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水浴控制系统的设计与开发：虚拟实验室环境
- Hasim，M.F. Basar，M. S. Aras 电机工程学院 马来西亚技术大学 Ayer Keroh，Melaka，马来西亚 norhaslinda@utem.edu.my
摘要——本文介绍了一种水浴控制装置的研制。讨论了虚拟实验室环境中的系统。这个系统采用LABVIEW 8.6开发。这个项目由三个阶段组成。第一阶段是硬件开发，其中涉及到允许接口电路的构建。计算机与计算机通信。第二阶段是利用LABVIEW软件建立模糊逻辑控制器，应用模糊集和规则库的方法。最后阶段是将GUI模块发布到Web上实现实时远程 控制。基于Internet的水上GUI模块环境浴温控制系统已成功开发。使用LABVIEW软件并发布到Web上可以完全控制使用模糊逻辑控制器开发，并由任何用户监视，不管在哪一个地理位置，只要他们有网络浏览器的计算机和互联网连接，都可以实现。因此，这将保证一个更好和更容易。对某些学科，特别是控制系统的理解。随着这样的设施的诞生，实验室资源可以在线共享，实验室实验可以从现场进行。除了官方工作时间之外，还有控制主题。可以以更有意义和更有效的方式教给学生。
关键词——模糊控制器，GUI模块，LABVIEW软件，虚拟实验室，水浴
- 介绍
在技术教育中，实验室成分包括一个基础部分但它的IT工程教育的一个重要部分是不完全的。在有实验设备的实验室内进行的实验更好地支持了学生获得的理论知识。然而，建立一个具有昂贵的精密设备的实验室是许多大学和工程学院无法负担的。因此，通过开发虚拟实验，共享特定的机构间昂贵的设备变得容易得多，因为它可以在任何地方进行安全和可控制的访问。
目前在发展过程中，已经对虚拟实验室有了一些研究。然而，它们在电子学习的实施中还处于初期阶段。因此，有必要去开发更有效的电子学习实验室设施，以便于它可以得到更广泛的实施。目前一个基于LABVIEW平台的由模糊控制组成的有效的软件已经被开发了出来。
- 项目概述
在本节中，将对项目进行一般性讨论，包括背景，目标，方法论，模糊逻辑，虚拟实验室与LABVIEW软件。
- 项目背景：
虚拟实验室是提供学生实用方法的最好的途径，因为学生要在讲师的监督下进行实验，这样一来分配学生使用实验室的时间就是一个问题。然而，如果学生能够从其他地方通过远程监控和控制设备来进行实验，那么这个问题就变得更加容易了，实验室实验甚至在午夜或周末通过互联网进行。根据学生表现的反应，他们不仅欣赏远程访问选项的灵活性，而且还认为远程选项有助于激励他们对材料进行深入学习。
另一个问题是，由于学生人数逐年增加，实验室设备的不足。为了满足这些需要，安装几套设备可能花费太大。许多大学生都提供远程学习课程，而且学生需要到实验室去进行实验的话，这可能是不实际的。因此，将实验室仪器发布到网络上就容易得多，因为而不管地理位置如何，它都可以远程访问。基于网络的实验室已经开始发展，为了服务于新加坡国立大学电子工程系的本科学生（新加坡国立大学），实现了使用视频会议提供快速的点对点的视觉反馈给客户，在实验室实验的时候，也允许用户控制变焦和观看视频的角度。
除了节约资源的优势外，实验室工作对电气工程师的吸引力也更大，它允许学生学习网络技术，而且它们更适合评估连接自动控制系统的要求和性能。此外，为控制工程教育的远程实验室的实验也已在克拉古耶瓦茨大学实施网络实验室实现，在实验室进行控制实验的课程，可以远程控制（基于C #和箱耦合实现基于LABVIEW的龙门吊实施）。 本文介绍了通信工程课程中基于调制技术的远程实验室开发的硬件实验。
项目描述了基于Web的虚拟电子实验室，一个在频率调制实验和耦合罐装置等，多输入多输出（MIMO）系统，利用LABVIEW和java Applet编程新加坡国立大学研制。 一个用java小程序的微电子测试电路在线实验室也已经被开发。
