基于Internet远程设备控制仿真平台研究与实现

【前言】基于Internet远程设备控制仿真平台研究与实现由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。0前言 基于Internet的远程控制，顾名思义是指以Internet网络为传输媒介，通过计算机发送控制指令对远端设备进行监督与控制。通常把能够实现远程监控的通信媒体、计算机软件硬件整体称为远程控制系统[1]。随着经济的全球化，生产过程已经不再局限于某一地、某一区域或...

摘要：针对网络化制造中设备远程控制的需要，本文研究一种基于internet远程设备控制仿真平台，其中控制器到被控对象的控制信号以及传感器到控制器的反馈信号都通过Internet传输。仿真平台以VC++作为编程工具来实现客户端、服务器端功能，控制量计算将由MATLAB来完成，数据通信采用WINSOCK网络编程技术、VC++与MATLAB接口技术来实现的，仿真结果的输出由客户端中MATLAB程序完成。测试结果表明其可行性和正确性，针对实际对象进行适当完善，可推广应用于实际生产过程监控。

关键词：远程控制；网络化制造；Internet；仿真

Abstract: Based on the needs of remote control system of equipments for networked manufacturing, a kind of simulation platform of remote control for devices based on Internet is studied in this paper, in which the control signal form controller to object controlled and the feedback signal form sensor to controller are both transferred via Internet. In the simulation platform, the software by which the function of client-side is accomplished and that of server-side are designed by the tool of VC++, and the control value is calculated by the tool of MATALB, and the function of data communication is realized by network programming technology of Winsock and interface technology between VC++ and MATLAB, the simulation output is achieved by the MATLAB program in client-side. The results when the simulation platform is running validates its feasibility and correctness, and it can be widely applied in actual production process monitoring after the practical object is added.

Key Words: remote control; networked manufacturing; Internet; simulation.

中图分类号：U283.1

0前言

基于Internet的远程控制，顾名思义是指以Internet网络为传输媒介，通过计算机发送控制指令对远端设备进行监督与控制。通常把能够实现远程监控的通信媒体、计算机软件硬件整体称为远程控制系统[1]。随着经济的全球化，生产过程已经不再局限于某一地、某一区域或某一国范围内，某个企业中的一些设备可能需要在异地通过网络进行控制、实现设备的联合作业。在基于Internet的远程控制系统中，控制者无需现场指挥生产，从而大大地节省人力物力。从目前国内外对Internet远程控制的研究情况来看，虽然已受到世界各国研究人员越来越多的重视，但利用Internet来进行远程控制的应用很多仍处于试验阶段。参考文献[2]和[3]对网络环境下的远程控制和制造进行了研究。在参考文献[4-7]中，分别对熔化设备、实验室装置和交流电机等的远程控制进行软、硬件设计，并给出了相应的示例和结果。本文主要搭建一个基于Internet远程控制的系统仿真软件平台，以当前工业应用极为普遍的无刷直流电机为控制对象，在Matlab/Simulink环境下建立其控制系统仿真模型，进行在线控制的仿真研究。

1基于Internet远程控制系统方案

基于Internet的远程控制系统的基本结构图[8]如图1.1所示。它由远程端控制器、现场受控设备和反馈传感器等部分构成。控制信号在远程控制端主机上输入，经过远程端控制器按特定的算法处理后生成控制代码并通过Internet传送到现场受控端主机。现场受控端主机解析控制代码形成控制信号对被控对象进行控制，与此同时反馈传感器不断采样输出信息作为反馈信号，通过Internet传送给远程端主机，形成闭环控制。

图1.1 Internet远程控制系统结构图

根据以上Internet远程控制系统结构图及其工作流程，将以上系统抽象为C/S模式的控制系统，远程控制端为客户端，现场受控端为服务器端。将受控对象选定为无刷直流电机。设计的Internet远程控制系统仿真平台框架图如图1.2：

图1.2 Internet远程控制系统仿真平台框架图

图1.2中，平台客户端和服务器端都有由VC++6.0编制的网络通信程序，可以实现数据的发送及接收、协议的解析等。客户端控制器的控制量计算将由MATLAB来完成；服务器端被控对象即无刷直流电机的控制模型的建立及相关数值的计算也将通过MATLAB来实现，并根据实时代码生成工具箱RTW生成C语言代码，利用VC编程灵活的特点实现相应的控制策略。最后的仿真结果反馈到客户端由MATLAB进行输出。

2系统仿真平台的实现

2.1仿真平台功能实现

基于Internet远程电机控制系统仿真平台的功能界面位于客户端，如图2.1所示。界面上主要包括使用本仿真平台的辅助信息、仿真参数信息、系统连接信息及结果显示信息。其中，辅助信息主要是对本仿真平台功能的介绍、实验信息的记录及使用帮助等。而仿真参数信息及系统连接的部分信息必须在用户启动客户端程序后就进行设置。设置完成后，单击“初始化”按钮，系统界面上的“本地主机IP”和“本地主机名”后面的文本框内会显示对应信息，同时“结果显示”部分的MATLAB引擎被打开，“初始化”按钮随即灰化不可用。随后再单击“开始”按钮，用户设置的仿真参数信息被读入并绑定用户设置的服务器IP地址和端口号，MATLAB工作空间同时被初始化，与服务器的链接完成，准备进行仿真。

图2.1 系统仿真平台功能界面

仿真平台客户端工作流程如图2.2所示。仿真平台系统启动后，首先进行的是初始化工作，完成后才能进入仿真状态并设置仿真信息。系统仿真过程是通过一个定时器来控制的，定时器的触发时间与系统的采样周期一致，即每隔一个采样周期定时器就启动一次调用中断程序对数据进行处理。

