（电工理论与新技术专业论文）自动控制原理虚拟实验室的研制与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ev i r t u a le x p e r i m e n t a lt e c h n o l o g yi sg e n e r a t e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，m u l t i m e d i aa n dn e t w o r kt e c h n o l o g y e s p e c i a l l yw i t ht h e d e v e l o p m e n to fd i s t a n c ee d u c a t i o n ，r e m o t ee x p e r i m e n t a lt e a c h i n gi sg r a d u a l l y t a k e nb yt h ep e o p l e i tc a nb r e a kr e s t r i c t i o n so ft i m ea n ds p a c ee f f e c t i v e l y ， r e s e a r c h e r so rs t u d e n t sc a ns t u d yw i t hp e e r s ，s h a r eo rm o n o p o l i z e se q u i p m e n t s ， s h a r ed a t aa n dc o m p u t e rr e s o u r c e s ，g e tr e m o t eg u i d a n c eo ft e a c h e r s b e c a u s eo f t h ed e m a n df o rd i s t a n c ee d u c a t i o na n dt r a d i t i o n a l e x p e r i m e n td e f e c t s ，t h e d e v e l o p m e n to fv i r t u a le x p e r i m e n tu s i n gc o m p u t e ri so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no fv i r t u a le x p e r i m e n ta n d s e v e r a lv i r t u a l e x p e r i m e n t a lt e c h n o l o g y ， a n dt h e nr e s e a r c h e sv i r t u a l e x p e r i m e n t a ld e v e l o p m e n tb a s e do nm a t l a bw e bs e r v e r a n dd i s c u s s e st h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h i st e c h n i q u e ，p r e s e n t st h et e c h n o l o g yb a s e d o nm a t l a ba n df l a s h ，u s i n gf l a s ht os i m u l a t es c e n ea n dm a t l a bt oc o m p u t e a n dc o r r e s p o n d e n c e t h et e c h n o l o g ya d o p t st h ea d v a n t a g e so ft h e ma n dm a k e s t h es c e n em o r er e a l i s t i c t h es u b j e c tc o n s t r u c t sa u t o m a t i cc o n t r o lp r i n c i p l e s v i r t u a ll a bu s i n gd r e a m w e a v e rp o w e r f u lw e bf u n c t i o n ，f l a s hp o w e r f u lg r a p h i c p r o c e s s i n g f u n c t i o na n dm a t l a bp o w e r f u ld r a w i n g ，c o m p u t i n ga n dw e b f u n c t i o n s t h ec o n s t r u c t i o no ft h i sl a bi n c l u d e sw e bs e r v e r c o n f i g u r a t i o n ， v i r t u a le x p e r i m e n t a lc i r c u i td e s i g