工作介绍了一种基于网络的实验室一级倒立摆系统使用MATLAB和java编程的远程控制。基于控制工程课程实验远程实验室已开发的德克萨斯大学，阿灵顿使用微软NetMeeting和MATLAB的SIMULINK仿真环境。
- 项目目标：
本项目的主要目标是在位于Teknikal马来西亚马六甲大学的实验室建立一个水浴，接口系统和服务器。水浴由水箱本身、温度传感器、加热器和搅拌器组成，同时还将安装一个接口系统，以便通过使用开发的GUI模块，通过服务器计算机控制水浴。
其次，利用LABVIEW开发了基于Internet的水浴温度控制系统虚拟实验室环境的GUI模块。GUI模块将被发布到Internet上，以便远程监控或控制水浴温度控制系统。
- 项目方案：
本课题的方法论可分为硬件和软件开发两部分。图1的流程图上描述了该项目的硬件和软件开发。硬件部分由水浴、接口电路、NI USB 6008和温度计组成。信号从加热器，凝视和RTD传感器将连通。这样的接口电路，在水浴的温度可以实现控制的实时性。
在第1级硬件完成后，下一步是设计由模糊集和规则库组成的模糊逻辑控制器。对模糊控制器的输入是错误和错误率，将在第2阶段详细说明。最后，在第3阶段，需要构建虚拟环境。这就是GUI将在Web上发布的地方。
为了便于理解，项目开发可以分为三个阶段。第一阶段是硬件开发，涉及到接口电路的构建，以便在工厂和计算机之间进行通信。第二阶段是利用LabVIEW软件建立模糊逻辑控制器，应用模糊集和规则库。最后阶段，第三阶段是将GUI模块发布到Web上进行实时远程控制。
在网上发布GUI
规则库
模糊集
加热器
搅拌器
RTD传感器
虚拟环境
模糊逻辑控制器
温度计
NI USB 6008
软件开发
水浴
接口系统
方案
硬件开发
图1：实验方案流程图
- 第一阶段：
在第1阶段，它侧重于硬件开发。水浴是一种通常含有一些绝热成分的容器，放一些液态食品的材料，其目的是控制混合液的温度。水浴的主要部件是水箱、盘管加热器（由2极接触器控制）、传感器（RTD）和搅拌器。
接口系统在与物理设备的通信中起着非常重要的作用，即水浴。通常，接口系统将读取RTD传感器的传感器电平，并将读取结果发送到服务器计算机上的水浴温度控制系统。温度读数将显示在GUI面板上，并将用于进一步的处理。必要时，服务器计算机发出一个信号，触发2极接触器接通加热器以加热水箱里的水，直到温度达到所需的设定值为止。服务器计算机和设备本身之间的这种双向通信由接口系统执行。基本上，有三个主要组件需要使用接口系统来控制，即热水器、搅拌器和RTD传感器。
图2：接口电路
电源模块起到为整个系统提供所需电源的作用。该系统的输入功率是交流电压240伏，50赫兹。这种输入电源有意控制加热器和搅拌器。利用服务器端的接口设备控制电源的开关。接口电路如图2所示。
当2极接触器被触发时，加热器将被接通以加热罐内的液体。但是，当没有来自服务器计算机的信号时，2极接触器的输出处于开路模式，加热器断开。 图3示出了接口电路的示意图。
图3：接口电路示意图
在这个水浴系统中使用的温度传感器是RTD。随着温度的升高，RTD中的电阻逐渐增大。该传感器的使用是适合作为本水浴系统的温度范围是0ordm;C 到100ordm;C 之间。参考图4，RTD连接到分压电路，输出连接到NI USB 6008设备上的模拟输入。
图4：美国国家仪器驱动程序
图5说明了国家仪器驱动程序用于这个项目，它提供了当采用全速USB接口时，连接八个模拟输入（AI）通道，两个模拟输出（AO）通道，12个数字输入/输出（DIO）通道和一个32位计数器。这些接线端子提供16个连接，使用16 AWG到28 AWG电线。图6显示了系统的整体接口电路。
图5：整个接口电路包括NI USB 6008
目前，水浴在工业上，尤其是食品加工中得到了广泛的应用。它用于生产新的液体产品，如牛奶饮料，巧克力饮料等。此外，水浴也是医学实验室中常用的设备，其中某些液体的温度控制很重要。利用模糊逻辑控制水浴温度。开发了一个交互式图形用户界面，以方便用户控制系统。此外，还开发了一个很好的输入输出设备，用于服务器计算机和工厂本身之间的接口。
