（测试计量技术及仪器专业论文）交直流电路实验仿真平台的设计和开发.pdf

摘要 实验在大学理工科教学中占重要地位，随着远程教育的发展，网络虚拟实验 教学也成为远程教育的一个重要环节。通过对国内外虚拟实验系统的广泛研究， 本文针对电子电路虚拟实验的特点及发展现状，提出了由j a v a 语言开发的交直 流电路实验仿真平台的设计和实现方案。 交直流电路实验仿真平台是一个虚拟实验平台，平台提供各种电学元件，可 以连接元件形成电路，并通过运算得出实验结果。其核心是对电路作数值计算的 程序，也就是“电路仿真程序”。 论文从仿真平台开发的背景出发，采用了由改进节点法建立和求解电路方程 的数学模型，然后描述了电路实验仿真平台的功能和操作设计，又通过讨论常微 分方程的几种数值积分方法及相应的储能元件伴随模型得出本仿真平台采用的 电路瞬态模型。在论文的最后对平台的设计进行了总结和展望，指出了今后研究 改进的方向。 关键词：虚拟实验仿真程序节点法 a b s t r a c t a b s tr a c t e x p e r i m e n ti sv e r yi m p o r t a n ti ns c i e n c ee d u c a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f r e m o t ee d u c a t i o n ，w e bv i r t h a le x p e r i m e n tb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n t p a r ti n i t a c c o r d i n gt o t h ew i d er e s e a r c ho nv i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e mo nh o m ea n d a b r o a d ，t h ep a p e rf o c u so nt h ec h a r a c t e ra n dd e v e l o p m e n to fc i r c u i tv i r t u a l ，t h e np u t s f o r w a r dt h ed e s i g np r o j e c to f a ca n dd cc i r c u i te x p e r i m e n te m u l a t o r a ca n dd cc i r c u i te x p e r i m e n te m u l a t o ri sav i t u a le x p e r i m e n tp l a t f o r m i t s u p p l i e sa l lk i n d so fe l e c t r i c a lc o m p o n e n t s ，w h i c hc a nb el i n e dt oc i r c u i t i ta l s oc a n b es e e nt h ee x p e r i m e n tr e s u l tb yc a l c u l a t i n g i nf a c t ，i t sap r o g r a mo fc a l c u l a t i n g c i r c u i t ，n a m e l y c i r c u i te m u l a t o r s t a r tw i t ht h ep l s t f o r m sd e v e l o p m e n tb a c k g r o u n d ，t h ep a p e ru s e dt h em a t h m o d e lw h i c hf o u n d sa n dr e s o v e sc i r c u i te q u a t i o nb yc h a n g e dn o d em e t h o d i ta l s o d e s c r i b e dt h ef u c t i o na n do p e r a t i o nd e s i g no ft h i sc i r c u i te x p e r i m e n tp l a t f o r m a c c o r d i n gt od i s c u s s e ds e v e r a li n t e g r a lm e t h o r d so fc o n s t a n td i f f e r e n t i a le q u a t i o n a n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gt e m p o r a r yc o n c o m i t a n c em o d e lo fe n e r g y - s t o r a g ee l e m e n t ，i t g o tt h ec i r c u i tt e m