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1、 丈嘟祜?硕士学位论文盐业包装生产线中虚拟控制系统的设计与实现论文作者:李政指导教师:魏开平学科专业:计算机应用技术研究方向:多媒体技术华中师范大学计算机科学系年月砌 . :硕士学位论文 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。作者签名:甚羝:年疑学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的
2、规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后遵守此规定保密论文注释:本学位论文属于保密,在?年解密后适用本授权书。非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权书。导师签作者签名:鲥日期:日期:如年月尹本人已经认真阅读“高校学位论文全文数据库发布章程”,同意将本人的学位论文提交“高校学位论文全文数据库”中全文发布,并可按“章程中的规定享受相关权益。圃重途塞理童蜃溢
3、卮;旦圭生;旦二生;旦三生筮查作者签名:户言篓骠秭 日期:汐忤多月日期:汐年易月日硕士学位论文丁 摘 要随着计算机技术迅速发展,虚拟现实所涉及的领域越来越宽,并在教育领域得到了广泛的应用,受到了用户的青睐,虚拟培训的需求也越发旺盛。由于相关条件的约束,没法让学生去工业生产线现场来学习和掌握生产线中各模块结构、功能及其控制方法,于是催生了对工业生产线的虚拟化。国内对工业生产线的虚拟化起步较晚,目前的系统往往只关注于生产线上的设备如何逼真的展现出来,而很少关注生产线上的设备的行为和操作逻辑,这样的虚拟系统无法让学生了解工业生产线的工作过程,更没法培训学生在现实工作中如何操作设备。针对目前虚拟工业生
4、产线系统存在的缺陷,以虚拟盐业包装生产线为例,本文通过虚拟技术来模拟可编程逻辑控制器,实现了操控虚拟生产线中设备的行为和行为逻辑的通用虚拟平台。本文首先利用面向对象的思想,按功能对虚拟生产线控制系统进行分解,把该系统分成了五大模块:场景显示模块、控制模块、编程模块、任务列表加载模块和任务场景编辑模块。以盐业包装生产线的结构组成及其控制方法为虚拟对象,并结合虚拟的相关标准,提取出了该系统中虚拟的梯形图元集合指令集。同时,讨论了生产线模型的建模策略和模型控制的层次结构。其次,在研究了系统的模块组成后,利用框架按功能对各个模块进行封装,搭建起了系统的程序框架。在实现虚拟编辑功能的过程中,设计了梯形图
5、和指令表所对应的数据结构,探讨了梯形图数据向指令表数据的转换思路及具体步骤,同时研究出逻辑的具体解析过程。在为实现场景显示模块功能做准备工作的过程中,探讨了建模的具体方法,并提出了定义模型行为属性的关键步骤,同时通过对虚拟场景与模型之间的层次关系的研究,设计出了虚拟逻辑驱动场景中三维模型的方法。最后,实现了个通用的虚拟场景平台,能够向场景中添加不同的模型来构造不同功能的虚拟场景。在实验中,通过向场景中添加附有行为的包装箱装箱模型组,组成了包装箱装箱控制任务场景,根据所给的任务说明,按控制逻辑设计梯形图,选择输出接口控制的三维模型,然后运行。实验表明,盐业包装生产线中的控制系统能够按照所设计的逻
6、辑直观而准确地展示设备的控制过程。关键词:虚拟现实;虚拟;逻辑控制;语言转换硕士学位论文 . ,., .,., , ., , ,. 。 ., :. . ,硕士学位论文 .,., , ,. .:; ;硕士擘位论文。 目 录. .要一 一. 一摘触目第 ;芑录章 缗 臣 论 .选题背景?.国内外研究现状?.虚拟现实研究现状.虚拟研究现状?.论文研究的内容?.论文组织?.第二章课题相关主要技术介绍. 框架?.虚拟.虚拟现实?.虚拟现实的构成.虚拟现实开发工具.引擎?.本章小结第三章盐业包装生产线中虚拟控制系统的设计?.设计目标?.软件结构的设计及其操作流程?.虚拟的设计?.虚拟编程系统组成.虚拟梯形
7、图元和指令组成.梯形图编辑规则?。.控制系统虚拟环境的设计.本章小结?第四章盐业包装生产线中虚拟控制系统的实现?.系统环境?.:.软件骨架结构的实现?.;.虚拟的实现?.梯形图编辑功能的实现?.指令表显示模块的实现.:?.硕士学位论文 .梯形图转换指令表功能的实现?.指令表逻辑分析功能的实现?.虚拟控制系统的虚拟环境的实现?.虚拟环境的搭建?.虚拟驱动三维模型的实现.系统合成效果.系统实用性测试?。本章小结?.第五章总结和展望.总结?.展望?参考文献?.硕士期间发表的论文和参与科研项目致谢.?硕士学位论文:.:/第一章 绪论.选题背景工业生产线虚拟仿真系统,它是一个类似游戏的人机界面,它通过操
