實驗裝置包括液位水槽、差壓變送器、流量計、流量顯示器、伺服放大器、無紙記錄儀、調節閥、支架。
3、恆壓水循環系統包括恆壓上位水箱、循環水箱、循環水泵。
4、信號轉換部分包括A/D、D/A轉換器、V/I轉換器、信號採集軟體。
5、虛擬控制軟體，其組成見圖1、圖2，它包括數據採集模塊、包括多輸入通道數據分離、數字濾波處理的數據處理模塊、包括常規PID、積分分離PID等算法的控制算法模塊、利用Datasocket進行數據通信模塊、數據顯示模塊及控制輸出模塊。
6、網絡控制軟體，其組成由圖3所示，其工作流程如下由伺服器端發送數據經Datasocket伺服器由客戶應用進程接收數據。
本發明可完成以下主要實驗1、單迴路液位虛擬計算機過程控制及通信實驗；2、單迴路流量虛擬計算機過程控制及通信實驗；3、串級液位虛擬計算機過程控制及通信實驗；4、串級流量虛擬計算機過程控制及通信實驗；5、計算機系統辨識。
本發明的實施以液位單迴路控制為例，結合附圖作一說明。從附圖4中可以看出我們要控制的對象是液位槽1的液位高度。此高度由實驗者在計算機的控制界面上給定，而液位槽的實際液位高度通過液位變送器2測得，並將測得的信號送入數據採集模塊3，將模擬信號轉換為數位訊號，經計算機軟體讀取以後，送入數據處理模塊4，由計算機軟體對輸入的數據進行數據處理。這些處理包括數字濾波，多輸入通道的信號分離等。經處理後的信號一方面送入控制算法模塊5進行運算，另一方面送入數據通信模塊10準備數據的遠程通信。
a、控制算法模塊將數據處理模塊送入的信號進行控制算法運算，其運算有比例(P)、積分(I)、微分(D)算法運算和其它的算法運算。運算結果輸入控制輸出模塊7，將信號從數位訊號再轉換為模擬信號，以驅動伺服放大器8，從而驅動調節閥9，使調節閥開啟或關閉，使水的流量根據計算機的運算結果調整變化，從而讓液位槽的水位達到實驗者要求的給定高度。同時這時的液位槽的實際水位送入數據顯示模塊6，在計算機液位顯示框內顯示出來。
b、數據處理模塊4的輸出信號，同時輸入到數據通信模塊10，並利用Datasocket將信號送入到伺服器數據端11，通過電話撥號接入公共電話網12，輸送到用戶方的Datasocket Sevver13，在客戶14的計算機上將會出現遠程傳輸的實驗控制系統的信號、數據和圖象。
整個系統全部是以Labview為軟體平臺，用虛擬儀器技術開發的虛擬計算機控制系統。並將實驗數據通過電話線進行遠程通信，可到達電話能接通的任何地方。
圖5是液位串級虛擬計算機過程控制及通信實驗系統的原理圖，其控制的對象是二個液位槽即上液位槽和下液位槽。信號也有二路，其複雜程度比上述實驗更複雜，而工作過程基本一致。圖6、圖7為為流量單迴路控制系統實驗和流量串級控制系統實驗的原理圖。其控制參數為流量。而工作原理與液位控制相同。
根據以上工作原理的說明，可看出本發明有以下幾個特點1、計算機控制採用了以Labview為軟體平臺的虛擬儀器技術。而Labview軟體平臺是一種圖形化軟體。其程序設計和編制是採用圖形化方式，分成前面板和程序，其設計框圖，見前面框圖，該軟體不僅比較新，而且編程簡單，修改容易，學生可以容易地按要求進行編制和修改，並在此過程中學習Labview軟體，以掌握虛擬儀器技術。
2、本發明可利用電話線進行遠程通信，使實驗系統變成了實驗網絡，在任何可接通電話的地方均可使用。這不僅使學生學會了如何建立遠程通信而且擴大的實驗範圍，提高實驗利用率，為目前廣泛推廣的遠程教學提供了實驗手段。
3、本發明的裝置設計，應用了過程控制的技術，選擇了液位流量這二個最為直觀的量來進行控制，給學生一個非常直接的感性認識，並通過親手操作對控制過程有一個清晰的認識。
權利要求
1.一種虛擬計算機過程控制及通信實驗系統，其特徵在於，它包括液位控制系統實驗裝置、流量控制系統實驗裝置、恆壓水循環系統及建立在LABVIEW為軟體平臺上的數據採集模塊、數據處理模塊及數據通信模塊，被控對象的目標值由計算機界面上給定，被控對象的實際值通過變送器檢測，測得信號送入數據採集模塊，經A/D轉換後的數位訊號與被控對象的目標值給定信號同時送入包括數字濾波，多輸入通道的信號分離等處理的數據處理模塊，經處理後的信號送入控制算法模塊進行運算，運算的控制信號驅動伺服放大器，運算的控制信號驅動伺服放大器，推動調節閥，將被控參數調整至目標值，同時信號還送入利用Datasocket進行數據通信模塊，通過伺服器數據端、公用電話網及Datasocke伺服器與客戶端相連接。
2.根據權利要求1所述的虛擬計算機過程控制及通信實驗系統，其特徵在於，所述的液位控制系統實驗裝置包括液位上、下水槽、差壓變送器、無紙記錄儀、伺服放大器、調節閥及支架。
3.根據權利要求1所述的虛擬計算機過程控制及通信實驗系統，其特徵在於，所述的流量控制系統實驗裝置包括液位水槽、差壓變送器、流量計、流量顯示器、伺服放大器、無紙記錄儀、調節閥、支架。
全文摘要
本發明涉及一種虛擬計算機過程控制及通信實驗系統，特點是它包括液位、流量實驗裝置、及建立在LABVIEW為軟體平臺的數據採集、處理及數據通信等模塊，被控對象由變送器測得信號經數據採集、A/D轉換後與給定信號送入數據處理模塊，經處理的信號送入控制算法模塊運算及數據通信模塊，通過公用電話網實現通信。本發明用虛擬儀器技術，以LABVIEW為軟體平臺，實現了多種模式的過程控制，不僅實現了實驗室區域網的通信，還可通過電話線實現數據傳輸和通信。
文檔編號G06F17/00GK1494014SQ0213768
公開日2004年5月5日 申請日期2002年10月29日 優先權日2002年10月29日
發明者居滋培, 許偉明 申請人:上海理工大學