虚拟控制实验仿真平台的设计与教学应用

韩 芳，毕云松，孔维健，王直杰

(东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620)

虚拟控制实验仿真平台的设计与教学应用

韩 芳，毕云松，孔维健，王直杰

(东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620)

针对实物控制实验效率低、成本高的缺点，设计一种面向纺织信息类教学的虚拟控制实验仿真平台。该平台由虚拟对象、控制系统实物以及交互模块构成，虚拟对象采用Unity 3d和3ds Max联合开发，其动画由Matlab数据模型进行驱动，使虚拟实验能够逼真、真实地反映生产现场的工艺过程。以碳纤维生产线中的水浴牵伸过程为例，介绍虚拟控制实验仿真平台在教学中的应用。

虚拟控制实验；仿真平台；实验教学；碳纤维生产线

一、 虚拟实验室的意义

在高校教学中，实验教学是极其重要的环节。实验过程可以让学生观察实验现象，启发思考，分析实验数据，得出实验结论。学生在实际操作过程中能形象、生动、直观地理解和掌握专业技能，更好地培养创新能力。然而，由于学生人数较多和基础实验设备数量有限，无法满足实验教学的要求，导致传统的实验教学成为教学环节的薄弱点[1]。采用虚拟现实技术开发高仿真度的虚拟实验环境，其中的虚拟实验设备可以代替昂贵的真实器材，具有反复学习使用、不受时间地域限制、实际交互性强等优点。这种教学方式也解决了生产设备成本较高、场地限制、操作人员安全性监管等诸多问题[2]。

虚拟实验室的概念最早由美国的William Wulf教授于1989年提出，它是一个计算机图形化的虚拟实验环境。虚拟实验经历了两个发展阶段：(1)计算机仿真阶段，注重计算机数据处理方面的优势；(2)虚拟现实阶段，注重采用多种交互形式营造虚拟实验室环境。目前，在发达国家虚拟实验室的普及率已经相当高，例如美国麻省理工学院的Web Lab远程实验室、俄勒冈大学的物理虚拟实验室、德国波鸿大学的控制工程学习系统等。在我国，虚拟实验室正处于起步阶段，各高校也初步建立了能够符合自身要求的虚拟实验室，如浙江大学的基于Web的远程实验室、清华大学的电力系统及大型发电设备安全控制和仿真实验室、中国农业大学的虚拟土壤实验室[3]。

将虚拟实验室技术应用于工艺过程的实验教学必然会增加学生的直观认识，增强可视化和交互性能，使得系统更加贴近人们在现实世界中的思维行为模式，提高学习效率[4]。基于工艺过程的虚拟实验室就是通过虚拟现实技术创建出一个可视化的三维环境，其中可视化三维物体代表一种或几种实验设备模块。位于实验室计算机前的学生，通过点击鼠标和输入参数等交互操作进行虚拟仪器操作，调整生产线的开关变量和模拟变量，从而观察实验现象，分析实验结果。

二、 虚拟控制实验仿真平台的设计思路

虚拟控制实验仿真平台包括虚拟实验对象、控制系统实物以及两者的交互模块三部分，如图1所示。其中虚拟实验对象用于模拟现实的工艺过程，控制系统实物即真实的控制器或控制系统，交互模块用于实现用户与虚拟对象之间的交互。

图1 虚拟控制实验仿真平台的组成

1. 虚拟实验对象设计

虚拟实验对象由三维模型、三维场景、数据模型、数据库构成。具体操作流程如下：先将三维模型导入三维场景，然后将数据模型产生的数据存入数据库中，再将数据库中的数据传递到三维场景中，最后传递给三维场景中的三维模型。

建立三维模型时需要对实物进行实际考察，测量实物的几何数据，取得一定数据后，借助三维动画渲染和制作软件3ds Max建立三维模型。采用3ds Max建模时应注意：(1)各实验设备的长、宽、高数据;(2)模型的中心基点应与3ds Max中场景的中心点一致;(3)为减小数据量,模型应抓住实验设备的主体轮廓，尽量减少面数[5]。

采用3ds Max和Unity 3d进行协同三维建模，布置一个三维虚拟实验平台场景。根据真实实验场景中设备的位置、大小、遮挡关系，摆放虚拟部件模型。Unity 3d作为模型的运动性开发引擎，可制作符合相应运动机制的脚本，附着于三维模型上[6]。