p o r a r ym o d e lu s e db yt h i sp l a t f o r m i nt h ee n d ，a ne x p e c t a t i o no f h o wt od e v e l o pt h es y s t e mi sg i v e no u ta f t e ra s u m m a r y k e yw o r d s ：v i r t u a le x p e r i m e n t ，e m u l a t o r , n o d em e t h o r d 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：云勰萍 酬年月9 , , e t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 瘩前 学位论文作者签名： 解密时间：年 月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位做作者签名： 茄侈务 7e 。7 年，月溺e t 第一章绪论 第一章绪论弟一早殖化 第一节研究意义 1 1 1 虚拟实验室研究背剽1 】 现代远程教育是指通过音频、视频( 直播或录像) 以及包括实时和非实时在内 的计算机技术把课程传送到校园内外的教育。随着计算机技术、多媒体技术、 通信技术的发展，特别是因特网的迅猛发展，现代远程教育持续升温，尤其是 远程理论教学，在技术上和方法上都己较为成熟。但是由于实验系统开发难度 较大，且各学科的实验差异迥然，使得远程实验教学的发展相对滞后。 实验是教学中的重要环节，在理工类和应用类课程中占有十分重要的地位。 一方面，通过实验，加深学生对学科知识理解和掌握的程度；另一方面，更重 要的是通过实验，培养学生的动手能力，在实际环境中解决问题的能力，这些 能力对于学生进入社会具有非常重要的意义。而这些能力的培养又不是简单地 通过课堂教学就能够达到的。对于一些简单的实验，通过演示、设计一些简单 的脚本，可以让学生掌握实验过程，了解实验仪器结构、特征等。而对于一些 较为复杂的实验，比如电路分析实验，涉及到电路计算，用演示或图示的方法， 让学生掌握这些实验是非常困难的，必须到实验室完成相关课程的实验任务。 但是近年来各高校大规模扩招，学生人数成倍增加，造成实验室设备和规 模都难以满足实验教学的需要。常规的实验设备有的己经老化，有的技术上有 些落后。在当前实验经费紧缺的情况下，如果大量购置常规仪器仪表，学校财 力难以支付。而且基础实验室是面向所有的理工科专业，任务异常繁重。在实 验室里，学生通常只能按教学大纲的要求做一些最简单的验证性实验，很少有 机会去反复熟悉常用仪器仪表的使用，更鲜少有机会去做设计性实验。这对调 动学生的学习积极性，培养创新精神，加强实践动手能力都是十分不利的。因 此发展远程虚拟实验教学己成为实验教育研究中的热点课题之一。 所谓虚拟实验室，是指在网络环境下适于进行虚拟实验的实验系统，包括 相应实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。网络 虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现，也可以是虚拟构想成的实验室。 第一章绪论 在虚拟实验室中，实验者有逼真的感觉，他似乎是在真正的现实实验室里近距 离进行现场操作。 与在实验室作实验相比，虚拟实验有其无法比拟的优势： 1 、符合现代远程教育的需求。建立网络虚拟实验室，远程教育的学习者不 必担心缺乏实验条件，也不必为实验到处奔波，他们通过网络中的基于虚拟仪 器的虚拟实验环境，同样能够“身临其境”地观察实验现象和进行“实际 操 作，甚至和异地的学习者合作进行实验。 2 、突破实验室作实验的束缚，拓展实验的范围，强调“网络就是仪器的 概念。实验室作实验，考虑到设备成本、人身安全等因素，危险性的、破坏性 的实验通常是不能做的，而虚拟实验，通过软件实现，可以充分发挥学生的想 象力，对于实际不能操作进行的实验，这里却变得可能。 3 、打破了传统实验的“动手概念，实验操作和信号的分析、处理、存储 和其它管理集中交由实验管理机和本地计算机来处理。利用计算机技术完善了 数据的传输、交换等性能，使得实验系统变得更加灵活、简单。 4 、可由用户自己选择时间、上机地点和内容，强调了学习的主动性和研究 性。远程实验的出现，彻底打破了传统实验由教师设计、学生操作的模式，给 了学生一个充分发挥自己能力和想象力的空间。 5 、鉴于远程实验的开放性和共享性，资源的可重复利用率提高，系统组建 时间缩短，功能易于扩展和管理，使学生的实验操作机会得以增加，实验范围 和科目得以扩大，高新技术在教育领域内的优势可以充分发挥出来。 随着近年来虚拟仪器理论和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实 验室己经成为可能，网上实验已成为远程教育研究的重要方面。 