图2.2 客户端工作流程图

由于仿真平台的一些主要参数设置及实现功能都放在了客户端，所以服务器端的功能就要简单的多，其主要工作都是在MATLAB中完成的，包括数据的接收、发送及控制模型的建立等。其仿真工作流程如图2.3所示。仿真平台服务器端也是先完成初始化后才再进行其它工作的，与客户端仿真进程不同的是服务器端只有在收到来自远端的控制信号后，仿真过程才能继续，否则它将一直处于等待数据状态。

图2.3 服务器端工作流程图

2.2数据通信实现

由于数据在VC和MATLAB两种环境中是无法有效交换，为此本文在VC中调用MATLAB引擎技术来解决这一问题。要在VC中建立和调试MATLAB引擎程序，必须包含引擎头文件engine.h并引入Matlab对应的库文件libmx.lib、libmat.lib、libeng.lib，在打开一个VC工程后，需做如下的设置：

①点击菜单Tools/Options，打开Options设置属性页，选择Directories属性页，在目录下拉列表框中分别选择Include files和Library files项，添加路径：

matlab安装目录\extern\include；

matlab安装目录\extern\lib\win32\microsoft\msvc70

②通过菜单Project\settints，打开工程设置属性页，进入Link页面，在Object/library modules编辑框中，添加文件名libmx.lib、libmat.lib及libeng.lib.

要注意的是步骤①只需设置一次，而步骤②对每个工程都要单独设定。完成上述VC工程的设置后，就可在VC++环境中调用MATLAB引擎了。本文仿真平台中VC++和MATLAB之间编写了数据交换接口关键程序代码。

3离线与在线仿真试验分析

根据控制系统仿真模型，进行离线控制仿真实验，参数设置如下[9]：定子相绕组自感L=0.0086H，相绕组互感M=0.0067H，定子相绕组电阻R=0.5Ω，转动惯量J=0.0002kgm2，极对数p=2，给定转速n=1500 r/min，反电动势系数Ke=0.0536 vs/rad，36V直流电源供电，PI参数设为Kp=0.55，=1.7，为考察系统抗扰能力在t=0.2s时，负载转矩跳变至TL=5，得到控制系统转矩和转速响应曲线如下图3.1所示。

图3.1 转矩、转速响应曲线

由上面离线仿真曲线分析可知，系统从启动到平稳状态所用时间约为0.1s。当在t=0.2s加上负载时转速发生突降，负载转矩跟随发生波动，但很快又都回到平稳状态，响应时间约为0.07s。结果表明，在一定误差允许范围内，本章建立的控制系统仿真模型是有效的，能达到较好的控制效果。

为使仿真结果具有可比性，电机模型仿真参数参考离线仿真的参数来设置，系统仿真采样时间、仿真时刻及负载转矩在仿真平台客户端的功能界面上来控制，同样设置在t=0.2s时，令负载转矩跳变至，观察系统输出转速、转矩结果，如图3.2所示。

图3.2 在线控制转矩和转速响应曲线

由图3.2的仿真结果对比图3.4离线仿真结果可以看出，系统启动后电机转矩和转速发生波动，经测试系统达到平稳状态所用时间为0.18s，比离线控制时系统达平稳状态的时间

延长了约0.08s；当t=0.2s由远程控制端改变负载转矩=5N.m时，电机转矩和转速再次

发生振荡，经0.1s后恢复稳定，比离线控制时系统再次达到平稳状态的时间滞后了约0.03s，并且在线控制在启动和参数改变时系统振荡比离线控制的要大。网络的性能及控制的设计结构可能是导致上述结果的主要原因，但如果我们单从图3.4和图3.5的曲线拟合方面来看，两者的拟合度还是很高的，所以在控制精度允许的范围内，可以说来自远端的控制是有效的，它能改变现场受控端设备的运行。

4总结

本文完成一个基于Internet的远程控制系统仿真软件平台的设计，以VC++6.0作为编程工具实现了系统仿真平台的功能，数据通信基于WINSOCK网络编程技术实现。最后的仿真试验控制对象选择无刷直流电机模型，控制中融入真实的Internet网络，测试结果表明其可行性和正确性。若将对象由MATLAB中的仿真模型改为实际对象，可用于生产过程控制。

参考文献：

[1] 陈克斌．基于因特网的远程控制系统的研究与设计[D]. 西安:西北工业大学, 2006．

[2] Ki Won Song,Gi Sang Choi. Fieldbus based distributed servo control using LonWorks/IP gateway/web servers [J]. Mechatronics, 2010, 20(3): 415-423.

[3] 高长元, 祁凯. 网络环境下制造资源建模研究[J]. 统计与决策, 2011, (3): 48-51.

[4] D.P. Schissel, G. Abla, et al. Remote control of a fusion facility [J]. Fusion Engineering and Design, 2009, 84(7-11): 1729-1733.

[5] Sevan Katrancioglu, Erdal Yilmaz. Distance Control Tool Design for Laboratory Experiment Sets [J]. Procedia - Social and Behavioral Sciences, 2011, 28: 489-493.

[6] Jesus García-Guzmán, Farah H. Villa-L–pez, et al. Virtual environment for remote access and automation of an AC motor in a web-based laboratory [J]. Procedia Technology, 2012, 3:224-234.

[7] 俞斌．交流电机变频调速节能方法及其远程控制[J]．电机与控制应用，2012，39(3)：36-39.

[8] 陈虹, 史旺旺, 唐鸿儒, 蒋步军. 基于TCP/IP网络的远程控制仿真系统的研究[J]. 计算机测量与控制, 2005, 13(2): 129-130.

[9] 殷云华, 郑宾, 郑浩鑫. 一种基于Matlab的无刷直流电机控制系统建模仿真方法[J]. 系统仿真学报, 2008, 20(2): 294-298.