n ，i n p u td o c u m e n t sc r e a t i o n ，m f i l e sc r e a t i o n a n do u t p u td o c u m e n t sc r e a t i o n t h ep a p e ri n t r o d u c e ss t r u c t u r ea n dd e v e l o p m e n t o ft h el a b t h el a bh a st e ne x p e r i m e n t s ，c o v e r i n gt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n a n a l y s i so fl i n e a rs y s t e m ，r o o tl o c u sa n ds e r i e sc o m p e n s a t i o no fl i n e a rs y s t e m ， a n a l y s i so fd i s c r e t ea n dn o n l i n e a rs y s t e m a tl a s tt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gt h e v i r t u a ll a bi si n t r o d u c e db yt w ot y p i c a lv i r t u a le x p e r i m e n t s t h el a bh a sl o w e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r e r e q u i r e m e n t o fc l i e n t ，h a s a d v a n t a g e so fe a s ye x p a n s i o n ，m a i n t e n a n c ea n du p g r a d i n g ，a l s oi th a sb e a u t i f u l i n t e r f a c ea n ds i m p l eo p e r a t i o n e v e r ye x p e r i m e n th a so b j e c t i o n ，t h e o r ya n d s t e p s ，a l s oc i r c u i td i a g r a ma n dv ir t u a lc ir c u i t ，y o uc a ni n p u tp a r a m e t e r si n p a r a m e t e rb o x e sa n dc l i c ks u b m i tb u t t o nt og e tt h er e s u l t s t h el a bb r e a k st h e i v 山东大学硕士学位论文 r e s t r i c t i o n so ft i m ea n ds p a c e ，s t u d e n t sc a nd oe x p e r i m e n t sa ta n yt i m ea n da n y w h e r e ， a l t e r p a r a m e t e r sr e p e a t e d l y ， i tc a nd e e p e nt h e u n d e r s t a n d i n g o f k n o w l e d g ea n de n h a n c et h es e t sa n dt h ea b i l i t yo fi n n o v a t e k e yw o r d s ：v i r t u a le x p e r i m e n t ；d i s t a n c ee d u c a t i o n ；m a t l a bw e bs e r v e r ； v i r t u a ll a b v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：组蠹日期：幽：兰：圭! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：口盎导师签名：毖日期：鲻u 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 国内外虚拟实验的发展与现状 虚拟实验技术是利用软件和硬件的结合，取代传统的常规实验仪器设备， 在计算机或计算机网络上进行模拟、仿真各种实验的技术。它是虚拟现实技 术( v r ) 、虚拟仪器技术、计算机辅助教学技术( c a i ) 、多媒体计算机技术( m e c ) 等发展的结果，广泛应用于科学和生产领域。