1 1 2 国内外虚拟实验室的研究概况 2 】 3 】 基于网络的虚拟实验室概念的提出至今仅有十余年的时间，其发展一般经 历以下三个阶段： ( 1 ) 虚拟实验室最初是以某一学科( 专业) 的仿真计算软件为基础进行的， 一般不具有网络交互功能，只是单机版本，如基于w o r k b e n c h 的电子技术实验 左古 守； ( 2 ) 后来发展到具备网络交互功能，如现在网络比较流行的虚拟设计等， 2 第一章绪论 但是不具备实际测试设备接口： ( 3 ) 基于w 曲的浏览器服务器的虚拟实验室模式，在这种模式下服务器 通过软件技术对各种实验环境进行仿真，完成用户的实验需求。 目前国内的研究还处于萌芽阶段，国外已经有很多大学进行了这方面的研 究。美国的j o h nc w a l l e r 和n a t a l i ef o s t e r 用屏幕拷贝监视器显示的方法设计了 一个虚拟的气相色谱质谱仪( g c m s ) 。学生可以在w e b 上使用这个虚拟仪器， 从而可以较快地掌握这种复杂仪器的使用方法，而真实的仪器则能被用来进行 更有价值的实验和获取数据。澳大利亚r m i t 大学的j o h nb a l l 和k a t ep a t r i c k 设 计的虚拟实验用于进行热传递过程的教学，可以帮助学生快速地掌握这个抽象 的概念。这个虚拟实验采用传统的预测观察解释的教学方法，一方面 可以让学生以实验的方式来描述和测试他们自己对热传递的期望，另一方面也 可以让老师更清楚地了解到学生面临的困难。这个虚拟实验使用了多种人机交 互手段，为学生提供了一个易于使用的实验学习环境。此外，由美国e a s tc a r o l i n a 大学、g r e e n v i l l e 大学和n o r t hc a r o l i n a 大学共同创建的v r e l ( v i r t u a lr e a l i t ya n d e d u c a t i o nl a b o r a t o r y 动实验室、由h o u s t o n 大学和n a s a j o h n s o n 航天中心联合 建立的v e t l ( v i r t u a le n v i r o n m e n tt e c h n o l o g yl a b o r a t o r y ) 实验室等许多研究机构 也都在致力于远程虚拟实验的研究工作。 国内许多大学和研究所也已经开始研究和开发远程仿真实验。例如，北京 大学计算机系设计的基于w w w 的网上虚拟实验室3 w n v l a b 就是一种支持大 计算量和交互式的网上虚拟实验室的通用基本框架。它是一个基于浏览器和 w e b 服务器的虚拟实验室，用户可通过界面选择实验种类，并将用户的实验设 计通过i n t e r n e t 传送到服务器端。服务器端是虚拟实验室的核心，用来完成客户 端要求的实验内容，并将可信的实验结果返回客户端。客户收到实验结果后， 可评价自己的实验设计，从而对自己的能力进行判断。利用该系统，已经初步 实现了c a c h e 设计与流水线设计两个实验。 1 1 3 电子电路虚拟实验发展现状【4 】 随着计算机技术的飞速发展，电子电路的分析方法也随之发生重大变革， 由以仪器仪表为测量工具的传统分析方法逐步向以计算机为工作平台的虚拟分 析方法过渡。目前，电路仿真软件有很多，如加拿大i n t e r a c t i v ei m a g ee c h n o l o g i e s 3 第一章绪论 公司的e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h 软件，美国m i c r o s i m 公司的p s p i c e 系列软件，美 国a n a l o g y 公司的s a b e r 软件等，这些都是电路仿真中比较优秀的软件。有许多 专业人员都在采用这些仿真软件进行电路实验，但是这些仿真软件具有一定的 局限性： 1 首先这些软件都是对原理电路的仿真，因此它的适用对象为专业电路人 员，对于普通广大用户来说，并不适用。 2 其次很多软件不具有开放性，仿真只能在这些软件本身的环境下实现， 无法在多媒体环境下进行，从而无法实现仿真技术与多媒体技术的有机结合。 3 软件都是单机版，用户必须在本地p c 机上装有此软件才可进行实验。 4 此外很多软件都不是免费软件，需要购买。 很多院校为了开展教育，也进行虚拟电路实验教学。但有的只是以演示实 验居多，不具有后台电路仿真功能，因此学生只能部分的操作实验，但是学生 不能将虚拟实验代替真正的电子实验。美国c l a r k s o n 大学的基本电路教学课程 e t a ( e l e c t r o n i ct e a c h i n g a s s i s t a n t ) 。着重于多媒体演示，功能简单，交互性差。 类似的仿真实验还有美国r i c e 大学的s a d o d d s 设计的虚拟示波器实验，它可 以帮助学生初步掌握示波器的使用方法和注意事项。 为了迎合远程教学的需要，国内许多大学根据电路与电子技术实验的特点， 依靠多媒体技术、虚拟现实技术、仿真技术和网络技术的发展，也开发了许多 远程虚拟电路软件。