8、作虚拟场景,模拟现场操作所对应的设备,从而看到虚拟的逼真实际生产过程中系统设备运转的全动作过程。在现实的工业生产线中,可编程逻辑控制器控制着机械的相关行为,它是工业自动化中必不可少的器件,那么对生产线的模拟也应当包含对该重要的可编程逻辑控制器功能的虚拟化。正是基于这一点,盐业包装生产线虚拟系统不仅需要有逼真的场景、完成对生产流程模拟仿真和针对关键部件、关键单元的拆装和柔性控制,还要求能把自己编制的程序下载到已经搭建好的虚拟生产平台中,让虚拟生产线按照自己的构想去运行。.国内外研究现状.虚拟现实研究现状随着计算机科学技术的进步,虚拟现实技术在国内外的迅速发展,成为近年来国内外的研究的热点,为各种
9、项目和大规模数据可视化方法提供了新的描述。目前,虚拟现实技术已广泛应用于医疗实践、建筑设计、军事训练、航空航天、教育和培训等领域【。根据用户参与的不同形式,虚拟现实通常分为四个类别:桌面虚拟现实、沉浸式虚拟现实、增强现实和分布式虚拟现实。美国作为虚拟现实技术的诞生地,其对虚拟现实技术的研究水平代表的是世界发展的最高水平。近年来,虚拟现实技术应用在了美国航空航天和军事等各个领域,其成功应用所获得的巨大经济和社会效益,也促使美国政府进一步加大支持虚拟现实技术的研究【】。在军事领域,美国的主要研究单位有美国空军技术学院,该院研究它主要用于测量、计算机图形、综合环境的应用和大规模分布式人机交互【】。在
10、航空航天领域,现在美国航天局已经建立了航空、卫星维护虚拟现实训练系统、空间站虚拟现实训练系统,并已建立了可全国范围内使用的虚拟现实教育体系;北卡罗莱纳州把虚拟现实技术用于研究建筑模拟、分子建模、手术模拟和航空驾驶【。硕士学位论文 虚拟现实技术的研究在中国起步较晚,并与发达国家有很大的差距,但现在已引起国家主管部门和相关科学家的高度重视,结合中国的国情,发展虚拟现实技术【】。九五计划、国家自然科学基金和国家高技术研究发展计划等项目开始支持虚拟现实的研究。一些重要的国家机构一直积极参与该领域的研究工作。北京航空航天大学计算机系是首次研究虚拟现实的中国大学,在虚拟环境中对物体物理性质进行研究,实现了
11、分布式虚拟环境、虚拟现实的应用开发平台;浙江大学开发出的虚拟建筑环境系统,还在虚拟环境中开发了一种新的快速漫游算法和网格生成算法;哈尔滨工业大学在虚拟人的行为,完成人脸图像、表情等合成。虚拟现实技术在中国发展迅速,近年来己广泛应用于城市规划、勘探和测绘、房地产、教育和培训、医疗保健、互联网、文物、制造、航空航天、军工等几十个行业。非常流行的网络游戏,实质上只是虚拟现实技术的一个简单的应用。.虚拟研究现状近年来,工业自动化控制系统规模不断扩大,控制结构更加分散和复杂,需要更多的用户界面。新的控制技术的发展已成为自动化和控制行业迫切需要解决的技术问题。因此,让计算机技术和控制技术相结合,逐步发展为
12、基于的控制技术:即虚拟控制技术。虚拟是一种计算机技术、自动控制技术、仪器技术和网络通信技术等多种技术相结合的产物【。在欧洲和美国,虚拟已投入工业使用,市场占有率逐年增加。据的调查,估计年的虚拟的全球市场为万,到年虚拟市场规模达到了.亿美元,年又几乎翻了一番。目前,西方国家已把虚拟的研究和应用的作为了重要的投资目标。行业中已经开始使用虚拟产品,典型的虚拟的应用程序有 公司的、西门子公司的和希捷国际公司的等【】。虚拟是年后引进到国内的,国内多家公司和科研机构也对该技术进行了研究,但起步较晚,还没有一个公司或组织可以开发出一个比较完整的产品。有一些国内知名的自动化软件公司如北京亚控制自动化软件科技有
13、限公司在研究开发具有自主版权的产品,还有一些自动化工程公司开始出售有关业务代理的虚拟产品。陕西科技大学、武汉理工大学、山东大学的学者也进行了软件技术的相关研究,从整体研究来看,目前国内的虚拟技术与国外的相比,技术水平有很大的差别。硕士学位论文丁 在未来数年,虚拟的发展将着重于进一步提高系统的开放性、可靠性、实时性、通信能力和与第三方软件集成性。.论文研究的内容本论文要完成的任务就是要实现控制系统,并把它嵌入到盐业包装生产线中。要完成把控制系统对接到盐业包装生产线中,我们首先选取框架来搭建控制系统的骨架,该框架让不同功能的各模块能相对独立开发,开发完成后又能很方便地完成各模块的拼接;接着我们选用
14、 引擎来负责我们的场景显示和模型控制进而完成应用程序与场景数据的融合;然后我们根据可编程逻辑控制器的相关理论和梯形图的逻辑表现形式,设计出基于机的软件控制系统,将转换成全功能的过程控制器,实现该功能需要包含如下几个关键模块:梯形图编辑模块、梯形图转指令表处理模块和指令表逻辑分析模块。.论文组织本论文组织结构如下:第章绪论主要介绍课题的背景,以及虚拟生产线系统和虚拟控制系统的研究现状;第二章介绍该课题所使用的三个最主要的技术:使用框架来搭建应用程序的基本骨架、使用 引擎来负责应用程序对三维场景的相关操作、使用虚拟虚拟化可编程逻辑接口所拥有的功能,通过这三种技术的有机组合来构建盐业包装生产线中控制系统;第三章根据项目实施的目标和要求,首先从整体上设计了应用软件的基本结构,然后介绍了把 引擎引入到应用系统中的策略,最后分析了控制系统内的虚拟设计思路和内容;第四章,针对第三章所介绍的设计内容依次介绍了应用软件骨架的搭建、 引擎的嵌入和虚拟的实现,紧接着给出应用软件实际的效果图,并通过任务实例展示了盐业包装生产线系统中控制系统的运行情况;第五章是总结和展望,归纳了到目前为止所