虚拟实验技术可应用于工业领 域中的虚拟制造、虚拟产品的开发，既提高了产品的性能，又缩短了研制周 期，减小了研制经费和设计风险；应用于农业生产，如农作物育种、牲畜的 品种改良等方面，可以节省大量的时间；应用于教育培训，进行逻辑电路实 验、扩散过程实验、热传导实验、概率分布实验等，更新和提升了原有的实 验手段，大大提高了实验效果，激发了学生的学习兴趣；应用于医疗卫生， 可进行临床诊断、治疗和预防康复，提升了医疗质量和人们的健康水平；应 用于车辆工程，确定虚拟模型，可以反复进行实验，并根据实验结果对设计 进行反复修改，从而获得最佳设计方案。另外，虚拟实验技术在军事与航 空、艺术、可视化计算、机器人和商业等领域也有相当的比重。 1 1 1 国外虚拟实验的发展与现状 虚拟实验在国外起步较早，大致分为以下几类： 计算机辅助实验：利用计算机技术促进实验过程的优化和更方便地处 理数据。 计算机仿真实验：利用软件模拟硬件设备提供虚拟实验环境。如印地 安那州立大学的m b l 化学实验室，芝加哥伊利诺伊大学虚拟有机化学实验 室，休斯顿大学和美国航天中心联合建立的虚拟环境技术实验室。 远程遥控：网络技术的发展和带宽的不断提高使得远程遥控成为可 能，如卡耐基梅隆大学控制远程实验仪器进行电路实验。 符合特定行业标准的分布式虚拟实验；国外的研究组织有v x i b u s 协 会，主要对硬件平台测试、测量仪器的接口进行标准化；印第安那州立大学 和a r g o n m e 国家实验室共同研究的x p o r t ，是网络技术基础上组建x 射线结 山东大学硕士学位论文 晶学仪器网格系统等。 虚拟实验室最早由美国u n v e r s i t yo fv i r g i n i a 的w i l l i a mw u i f 教授提出， 描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。目前，虚拟实验室在发达国家已 十分普及。麻省理工学院w e b l a b 虚拟实验室于1 9 8 8 年开发并投入使用；德国 的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学电子系开发了电子仪器 虚拟工作平台；新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验。美 国国防部高级研究计划局d a r p a 自8 0 年代起一直致力于研究称为s i m n e t 的 虚拟战场系统，以提供坦克协同训练，该系统可联结2 0 0 多台模拟器。c h i c a g o ( 芝加哥) 开放了关于3 0 2 5 年的一场未来战争的世界上第一台大型可供多人 使用的虚拟娱乐系统。n e c 公司开发了一种虚拟现实系统，它能让操作者都 使用“代用手”去处理三维c a d 中的形体模型 2 1 。富士通实验室有限公司正 在研究虚拟生物与虚拟环境的相互作用，他们还在研究虚拟现实中的手势识 别，已经开发了一套神经网络姿势识别系统，该系统可以识别姿势，也可以 识别表示词的信号语言。 1 1 2 国内虚拟实验的发展与现状 和一些发达国家相比，我国虚拟实验技术起步较晚，但是也开展了虚拟 实验技术的研究。在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已积极投 入到了这一领域的研究工作。国内最早开展此项技术试验的是挂靠在西北工 业大学电子工程系的西安虚拟现实工程技术研究中心。该中心的成立，对发 挥学校电子信息工程学院等其他院系和研究所在虚拟现实、虚拟仿真与虚拟 制造等方面的研究优势具有积极作用。北京航空航天大学计算机系也是国内 最早进行v r 研究、最有权威的单位之一，其虚拟现实与可视化新技术研究室 集成的分布式虚拟环境d v e n e t ( d i s t r i b u t e dv i r t u a le n v i r o n m e n tn e t w o r k ) 实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供 实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供开发虚拟现实应用系统 的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接1 3 l 。浙江大学c a d & c g 国家 重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统。其开发的虚拟 故宫实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性 和画画的真实感鄙达到了较高的水平。哈尔滨工业大学已经成功地虚拟出了 山东大学硕士学位论文 人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动作的合成等技术问 题，并正在研究人说话时头势和手势动作，话音和语调的同步等。清华大学 计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，他们还针对室 内环境水平特征丰富的特点，提出借助图像变换，使立体视觉图像中对应水 平特征呈现形状一致性，以利于实现特征匹配，并获取物体三堆结构的新颖 算法。