如北京师范大学现代教育技术研究所研制的e v l a b 系统， 是一个基于虚拟空间的三维电子线路实验环境，采用了q t 己和v r m l 相结合 的作法，具有逼真友好的用户界面，但是没有强大的后台仿真软件支持，主要 功能是让学生掌握电子线路实验中常见的仪器操作方法，并对基本实验电路有 更加深入的理解。类似的还有华中科技大学的电力电子学虚拟实验系统。而浙 江电大的远程电子电路教学解决方案一电子实验网络教学平台，则要求用户把 e d a 下载的本地，在离线状态下做完实验，然后再上传实验报告，实验过程离 开网络，不利于教师的监督和示范，更不可能有在线实验考试。北京邮电大学 远程教育学院( w w w b u p t 0 1 t o m c n l 的网络课程中就包括了虚拟电子电路实验，这 些实验是用f l a s h 和h t m l 等技术建设的，因此可以在网络上传播。但是它的 仿真效果不够真实，连线算法设计也不够理想。 第一章绪论 第二节开发的技术背景 要突破实验室做实验的束缚，为广大学生提供一个虚拟实验平台，就必须 基于网络的环境，为学生提供一个不限于空间、时间的平台。因此本交直流电 路实验仿真平台采用j a v a 语言和e c l i p s e 平台开发。 1 2 1j a v a 语言的特点 j a v a 是一种跨平台，适合于分布式计算环境的面向对象编程语言。具体来 说，它具有如下特性：简单性、面向对象、分布式、解释型、可靠、安全、平 台无关、可移植、高性能、多线程、动态性等。j a v a 摈弃了c + + 中各种弊大于 利的功能和许多很少用到的功能。j a v a 可以运行与任何微处理器，用j a v a 开发 的程序可以在网络上传输，并运行于任何客户机上。 1 、面向对象 面向对象其实是现实世界模型的自然延伸。现实世界中任何实体都可以看 作是对象。对象之间通过消息相互作用。另外，现实世界中任何实体都可归属 于某类事物，任何对象都是某一类事物的实例。如果说传统的过程式编程语言 是以过程为中心以算法为驱动的话，面向对象的编程语言则是以对象为中心以 消息为驱动。用公式表示，过程式编程语言为：程序= 算法+ 数据；面向对象编 程语言为：程序= 对象+ 消息。 所有面向对象编程语言都支持三个概念：封装、多态性和继承，j a v a 也不 例外。现实世界中的对象均有属性和行为，映射到计算机程序上，属性则表示 对象的数据，行为表示对象的方法( 其作用是处理数据或同外界交互) 。所谓封 装，就是用一个自主式框架把对象的数据和方法联在一起形成一个整体。可以 说，对象是支持封装的手段，是封装的基本单位。j a v a 语言的封装性较强，因 为j a v a 无全程变量，无主函数，在j a v a 中绝大部分成员是对象，只有简单的数 字类型、字符类型和布尔类型除外。而对于这些类型，j a v a 也提供了相应的对 象类型以便与其他对象交互操作。 多态性就是多种表现形式，具体来说，可以用“一个对外接口，多个内在实 现方法”表示。举一个例子，计算机中的堆栈可以存储各种格式的数据，包括整 型，浮点或字符。不管存储的是何种数据，堆栈的算法实现是一样的。针对不 同的数据类型，编程人员不必手工选择，只需使用统一接口名，系统可自动选 5 第一章绪论 择。运算符重载( o p e r a t o ro v e r l o a d ) 直被认为是一种优秀的多态机制体现，但 由于考虑到它会使程序变得难以理解，所以j a v a 最后还是把它取消了。 继承是指一个对象直接使用另一对象的属性和方法。事实上，我们遇到的 很多实体都有继承的含义。例如，若把汽车看成一个实体，它可以分成多个子 实体，如：卡车、公共汽车等。这些子实体都具有汽车的特性，因此，汽车是 它们的“父亲”，而这些子实体则是汽车的“孩子”。j a v a 提供给用户一系列类 ( c l a s s ) ，j a v a 的类有层次结构，子类可以继承父类的属性和方法。与另外一些 面向对象编程语言不同，j a v a 只支持单一继承。 2 、平台无关性 j a v a 是平台无关的语言是指用j a v a 写的应用程序不用修改就可在不同的软 硬件平台上运行。平台无关有两种：源代码级和目标代码级。c 和c + + 具有一定 程度的源代码级平台无关，表明用c 或c + + 写的应用程序不用修改只需重新编 译就可以在不同平台上运行。 j a v a 主要靠j a v a 虚拟机( n m ) 在目标码级实现平台无关性。j v m 是一种 抽象机器，它附着在具体操作系统之上，本身具有一套虚机器指令，并有自己 的栈、寄存器组等。但j v m 通常是在软件上而不是在硬件上实现。( 目前，s u n 系统公司已经设计实现了j a v a 芯片，主要使用在网络计算机n c 上。另外，j a v a 芯片的出现也会使j a v a 更容易嵌入到家用电器中。) j v m 是j a v a 平台无关的基 础，在j v m 上，有一个j a v a 解释器用来解释j a v a 编译器编译后的程序。j a v a 编程人员在编写完软件后，通过j a v a 编译器将j a v a 源程序编译为j v m 的字节 代码。