面向复杂控制实验的可视化人机交互技术的研究

论文摘要

实验作为自动化学科的教学与科研的重要手段,对控制理论的验证和应用具有重要的意义。而在实验系统中,实验软件又是研究人员与机器装置进行人机交互的重要前端,对实验的操作和运行起着十分关键的作用。目前,国内外的控制实验软件各具特点,基本可以涵盖实验需求,但仍然存在一些不足：软件架构扩展性不强,不利于扩展新的功能；对复杂控制算法的支持不足,人机交互功能有待加强和完善。因此,针对这些问题,本文将可视化人机交互技术应用到支持复杂控制算法的实验软件中,验证结果表明该技术提高了实验效率,增强了实验对控制理论的应用和分析能力。本文的主要研究内容如下：1.设计了面向复杂控制实验的可视化人机交互功能。复杂控制实验管理功能将实验用工程的方式进行创建和编辑,同时实现实验文件的创建和编辑；复杂控制实验的算法组态编辑功能实现控制框图的创建及与控制算法关联；复杂控制实验的变量管理功能提供了变量树、变量列表及变量的快速链接；复杂控制实验的变量操作功能满足信号显示和参数调节；被控对象的虚拟动画显示功能使控制效果更为直观。2.采用多种技术实现了所设计的功能：利用XML序列化及反序列化技术实现了实验界面的保存；基于Drag and Drop、脚本动态编程、Java反射机制和Matlab交互技术实现了控制框图的创建及与控制算法的关联；利用JFace的查看器及DnD技术实现了变量的有效管理；通过适配器设计模式、调用MATLAB的API及采用DnD技术使信号的显示方式多样化和参数的调节更为有效快捷；基于Flash动画和建立动画的属性描述简化了被控对象的动画信号配置和实时显示。3.对开发完成的软件功能进行测试和验证。在功能测试和性能测试的基础上,以双容水箱装置的2号水箱为被控对象,设计并验证了单容水箱液位控制实验。实验结果表明本软件不仅可以方便地创建实验工程、设计实验界面,还可以对实验界面中的组件进行编辑和保存。同时软件功能满足了复杂控制算法的研究与实现,使用户可以对控制效果和运行状态进行更好地分析。最后对本文工作进行了总结与展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 复杂控制实验的研究现状
• 1.2.1 面向教学的控制实验的研究现状
• 1.2.2 面向科研的控制实验的研究现状
• 1.3 本文主要研究工作
• 第2章 面向复杂控制实验的可视化人机交互的功能设计
• 2.1 引言
• 2.2 复杂控制实验人机交互的功能架构
• 2.3 复杂控制实验管理
• 2.3.1 创建复杂控制实验工程
• 2.3.2 创建复杂控制实验文件
• 2.3.3 编辑复杂控制实验文件
• 2.3.4 编辑复杂控制实验工程
• 2.4 复杂控制实验的算法组态编辑
• 2.4.1 创建控制框图
• 2.4.2 关联控制算法
• 2.5 复杂控制实验的变量管理
• 2.5.1 复杂控制实验的变量树
• 2.5.2 复杂控制实验的变量列表
• 2.5.3 复杂控制实验的变量快速链接
• 2.6 复杂控制实验的变量操作
• 2.6.1 复杂控制实验的变量选取
• 2.6.2 复杂控制实验的变量数值显示
• 2.6.3 复杂控制实验的变量曲线显示及存储
• 2.6.4 复杂控制实验的变量虚拟仪表显示
• 2.6.5 复杂控制实验的变量在线调节
• 2.7 被控对象的虚拟动画显示
• 2.7.1 被控对象虚拟动画的组态创建
• 2.7.2 被控对象虚拟动画的实时显示
• 2.8 本章小结
• 第3章 面向复杂控制实验的可视化人机交互的技术实现
• 3.1 引言
• 3.2 复杂控制实验人机交互的软件架构及运行机制
• 3.2.1 Eclipse与RCP平台体系架构
• 3.2.2 OSGi与Equinox内核
• 3.2.3 扩展机制与界面组件
• 3.2.4 开发环境的配置与开发流程
• 3.3 复杂控制实验管理的实现
• 3.3.1 创建复杂控制实验工程的实现
• 3.3.2 创建复杂控制实验文件的实现
• 3.3.3 编辑复杂控制实验文件的实现
• 3.3.4 编辑复杂控制实验工程的实现
• 3.4 复杂控制实验的算法组态编辑的实现
• 3.4.1 创建控制框图的实现
• 3.4.2 关联控制算法的实现
• 3.5 复杂控制实验的变量管理的实现
• 3.5.1 复杂控制实验的变量树的实现
• 3.5.2 复杂控制实验的变量列表的实现
• 3.5.3 复杂控制实验的变量快速链接的实现
• 3.6 复杂控制实验的变量操作的实现
• 3.6.1 复杂控制实验的变量选取的实现
• 3.6.2 复杂控制实验的变量数值显示的实现
• 3.6.3 复杂控制实验的变量曲线显示及存储的实现
• 3.6.4 复杂控制实验的变量虚拟仪表显示的实现
• 3.6.5 复杂控制实验的变量在线调节的实现
• 3.7 被控对象虚拟动画显示的实现
• 3.7.1 被控对象虚拟动画组态创建的实现
• 3.7.2 被控对象虚拟动画实时显示的实现
• 3.8 本章小结
• 第4章 面向复杂控制实验的可视化人机交互的测试与验证
• 4.1 引言
• 4.2 人机交互的功能和性能测试
• 4.2.1 人机交互的功能测试
• 4.2.2 人机交互的性能测试
• 4.3 在双容水箱装置中的应用验证
• 4.3.1 单容水箱液位控制实验设计
• 4.3.2 单容水箱液位控制实验验证
• 4.3.3 对比结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