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术一立体显示技 术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于j p e g 标准 压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且己经 通过实验结果证明了这种方案的优越性l4 1 。中国科技开发院威海分院主要研 究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图像对算法回显及软 件接口。他们在硬件开发上已经完成了l c d 红外立体眼镜，并且已经实现商 品化。北方工业大学c a d 研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之 一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片相似就出自该中心。 关于虚拟现实的研究已经完成了2 个“8 6 3 ”项目，完成了体视动画的自动生 成部分算法与合成软件处理，完成了v r 图像处理与演示系统的多媒体平台及 相关的音频资料库。北京科技大学虚拟现实实验室近2 0 年来从事v r 研究，成 功开发出了纯交互式汽车模拟驾驶培训系统，可以让你坐在家里学习驾驶。 另外，装甲兵工程学院、中科院软件所、西北工业大学c a d c a m 研究中心、 上海交通大学图像处理模式识别研究所、长沙国防科技大学计算机研究所、 华东船舶工业学院计算机系等单位也进行了一些研究工作和尝试。 虚拟实验技术是一种发展中的、深远的具有潜在应用方向的新技术，它 正朝着满足人类不同需求的方向发展。虚拟实验技术又是一门富有挑战性的 交叉技术、前沿学科和研究领域，从某种意义上讲，它将改变人们的思维方 式，甚至会改变人们对世晁、自己、空间和时间的看法。 1 2 自动控制原理虚拟实验开发与研究的背景和意义 “自动控制原理”是研究各类控制系统共性的一门基础科学，是各大院 校控制类专业的一门主要专业课，该课程主要培养学生掌握有关自动控制的 基本概念、基本理论和基本方法，使他们能够自觉运用控制原理解决实际中 的相关问题。而在教学中实践环节对于学生理解与掌握课程中抽象的理论概 3 山东大学硕士学位论文 念起着至关重要的作用。目前，传统“自动控制原理”实验，一般采用搭建 模拟电路的实验方法，使用函数发生器产生波形作为信号源，利用示波器观 察实验结果。这样的实验方式，虽然具有一定的作用，但存在着一些弊端： 学生在开始进行实验的时候，面对着复杂的硬件电路，往往不知所措，对 控制系统的模型不是很了解，只是依据给定的电路来连接；对于控制系统的 参数，不知如何调整，而是胡乱地调节电位器值和电容值，很容易造成硬件 电路的损坏；更不知调整的参数对应系统的哪些具体参数，显然不会对课堂 学习内容的加深理解。使得学生对实验不感兴趣；实验设备高度集成，操 作复杂，可扩展性差，另外可改参数有限，使得综合性实验难以开展；现 在虽在一定程度上应用了虚拟示波器，但由于实验构成的基础仍是模拟电子 线路，有些如频率特性等实验效果仍然不好，能够开出的实验受到限制； 实验内容形式老化，不能达到实验要求和促进课程理论教学的目的；自控 实验学时有限，实验室又是非开放性的，要想在有限学时里巩固和掌握课堂 内容，显然是很困难的。 为了改变这一局面，虚拟实验的概念应运而生。虚拟实验是指利用仿真 技术、数学建模技术和多媒体技术等在计算机上所营造的可辅助、部分替代 甚至全部替代传统实验各操作环节的相关操作环境1 9 1 。它是一种创新性教学 手段，借助多媒体这一现代化的教育技术将教材中抽象的数学模型与实际电 路结构形象的结合起来，达到理论与实际的一种虚拟互动，形成创新性教学 的理论与实践相结合的模式。控制理论是一门传统的专业技术基础课，如果 将虚拟现实技术运用到这门课中，将会给它带来新的活力。虚拟实验室可作 为传统实验的一个必要的有益补充，可辅助、部分替代甚至全部替代传统实 验各操作环节的相关操作环境。既能节约大量的教育经费，又能使实验在时 间和空间上得到有效的延伸。 另外，随着计算机及其网络、通讯等技术的飞速发展，国际互联网已经 成为一种新的社会媒介，而网络背景下的创新性教学研究也成为当今世界课 程改革的一种潮流，同时也是素质教育进一步深化的客观要求。网络教学一 向被视为有效突破时空限制的教学通道。近年来，随着信息技术的蓬勃发展， 世界发达国家正如火如荼地致力于i n t e r n c t 在学校教育、社区教育、社会教育 及在职i j i i 练的应用与研究等，由于利用网络媒体进行网络教学与传统媒体有 4 山东大学硕士学位论文 极大的差异，因此许多研究单位在网络教学方面投入相当多的时间与精力， 试着设计一套能够符合网络媒体特性，并能提升教学成果的教学系统。随着 网络教学新型教学模式的发展，虚拟实验室的研究也随之开展起来，许多学 校都开发了相应的虚拟实验软件，但自动控制原理虚拟实验室的开发目前还 很薄弱，尤其是对实际控制系统虚拟实验的开发尚有待于进一步完善，因此 对自动控制原理虚拟实验室进行开发与研究对自控理论远程教学有着十分重 要的意义。 