任何一台机器只要配备了j a v a 解释器，就可以运行这个程序，而不管这 种字节码是在何种平台上生成的( 过程如图l 所示) 。另外，j a v a 采用的是基于 i e e e 标准的数据类型。通过j v m 保证数据类型的一致性，也确保了j a v a 的平 台无关性。 j a v a 的平台无关性具有深远意义。首先，它使得编程人员所梦寐以求的事 情( 开发一次软件在任意平台上运行) 变成事实，这将大大加快和促进软件产 品的开发。其次j a v a 的平台无关性正好迎合了“网络计算机”思想。如果大量常 用的应用软件( 如字处理软件等) 都用j a v a 重新编写，并且放在某个i n t e m e t 服务器上，那么具有n c 的用户将不需要占用大量空间安装软件，他们只需要一 个j a v a 解释器，每当需要使用某种应用软件时，下载该软件的字节代码即可， 运行结果也可以发回服务器。目前，已有数家公司开始使用这种新型的计算模 6 第一章绪论 式构筑自己的企业信息系统。 3 、分布式 分布式包括数据分布和操作分布。数据分布是指数据可以分散在网络的不 同主机上，操作分布是指把一个计算分散在不同主机上处理。 j a v a 支持w w w 客户机服务器计算模式，因此，它支持这两种分布性。对 于前者，j a v a 提供了一个叫作u r l 的对象，利用这个对象，你可以打开并访问 具有相同u r l 地址上的对象，访问方式与访问本地文件系统相同。对于后者， j a v a 的a p p l e t 小程序可以从服务器下载到客户端，即部分计算在客户端进行，提 高系统执行效率。 j a v a 提供了一整套网络类库，开发人员可以利用类库进行网络程序设计， 方便得实现j a v a 的分布式特性。 4 、可靠性和安全性 j a v a 最初设计目的是应用于电子类消费产品，因此要求较高的可靠性。j a v a 虽然源于c + + ，但它消除了许多c + + 不可靠因素，可以防止许多编程错误。首 先，j a v a 是强类型的语言，要求显式的方法声明，这保证了编译器可以发现方 法调用错误，保证程序更加可靠；其次，j a v a 不支持指针，这杜绝了内存的非 法访问；第三，j a v a 的自动单元收集防止了内存丢失等动态内存分配导致的问 题；第四，j a v a 解释器运行时实施检查，可以发现数组和字符串访问的越界， 最后，j a v a 提供了异常处理机制，程序员可以把一组错误代码放在一个地方， 这样可以简化错误处理任务便于恢复。 由于j a v a 主要用于网络应用程序开发，因此对安全性有较高的要求。如果 没有安全保证，用户从网络下载程序执行就非常危险。j a v a 通过自己的安全机 制防止了病毒程序的产生和下载程序对本地系统的威胁破坏。当j a v a 字节码进 入解释器时，首先必须经过字节码校验器的检查，然后，j a v a 解释器将决定程 序中类的内存布局，随后，类装载器负责把来自网络的类装载到单独的内存区 域，避免应用程序之间相互干扰破坏。最后，客户端用户还可以限制从网络上 装载的类只能访问某些文件系统。上述几种机制结合起来，使得j a v a 成为安全 的编程语言。 5 、多线程 线程是操作系统的一种新概念，它又被称作轻量进程，是比传统进程更小 的可并发执行的单位。c 和c + + 采用单线程体系结构，而j a v a 却提供了多线程 7 第一章绪论 支持。 j a v a 在两方面支持多线程。一方面，j a v a 环境本身就是多线程的。若干个 系统线程运行负责必要的无用单元回收，系统维护等系统级操作；另一方面，j a v a 语言内置多线程控制，可以大大简化多线程应用程序开发。j a v a 提供了一个类 t h r e a d ，由它负责启动运行，终止线程，并可检查线程状态。j a v a 的线程还包括 一组同步原语。这些原语负责对线程实行并发控制。利用j a v a 的多线程编程接 口，开发人员可以方便得写出支持多线程的应用程序，提高程序执行效率。必 须注意地是，j a v a 的多线程支持在一定程度上受运行时支持平台的限制。例如， 如果操作系统本身不支持多线程，j a v a 的多线程特性可能就表现不出来。 总而言之，j a v a 由于以上跨平台，适用于网络，安全性，可靠性等优点， 显然是十分适合作为我们虚拟电学实验室所依靠的技术的。 1 2 2e c l i p s e 简介 e c l i p s e 是一个开放源代码的、基于j a v a 的可扩展开发平台。就其本身而 言，它只是一个框架和一组服务，用于通过插件组件构建开发环境。幸运的是， e c l i p s e 附带了一个标准的插件集，包括j a v a 开发工具( j a v ad e v e l o p m e n t t o o l s ，j d t ) 。 e c l i p s e 具有功能强大的j a v a 开发环境，这使它获得了人们的一致好评。 如e c l i p s e 编辑器包括语法检查和代码自动完成等特性。