传统实验的控制方法及评估
本文旨在设计出一套基于云计算的控制系统虚拟实验平台，以替代传统控制系统实验室的相关实验，为疫情期间的学生提供一个线上实验的平台。
传统控制系统实验一般采用线下实验室进行实验配合实验课程的形式，学生先学习某个实验的基础知识和原理，之后根据课程安排进入线下实验室进行实验操作。
操作时需要遵守实验室的规章制度并根据实验操作步骤、注意事项来进行实验，最后自行记录实验时的数据并编写实验报告。
传统的计算机控制实验室以电机实验和温度实验为主，学生需要使用计算机控制实验系统来进行相关的实验。该系统是基于 STC 单片机平台设计，以加热铜块和直流伺服电机为被控对象进行开发的。
利用 Keil uVision4 集成环境与 Visual Studio2012 加载Measurement Studio 工具箱完成相关代码的编写，最终实现了硬件系统与可视化操作界面的对接。根据Matlab/Simulink 对被控对象进行模型辨识与仿真结果完成控制器参数的设计。
计算机控制实验系统的实验内容主要分为两个部分，一个是调速系统实验，另一个是温控系统实验。
驱动模块、直流电机、光电编码器、负载装置共同构成了直流电机调速系统，而驱动模块、加热铜块、数字式温度传感器和微型风扇共同构成了温度控制系统。
学生首先需要分别对两个系统进行模型辨识,之后才可以进行基础的 PID 控制器或者其他控制器设计实验。
完成基础的实验后，学生可以进行更深入的改进实验，例如改进 PID 控制器设计的实验，少数能力较好的学生甚至可以自行研究并设计模糊 PID控制器来进行实验。
进行实验需要先在下位机进行操作，然后再到上位机进行控制。计算机控制实验系统的下位机通过STC-ISP 软件来下载和编程的。
上位机的应用软件是基于 Visual Studio 2012 平台，利用Measurement Studio 工具箱开发的，分为主界面、调速系统、温控系统三个界面。
主要功能包括实验选择、通信设定、设定值输入、转速/温度显示、数据保存等。部分实验内容，例如模型辨识等，需要使用Matlab/Simulink 来进行实验。
正常进行实验的步骤是首先通过STC-ISP 软件打开相应的端口号然后到上位机软件选择想要进行的实验。
在实验界面根据要求输入某些设定值，点击“运行”按钮即可控制电机等实验设备开始运行。
点击“暂停”可以停止实验设备，通过“保存”按钮来保存采集的相关数据，之后即可通过“返回”按钮返回主界面。
虚拟实验模型选择与软件设计
虚拟现实技术最早出现的时间大概是上世纪 30 年代，一些小说家和导演在自己的作品中提到了虚拟现实的体验。
是直到 20 世纪60 年代虚拟现实仍然处于一个概念阶段。终于到了上世纪 70 至 80 年代，由于光学技术的发展以及其他感官设备的出现。
从上世纪末一直到 2010 年左右，大量虚拟现实的硬件和软件横空出世，这也让虚拟显示技术进步飞快，逐渐走进人们的目光。
最近十年，虚拟现实技术日渐成熟，各种虚拟现实产品开始大量发售，价格也更加低廉，虚拟现实技术已经成为人人都可以体验的东西，而未来的目标也一步一步实现。而集成使用虚拟现实的关键技术，有助于提高虚拟现实体验有效性，达到系统目标。
虽然我们生活的世界是三维的世界，但是实际上对三维显示技术的研究还不够深入。随着科技的发展，传统的二维显示技术逐渐被三维显示技术所替代。
以前只能看到个屏幕上显示的二维图像，现在可以通过某些设备让人们直接体会到三维立体的事物。现在我们比较熟悉的三维显示技术就是 3D 电影，但是未来实现全息投影、舞台全息也是指日可待。
虚拟实验的评估方法研究
轧机AGC 系统实验过程包括设定实验参数，输出实验图像，实验场景漫游和编写实验报告。进行实验时需要先设定相应的实验参数，例如 PID 实验需要分别设定比例系数、积分系数、微分系数，所有参数设定完成后点击开始，VR 界面开始运行。
控制量和输出厚度的实验图像也随之进行输出。进入实验场景漫游界面后，通过键盘来进行移动，可以浏览到整个轧机 AGC 系统VR 模型的运行过程。
除了原理以外讲解的内容可能还包括实验的基础器械、流程、可能出现的实验问题等。学生需要通过自己的学习能力将教师讲解的知识进行获取并消化，从而理解整个实验过程。