数据模型是基于数据建立的模型，用于描述工艺过程中输入变量与输出变量之间的特性关系，其中的数据可以通过现场采集获得。本设计采用Matlab软件对数据进行拟合，可以采用指数逼近、傅里叶逼近、高斯逼近、多项式逼近等多种形式的数据拟合原型[7]。

2. 控制系统实物

控制系统实物是一种将支撑电路、算术逻辑模块封装成可重用功能模块的硬件实体。这个实体提供了标准的输入、输出接口，能够被第三方软件部署和组装。DCS(分布式控制系统)和PLC(可编程逻辑控制器)是生产中常见的两种控制系统实物，其中DCS侧重于过程控制，PLC则侧重于逻辑控制。采用两种设备相结合的方式，充分发挥两者的优势，最大限度地防止性能不足的情况出现，确保两者能够协调地对设备进行控制[8]。

3. 交互模块

在三维建模和数据建模之后，需要一个开发平台创建诸如三维视频、工业仿真可视化、实时三维动画、增强现实的多平台综合开发工具。该平台可将教学中难以讲解的现实设备和控制技术用虚拟现实的形式呈现出来，并加入输入参数界面、输出参数界面和曲线显示的交互技术，以提高学生的学习兴趣和培养学生的创新能力。

借助Visual Studio软件制作人机交互模块，运用模块化、开放性的开发思路。其中的子模块自成体系，使用统一规范的接口，为日后的系统升级提供了便利条件。开发中具体涉及到Windows Form、Unity Web player control控件、Labview Gragh3d、Access数据源控件的使用[9]。

三、 虚拟控制实验仿真平台应用案例

1. 案例介绍

下面通过一个教学案例来说明虚拟控制实验仿真平台的应用，其中虚拟对象模拟的是碳纤维生产线中的水浴牵伸过程。碳纤维水浴牵伸过程是指碳纤维原丝在凝固浴槽和牵伸水浴槽进行双扩散、水洗、牵伸等工艺处理的过程，其中的牵伸率为主要性能指标[10]。

教学案例的目标是使学生采用PID算法控制碳纤维水浴牵伸过程的牵伸率指标，形成闭环控制反馈回路，以防止差值较大和目标值附近振荡频发的过程。相对调整碳纤维水浴牵伸过程中各开关量开度的变化和输入参数值，寻找到能保持最佳溶液浓度、辊轮速度的开关量开度值，以确保最佳的原丝牵伸率[11]。

控制系统实物采用DCS集散式控制系统，将进液量、出液量、导丝辊速度、牵伸辊速度设置为I/O口模拟量类型。数据库中的模拟量向上接收人机交互模块加载的参数和操作命令，向下直接面对碳纤维生产线水浴牵伸过程对象，利用模拟量驱动执行器，完成碳纤维生产线水浴牵伸过程的闭环调节控制、顺序控制、数据采集等功能。

(1) 虚拟实验对象的实现。采用3ds Max，运用多边形建模方法制作前台虚拟碳纤维水浴牵伸过程对象模型。完成三维模型建立后，在保证模型精度和便于模型导入的前提下，将建立好的模型转换为.FBX格式，然后导入到Unity 3d开发平台中。

为真实反映生产现场的工艺过程，采用JavaScript脚本语言编写控制脚本，嵌入对应的三维模型中，完成对整个虚拟场景的实时交互，如图2所示。在Matlab环境下开发数据模型，以便碳纤维水浴牵伸系统进行符合实际运行过程的虚拟仿真。采用支持向量机的方法拟合数据曲线，得到相应的数据模型后制成dll(动态链接数据库)供仿真平台调用。

图2 碳纤维水浴牵伸过程三维虚拟现实平台

(2) 交互模块。采用数据库对登录数据进行预存，通过登录账号，作为进出虚拟实验室的通行证，当实验完成后，相应的实验结果会保存在对应的存储设备中。

调用Windows Form中的Unity Web player control控件，将制作完成的碳纤维生产线水浴牵伸过程虚拟对象拖入实验模块中。安装Labview应用软件，调用Graph3d控件读取数据库中的牵伸率、凝固浴浓度、时间，进行二维曲线显示，如图3所示。

图3 交互模块运行界面

2. 虚拟控制实验过程

实验平台的操作流程如下:

(1) 打开软件，进行场景设备设定，选取碳纤维生产线水浴牵伸过程设备。漫游虚拟实验平台场景，尽量熟悉设备之间的关系，见图4。

图4 虚拟实验室完整显示界面

(2) 输入溶液出量参数、进水量参数、P比例参数、I积分参数、D微分参数。

(3) 通过控制打开原液控制开关，观察原液从喷丝头喷出形成丝状碳纤维原丝。

(4) 观察到凝固浴中浓度上升，打开进液口开关，保持凝固浴浓度相对恒定在68%附近。

(5) 打开出液口开关，保持凝固浴液面相对恒定。

(6) 待原丝成型进入导丝辊，设定导丝辊、牵伸辊速度为260～300 m/min。

(7) 启动水浴牵伸槽加热开关，保持水浴牵伸槽中溶液温度恒定在98～100 ℃。

(8) 观察出产碳纤维原丝牵伸率，按所学理论操作原则，分别修改各控制量值，保证在不出现明显超调的前提下，寻找最优牵伸率的各项控制指标量。

四、 平台应用教学效果

采用虚拟控制实验仿真平台进行教学具有以下优点。

1. 全新的感官体验式教学

教师不再局限于传统的实验教学方法，应用虚拟实验平台，通过三维动画演示的方式直观、形象地介绍碳纤维水浴牵伸过程的空间实体，从而使学生合理地选择学习内容和表现形式，获得全新的感官体验[12]。

2. 与真实的工艺过程相融合

比如，灵活地控制进液口和出液口开关开度以及导丝辊和牵伸辊速度旋钮，提高教学平台的交互性、体验性和实用性。未来学生可以通过不同的实验思路，加载不同的实验设备组件，多角度地观察、控制实验环境，完成不同种类的实验。

3. 提高实验效果，降低实验成本

虚拟实验平台能够克服课堂教学时间、地点的限制，充分发挥操作人员的自主学习能力。采用三维动画的形式展现参数调节、交互控制、监控评价等功能，调动操作人员的积极性，提高操作人员的动手能力、空间想象力和创新思维能力。这种虚拟实验平台的制作方式在降低实验室采购设备成本的同时，也能够自主更新与升级虚拟设备，保证了实验教学内容与最前沿技术的契合。

五、 结语

虚拟控制实验仿真平台把真实的工艺过程与三维虚拟实验结合在一起,利用虚拟实验对象、控制设备实物、交互模块的协同作用实现了虚拟平台教学，通过控制操作变量的方法模拟整个实验过程。该虚拟实验室仿真软件可以用作教学与控制技术科研实验，有助于提升实验教学人员的教学效率和科研人员的仿真真实性，不仅有效地控制了实验与培训成本，还降低了在真实的凝固浴牵伸系统中开展实验的风险，而且该系统可以根据实际需要自定义设备参数及特性，具有扩展功能。

[1] 白雁,张娟,潘瑾，等.“虚拟实验室”在高校仪器分析教学中的应用[J].实验技术与管理,2011(12):169-171.

[2] 刘泽良.发挥虚拟实验室建设对实验教学的促进作用[J].实验技术与管理,2011(7):193-194.

[3] 张静,肖明.开放式虚实结合的实验教学模式的研究与探索[J].中国电力教育,2014(36):176-177.

[4] 李芳,寇应展,申吉红，等.军校网络技术与开放实验室一体化教学模式的创新研究[J].中国电力教育,2014(29):77-78.

[5] 张岩,高海侠.浅谈3DSMax多种建模方法的应用[J].科技创新导报,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,董新荣,曾盔.Matlab在化工数据及模型参数拟合中的应用[J].计算机与应用化学,2007(9):1197-1200.

[8] 周学慧,袁奕,罗永涛.DCS与PLC控制系统的特点分析[J].平顶山工学院学报,2005(1):38-40.

[9] 朱明勋,吴悦明,陈慧彬,等.城市轨道交通信号道岔转辙设备的虚拟仿真培训系统[J].现代城市轨道交通,2016(1):9-11.

[10]王琴,吕春祥,梁晓怿,等.聚丙烯腈纤维在水浴牵伸过程中应力-应变曲线的研究[J].新型炭材料,2004(1):38-44.

[11]王成国，朱波.聚丙烯腈基碳纤维[M].北京：科学出版社，2011：188-219.

[12]陈小红.虚拟实验室的研究现状及其发展趋势[J].中国现代教育装备,2010(17):107-109.

(责任编辑：吴文英)

2014年度上海市本科精品课程项目；中央高校基本科研业务费专项资金项目(15D210406,15D110425)

韩 芳(1981—)，女，山西怀仁人，副教授，博士，研究方向为智能系统与神经动力学。E-mail:yadiahan@163.com

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2095-3860(2017)04-0304-04