除了像j d t 这样用于 编辑、编译和调试应用程序的插件外，还有些可用的插件支持从建模、生成自 动化、单元测试、性能测试、版本控制到配置管理的完整开发过程。 版本控制在团队开发中是必不可少的。e c l i p s e 标准地附带了配合c v s 使 用的插件，c v s 是用于源代码控制的开放源代码并发版本系统( c o n c u r r e n t v e r s i o n ss y s t e m ) 。t e a m 插件连接到c v s 服务器，允许开发团队的成员操作一 组源代码文件，却不会相互覆盖其他人的更改。 这个j a v a 开发环境( 再加上团队环境和其它基础功能) 使e c l i p s e 成为引 人注目的集成开发环境。而且，e c l i p s e 还是一个开放源码项目。但真正使人们 对e c l i p s e 感到兴奋的是它提供了扩展的可能性。 虽然大多数用户很乐于将e c l i p s e 当作j a v ai d e 来使用，但e c l i p s e 的目 标不仅限于此。e c l i p s e 还包括插件开发环境( p l u g i nd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ， 8 第一章绪论 p d e ) ，这个组件主要针对希望扩展e c l i p s e 的软件开发人员，因为它允许他们 构建与e c l i p s e 环境无缝集成的工具。由于e c l i p s e 中的每样东西都是插件，对 于给e c l i p s e 提供插件，以及给用户提供一致和统一的集成开发环境而言，所有 工具开发人员都具有同等的发挥场所。 这种平等和一致性并不仅限于j a v a 开发工具。尽管e c l i p s e 是使用j a v a 语言开发的，但它的用途并不限j a v a 语言；例如，支持诸如c c + + 、c o b o l 和 e i 仃e l 等编程语言的插件已经可用，或预计会推出。e c l i p s e 框架还可用来作为 与软件开发无关的其他应用程序类型的基础，比如内容管理系统。 e c l i p s e 的最大特点是它能接受由j a v a 开发者自己编写的开放源代码插件， 这类似于微软公司的v i s u a ls t u d i o 和s u n 微系统公司的n e t b e a n s 平台。 第三节本论文的组织结构 本文主要讲述了交直流电路虚拟实验平台的设计及实现。全文共分 第一章是绪论。在本章中先介绍了虚拟实验室的研究背景，包括国内外虚 拟实验室的及虚拟电路实验的研究概况，然后介绍了本平台开发采用语言j a v a 和e c l i p s e 工具的技术背景。 第二章内容是电路方程的建立，主要分析了电路的节点法和改进节点法， 然后用改进节点法建立电路方程的过程。 第三章是电路仿真平台的具体设计，主要简单介绍了平台的一些功能和操 作设计。 第四章是交流瞬态电路分析，讨论了求解常微分方程的各种数值积分方法 以及相应的储能元件的模型，然后得出本平台采用的交流瞬态模型。 第五章是本文的结论与展望。 9 第二章电路方程的建立 第二章电路方程的建立 用计算机来设计和分析电路，一般说来不论对于直流电路还是交流电路， 其步骤大体如下【5 】： ( 1 ) 将实际电路，元件模型化，即将实际电路元件表示为若干理想电路元件 的组合： ( 2 ) 将电路拓扑结构及元件值编写为计算机的输入数据： ( 3 ) 电路方程的形成和编写( f o r m u l a t i o no f c i r c u i te q u a t i o n s ) ； ( 4 ) 电路方程的数值解； ( 5 ) 输出结果。 本电路平台的设计基本也是按照上述步骤，下图形象的概括了此步骤。 图2 1 计算机分析电路的步骤 第一节节点法和改进节点法 电路分析和计算最主要的就是将电路用一整套数学方程来描述，因而首先 要解决如何用计算机自动地建立电路方程和求解电路方程。利用计算机自动建 立电路方程的方法很多，有节点法、改进节点法、表矩阵法和双图法等。这些 方法在建立电路方程时所选择的变量性质和数量不同，因而方程的形式和数目 也不相同。但是电路方程的建立都是从原始数据出发，以网络拓扑方程和元件 1 0 第二章电路方程的建立 支路特性方程为基础，经过方程变换而实现的。电路方程都以矩阵形式表达， 清晰直观，易于在计算机中进行计算。目前使用最广泛也是最简便的方法是节 点法和改进节点法，它们主要以节点电位为变量。电路中的节点数一般远小于 支路数或回路数，因此用节点法或改进节点法所列方程组的独立方程数也较少， 建立节点方程方法也较为简单。 2 1 1 复合支路【6 】 电路方程一般以节点电位、支路电压或支路电流作为变量，电路方程必须 满足两类基本的约束条件： ( 1 ) 回路约束条件：电路中各支路电压和电流必须分别遵循基尔霍夫第一定 律，即回路电压定律k c l ( k i r c h h o f f c u r r c u a tl a w ) 和基尔霍夫第二定律，即节点电 流定律k v l ( k i r c h h o f fv o l t a g el a w ) 。 ( 2 ) 元件约束条件：即元件上的电压和电流之间关系v c r ( v o l t a g ec u r r e n t r e l a t i o n s h i p s ) 必, 须满足相应的约束关系。 无论是频域分析还是时域分析，稳态分析还是瞬态分析，所列的方程都应 遵循这两类约束。在第一类约束条件中，k c l 定律反映各支路电流之间的关系， k v l 定律反映各支路电压之间的关系。这些关系是由电路的拓扑形式决定的、 与支路特性无关。在电路理论中常用网络拓扑矩阵来表示k c l 方程和k v l 方 程，即有 k c i ： 以= 0 ( 2 1 ) k v l 彳1 圪= ( 2 2 ) 其中，彳为基本关联矩阵，它反映电路中节点与支路之间的关系。，。为支路 电流向量，为支路电压向量，匕为节点电位向量。 在列写节点方程时，除了要知道电路中支路电压n 支路电流1 ，节点电压圪 与关联矩阵彳的关系外，还必须确定每一条支路的实际内容，即支路中包含什 么具体元件，比如r 、l 、c 元件以及独立源等。在一般电路分析中，支路被定 义为一段不分支的电路，而用计算机分析电路时，为了减少电路中支路和节点 1 1 第二章电路方程的建立 的数目，引入了“复合支路”的概念。下面先介绍“复合支路 ，然后，推导 节点方程。 + “ 。 i 广 仇 ( 弘之 i 图2 2 复合支路 图2 2 所示的部分电路定义为一条复合支路，其中k 为支路电压，e 为独立 电压源，五为支路电流，以为独立电流源；魄代表r 、l 、c 元件及四种类型受 控源，吃，乇分别为元件电压和电流。设图示支路为第k 条支路，则该支路上的、 电流氏为： = 儿f ，+ k 夕一 ( 2 3 ) 对电路中有k 条支路的电路网络，则写成矩阵形式为 l = k f ，圪+ k 夕一以 ( 2 4 ) 对于线性电阻支路y b ： 瓦2 雠三薹 对于受控电流源支路y b ： 匕2 兰骛 将式( 2 4 ) 代入式( 2 1 ) 可得 彳艺( + 圪) 一以= 0 ( 2 5 ) 1 2 第二章电路方程的建立 彳k 圪= 彳( t 。匕名) ( 2 6 ) 再将式( 2 2 ) 代入式( 2 7 ) 得 彳匕彳。= 彳( t 一圪) ( 2 7 ) 若令 e = 么k 彳 j n = a ( x y b ) 则式( 2 7 ) 可简化为 艺u2 ( 2 8 ) 通常把式( 2 8 ) 称为电路的节点方程。把由式( 2 8 ) 求得节点电压圪的方法称 之为节点分析法。节点分析法只适用于分析包含有独立电流源，受控电压源及 其它非受控的线性元件的电路。 用节点分析法解题步骤为： ( 1 ) 确定组合支路，选定各组合支路的参考方 向；( 2 ) 列写关联短阵彳；( 3 ) 列写支路导纳矩阵k ；( 4 ) 列写独立电压源向量e 和独立电流源，向量； ( 5 ) 形成匕和厶；( 6 ) 求解方程得吒。 2 1 2 节点方程的直接形成 在计算机上实际进行节点分析时，并不构成矩阵彳和k 也不执行矩阵乘法。 否则，计算机存贮器和运行时间都很浪费，其原因是a 和e 通常非常稀疏。用 节点法列节点方程可以不必建立矩阵a ，圪，而直接形成节点导纳矩阵】，：l 相等 效电流源向量，。为了方便编写程序和用计算机直接写出e 和j 。，要研究电路 中各种元件对匕和_ 厂。的贡献，掌握各元件的导纳值在e 中的送值规律，及独立 电流源在，。中的送值规律，便可将它们逐一送入艺和以的相应位置。 假设某电路由n + 1 个节点和b 条组合支路所构成。通常节点标号从0 到n ， 并以节点0 作为参考节点，组合支路标号从1 到b 。k 是一个n 阶方阵，五是一 个n 维向量。 现在来研究每条组合支路对k 和厶的贡献。把组合支路分为两种类型：导 纳支路和受控电流源支路。 ( 1 ) 导纳支路 13 第二章电路方程的建立 设如图2 2 所示的支路是第七条组合支路，方向是从节点到节点j f 。，它是 导纳为乩的二端元件。 根据电路分析基础，用节点分析法直接列写节点方程的规则是：直接汇集 到某一节点的导纳称为自导，相邻两节点之间的导纳称为互导。由于节点电压 总是假设为正，所以自导纳总是取正值，而互导纳则总是取负值，方程右边是 等效电流源向量，规定流进节点的电流取正值而流出节点的电流取负值。那么， 根据此规则可以得到在计算机上直接形成k 和以的规则。对于图2 2 所示的第 k 条组合支路，y n 的形成规则为 一 、 驴 j ly 几b - - y b j ( 2 9 ) j n 的形成规则为 以= j l l 一( i s 名- 一y 儿y k g ) ( 2 1 。) ( 2 ) 受控电流源支路 计算机上，对含有受控电流源的组合支 路，直接形成匕的规则是：k 的行号对应被 控支路的“始”节点k 和“终 节点七，列号 如砌 对应被控支路的“始”节点j 和“终 节点j 。 一般来说，控制系数g 。将在k 中的四个 位置上出现，具体位置为 图2 3 受电流源的复合支路 j n 的形成规则为 y 一七- g 。72 9 。 毛一七l g 。 g mj ，一k - 以一g 。