实验数据包括实验的输入数据和输出数据。如果选择进行开环实验，需要输入控制量的输入值、设定厚度、轧制速度和采样周期。
最终输出控制量和输出厚度的数据，并转化成曲线图进行显示。同样，进行基础 PID 控制实验。则控制量的输入值变为比例系数、积分系数、微分系数的具体值，输出的数据同样为控制量和输出厚度随时间变化的曲线图。
模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价。
模糊综合评价中的关键技术就是如何客观有效的确定每个评价指标的权重以及合成算子的选择。评价因素权重集的确定方法有多种，常见的等权重法获得的样本综合评价值差异不大，不利于决策。
统计实验法、专家评分法、集值统计迭代法以及动态权重法在评价指标过多时实现或实际应用方面比较困难熵值法深刻地反映了指标信息熵值的效用价值。
虚拟实验平台的开发
分层设计可以有效提升平台的可拓展性、伸缩性，并且有利于开发人员更方便地对虚拟实验平台进行运维。
用户端是主要为学生设计的，满足学生可以随时随地使用允许范围的设备来访问虚拟仿真实验平台。
教师也可以通过用户端对学生的实验情况来进行了解，并且学生和教师也可以通过用户端进行实时沟通。
首先基础设施层包括三个部分，第一部分是将实验室内网与校园网进行连接，让实验平台能够在校内进行访问。第二部分是对存储、计算、网络等资源进行池化处理，并且进行实时监控和权限设定。
第三部分则是实验平台的基础硬件设施，包括主机设备、存储设备以及网络的带宽。其次是平台软件层。
这一层主要是针对虚拟仿真平台内部的相关软件，包括云平台、云网盘、云桌面。而在应用软件层则是单独设计的虚拟实验软件。
学生可以通过软件进行课程相关实验，并且得到真实的实验环境和反馈互动。最后在用户端。则是为学生以及教师设计了可以进入云主机的云桌面，学生可以通过自己的设备进入云主机来完成实验。
教师则可以对学生的实验情况进行实时了解，并且可以随时对学生进行指导和交流。由于校园网的特殊性，所以将实验平台管理的网络与进行实验的网络分开设计，这样避免了因为网络故障导致的平台崩溃，也可以防止由于外部病毒侵入对实验平台网络造成的破坏。
将实验过程中产生的数据分开传输，有利于提升实验平台运行的效率。虚拟实验平台使用的服务器均是戴尔 PowerEdge R740xd 机架式服务器。
服务器的基本硬件信息，同时还使用了一台千兆交换机和一台万兆交换机，与服务器的网络端口进行连接，用来提供相关的网络连接功能。
本文使用了国内比较有名的开源 IaaS 云计算管理软件 Zstack，根据Zstack 的特点来对实验平台进行设计。
实验平台的基础设施层包括一台作为管理节点的服务器和两台作为计算节点的服务器，管理节点和计算节点之间是主从关系。
所以需要将管理节点设置成固定 IP，就可以让整个实验平台连接到校园网中，平台管理者和教师只需要通过固定的网址就可以进入平台，根据提供的账号和密码来进行登录和管理。
虚拟仿真实验平台根据需求不同对使用者进行了一定的划分，主要分为平台管理者、学生以及教师。
首先平台管理者主要是负责对整个虚拟仿真试验平台进行管理，包括对云平台的基础设施和平台软件的维护，并对学生使用的云主机进行资源分配。
之后学生作为使用云主机的人只需要根据实验课程情况来进入平台参加实验，教师对学生使用云主机的情况来进行监控，并且及时与学生进行交流和沟通。
用 DzzOfice 搭建实验平台的云网盘，允许教师创建不同的群组，而学生可以根据实验课程的不同来加入相应的群组，并在指定的群组中上传和共享相关文件。
平台管理者将账号提供给教师，而教师则给需要给学生分发不同的账号，通过这些账号学生可以登录到云网盘，并且云网盘中会区分不同的空间。
其中共享的空间只会显示所有学生和教师共享的文件，而每个学生使用的账号也会有单独的空间用来保存自己的文件。
在共享空间中，教师可以对文件的读写进行设置，例如指导手册只允许学生进行阅读，但是无法对其进行更改。
而学生上传的实验报告则是允许随时进行修改和覆盖。平台管理者可以对所有账号进行管理。
包括每个云盘的读写、上传、下载等，还需要为所有学生提供一个云网盘的操作手册，包括如何上传、下载以及拥有多少权限等。