图6和图7分别示出了水浴的外部部分和内部部分。除了有搅拌器、加热器和RTD传感器外，它还包括进出阀，以满足流入和流出浴缸的水。
图6：水浴外部分
水浴本身是由保温铝制成的。因为这个项目是为了处理里面的热水，所以为了安全起见，需要对内部和外部进行隔离。该浴缸是专为7公升的水灌装。
图7：水浴内部
- 第二阶段：
第二阶段是利用LABVIEW软件建立模糊逻辑控制器，应用模糊集和规则库。RTD传感器，加热器和凝视的系统来确定的定量的输入和输出的模糊控制器。正在测量的每个数量都提供关于当前进程状态的信息。图8显示了水浴温度控制系统的框图。描述了模糊控制器在温度控制中的作用。
图8：水浴温度控制系统框图
每一个模糊逻辑系统必须有一个规则库。规则基用于根据当前条件推断需要采取的操作。图9显示了控制系统的规则库。从规则编辑器面板、解模糊方法和推理方法可以选择。在这种情况下，选择了重力法和马克斯民的推理方法中心。
图9：水浴全规则
稳态规则的中心规则可以写成如下：
如果误差在温度约为ZE1，误差的导数是ZE2，那么在控制输入的变化约为ZEO（如果e = ZE1，∆e = 2那么∆U = ZEO），规则可以写成三元组形式，例如：（ZE1，ZE2；ZE0）
如图11所示，可以建立规则库的矩阵。第二和第三列矩阵中第四列来路的结论。
用来给一个清晰的输出值的模糊化技术。它需要产生的实际信号，植物可以使用。因此，模糊输出值需要解模糊。
模糊控制器的输出通常是控制信号的变化。等式（1）向工厂显示实际的控制信号。
u(k 1) = u(k) ∆u(k) （1）
利用质心法得到等式（2）
（2）
该项目的水浴控制系统的前面板如图10所示。所需的温度可以通过关键的期望值选择。此外，可以通过显示的指示器监视当前温度。设定点和过程变量之间的响应可以在波形图中进行监控。而整个过程的框图如图13所示。
图10：水浴温度控制系统的前面板
图11：水浴温度控制系统框图
- 第三阶段：
最后阶段是将GUI模块发布到Web上进行实时远程控制。在GUI在Web上发布之前，需要采取一些步骤。需要使用LabVIEW Web服务器创建HTML文档，在Web上发布前面板图像，并将VIS嵌入到Web页面中。必须使用Web发布工具启用第一个Web服务器。此外，VIs必须在被公布之前被记住。
在Web发布工具中，它将完成一些创建HTML文档的任务，并在HTML文档中嵌入前面板的图像（但目前只有Netscape浏览器支持动画图像）。 从图12，Web发布工具还可以嵌入一个VI，客户机可以远程查看和控制，在嵌入式vi前面板图像的上方和下方添加文本，在图像周围放置边界或嵌入vi，并预览文档。
图12：VI和视图选择
最后但并非最不重要的一点是，它可以将文档保存到磁盘，并最终使Web服务器在Web上发布HTML文档和前面板图像。这可以在图13中看到。
图13：网页目的目录
通过与LabVIEW内置的Web服务器连接，可以在LabVIEW中或从Web浏览器内远程访问和控制水浴温度控制系统的前端面板。当学生通过电脑远程打开前面板时，Web服务器将前面板发送到他们的面板上，但所有的子VI的框图和保持在服务器计算机上。前面板可以相互作用，就像水浴温度控制系统在他们的计算机上运行一样在服务器上执行，除了方框图。图14显示了从浏览器访问页面所需的URL地址。
图14：水浴系统的URL地址
在学生使用LABVIEW或Web浏览器远程查看和控制前面板之前，必须先配置服务器计算机。通过配置Web服务器，可以对服务器的浏览器访问进行控制，可以指定哪些前面板可以远程显示。此外，还可以设定一个远程计算机控制水浴温度控制系统的时间限制，当多个学生在等待控制水浴温度控制系统时。
允许多个学生同时连接到同一个前面板，但只有一个学生可以控制前面板的时间。 服务器
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