弓 小m z 三酬 上面讨论了一条组合支路对k 、以的贡献，对于整个电路，只要把每一条 组合支路对匕、以的贡献叠加起来，就能形成整个电路的】，。和 。 为此引入了“送值表 ，将每个元件对节点导纳短阵l 和等效电流源向量t 1 4 第二章电路方程的建立 的贡献以表格形式表示出来，可以一目了然。如下表2 1 为无源元件的送值表。 表2 1 无源二端元件送值表 l r h s lg g j gg 如果二端元件的两个节点中有一个是参考节点，比如j 节点是参考节点，则 表2 4 中j 节点所对应的行列不存在，该元件在匕中的贡献只体现在匕( f ，f ) 上有 个g 值。 无源二端元件对e 的贡献总是相对矩阵e 的主对角线对称。 采用节点法列方程，只要先将电路各节点顺序编号，然后逐个扫视电路中 各元件支路按照各元件送值表的格式，将值填入节点方程的e 和，。中，即可 形成节点方程组。 节点法优点是形成节点方程组阶数较低，列方程比较简单，易于编程。但 节点法的缺点是不能直接处理独立电压源，零值电阻元件等支路导纳为无穷大 的元件，也不能直接处理除电压控制电流源( v c c s ) 夕b 的受控源。因此节点法的 应用受到限制。 2 1 3 改进节点法m 改进节点法除了以节点电压作为方程未知变量外，还引入支路电流作为新 的未知变量。既保持了节点法方程阶数较低、方法简单的优点，又克服了节点 法不能直接处理独立电压源，零值电阻元件以及流控元件的弱点，因此得到了 广泛的应用。 改进节点法的基本思想，是将元件分为三类： 1 用导纳描述的元件。只需选节点电位作方程变量而不必选支路电流。 2 独立电压源。此外，还包括需要支路电流作为输出变量的元件，如电感， 互感元件等。 3 独立电流源。 以上三类元件特性方程为： 1 5 第二章电路方程的建立 叫料。 2 ， 刚孙 亿 4 巧群矿。+ 4 厶= - a i , ( 2 1 4 ) 艺衫y 。+ z 2 厶= 易 ( 2 1 6 ) 砭y 管n lz 2 j l 鸣l f f 玎1 亿 【- 砭管z 2 j l 厶j2 【- 岛j u j 即为改进节点方程的一般形式。其中艺。是由第一类元件形成的节点导纳矩 阵。若节点数为n ，则匕。行列数均为n 一1 。厶是等效电流源向量。a 2 ，e 彳；， z 2 是电流未知变量关系式矩阵。对多数元件匕彳；的非零结构与彳芗的相p - - 。 1 6 第二章电路方程的建立 阻抗及无量纲量。故称该方程组为混合方程组。简写为： t x = b ( 2 1 8 ) 建立上述混合方程组式( 2 1 8 ) ，改进节点法与节点法一样，可以直接形成 混合方程组。它以元件的送值表为依据，将各元件分别处理，逐一送入元件对 系数矩阵t 及右端向量曰的贡献，从而形成混合方程级t x = b 。 表2 2 给出一些元件的赋值表，其中b r ( b r a n c hr e l a t i o n ) 表示增加的附加方 程，r h s ( r i g h th a n ds i d e ) 表示方程的右端向量。 表2 2 元件送值表 元件符号赋值表特性方程 电 j 杉 r h s i i i j _ i 。 流 睁 一i s 1 源 j i s v i v j i i r h s v i - v j - e电j i 压 + () 11 i i = 一i j = i b 源j j - 1 b r 1 - 1e 阻抗 v i v j i i r h s v i - v 广r ir = 0 支路 r 11 i i = 一i j = i r ，t j - 1( 可以为零值) b r1- 1- r 短路v i v j ir h s v i - v j - o ，i i i = i 1 1 i j = i i i j - 1 b r1- 1 电导 7 士 v i v j i r h s ii - - y * ( v i - v j ) y c j ij ；一y 幸( v i - v j ) 1 y。y j jyy b r 1 7 第二章电路方程的建立 续表 元件 符号赋值表 特性方程 ， v i v j i r h s条件f 开关 卜 开路0 l1 ， j 1 短路1 b rfff 1 电容 v i v j ir h sii = y ( v i v j ) 一y ej 、 ， y =- l l y。yy e ij f f i y ( v i - v j ) j y yy e + y e j b r v i 哆 ir h s ii = y 掌( v i - v j ) 电感 + j ： 1 y。y j j。yy j ij = 一y 木( v i - v j ) b r - j 2 2 1 元件模型 第二节电路的形成 由于节点法可以把元件简单的分为两类：导纳元件和非导纳元件。本平台 提供的导纳元件有：电阻元件( 包括滑动变阻器，电阻箱，灯泡) 和电容，电 感。非导纳元件有：电压源元件( 包括直流和交流) ，电流源，开关和电表元件 ( 包括电流表，电压表，检流计，示波器) 。在表2 2 中已经详细给出了一些基 本元件的送值表，以下对几个特殊元件的模型进行说明。 1 、电表元件模型 电流表和检流计的内阻很小，在理想情况下，相当于短