本章小结： 在这一章中，介绍了国内外虚拟实验的发展现状、自动控制原理虚拟实 验开发与研究的背景和意义，考虑到传统实验的弊端，提出了本课题。本文 将探讨建立自动控制原理网络化虚拟实验室的方法及实现。 5 山东大学硕士学位论文 2 虚拟实验技术概述 随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术呈现出多样化的发展趋势。各 种类型的虚拟现实技术，由于参与虚拟现实的形式不同，其沉浸的程度也不 相同。针对不同的实验内容，可以采用相适应的虚拟现实技术，充分发挥其 技术特点，实现预期的实验目标。 2 1 沉浸虚拟现实技术 沉浸虚拟现实运用计算机、多媒体与仿真技术等现代科学技术，营造与 客观世界高度类似的虚拟环境，使人具有一种身临其境的感觉。虚拟现实模 式在现实世界数据建模的基础上，采用三维图形来表现虚拟世界，通过头盔 式显示器或立体眼镜等专用辅助设备观察建模的三维物体，以获得在平面显 示器上无法得到的物体“深度”( 距离) 信息，并通过观察不同的图像，产 生观察视差【1 0 】。通过深度和观察视差，从而达到身临其境的效果。 2 1 1 沉浸虚拟现实系统的硬件 在三维环境中，人和物体的运动最多为6 个自由度，其位置是沿着x ， y ，z 轴测量的，相应于宽度、高度和深度；方向用绕x ，y ，z 轴旋转的角 度表示，即俯仰、转动和偏转；因此要求虚拟现实系统的输入设备能检测出 活动物体在这6 个自由度上的数值。输出设备要求能够为用户提供高分辨率 的立体图像、立体声及力反馈等【1 2 】。这些设备目前有： ( 1 ) 3 d 输入设备：可检测物体6 个自由度的值，如3 d 跟踪器( 3 dt r a c k e r ) 、 3 d 鼠标( 3 dm o u s e ) 、跟踪球( t r a c kb a l l ) 和3 d 空间探针( 3 dp r o b e s ) 等。 ( 2 ) 数据手套( d a t a g l o v e ) ：用于使用户与虚拟环境交互，如用手抓取虚拟 环境中的物体，数据手套每个手指上都有传感器，可测量手指的弯曲程度， 一个连到手腕上的跟踪器可确定手的位置和方向。因此它为人与环境的虚拟 结合提供了一种手段。 ( 3 ) 头盔式显示器( h e a dm o u n t e dd i s p l a y s ) ：目前常用的头盔式显示器是 基于液晶显示原理的，它将用户与现实世界隔离，代之以计算机送来的立体 及非立体图像。 6 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 触觉和力度反馈器：用于使用户感觉到一种计算机仿真的力，目前 这类传感器主要基于视觉、气压感、震动感和电子感触等。 2 1 2 沉浸虚拟现实系统的软件 一个成功的虚拟现实系统是非常复杂的，需要有效的支撑软件才能正常 运行。 ( 1 ) 虚拟环境数据库：要构建一个逼真的虚拟环境，首先需用建模技术 建立其中虚拟物体的模型，将物体几何形状、表面属性和声音属性等存入虚 拟现实的数据库。 ( 2 ) 虚拟环境处理过程：虚拟环境处理过程是在需要时对虚拟环境数据 库进行实现检索、实现物理仿真、动画和碰撞检测等功能。 ( 3 ) 虚拟现实的开发环境：虚拟现实系统软件非常复杂，它必须是面向 对象和实时的，且具有内在灵活性和可移植性，因此在开发新的应用系统时 最好能借助于已有的虚拟现实系统开发环境。几个有代表性的虚拟现实系统 开发环境是：d i m e n s i o ni n t e r n a t i o n a l 公司的桌面v r 系统v r t ( v i r t u a lr e a l i t y t o o l s ) 、v p l 公司的r b 2 ( r e a l i t yb u i l tf o rt w o ) 、美国a l b e r t a 大学开发的虚拟 环境应用工具m r ( m i n i m a lr e a l i t y ) 以及s o f t w a r es y s t e m 公司的强大建模工具 m u t i g e n 等等。 2 2 基于静态图像的虚拟技术 基于静态图像的虚拟现实技术：q t v r ，是q u i c k t i m ev i r t u a lr e a l i t y 的简称， 它是美国苹果公司开发的新一代现实技术。概括地讲是一种基于静态图象处 理的，在微机平台上能够实现的初级虚拟现实技术。q t v r 属于桌面虚拟现实 的一种。虽然它是初级的虚拟现实技术，但是它有其自身的特色与优势。它 的出现使得专业实验室中成本昂贵的虚拟现实技术有了广阔的应用前景。 它是将多个不同距离和不同方位的静态图像按照相互关系有机地连接起 来，在视觉上形成整个空自j 的整体认识。在观察时，可以任意转动，也可以 改变视点。由于这些静态图像是相互连接的，所以，只要静态图像足够精细， 连接得紧密正确，就可以获得空间的感觉，实现对一个物体或空间进行全景 观察i l ”。运用基于静态图像技术，可以根据真实世界影像采用计算机生成图 7 山东大学硕士学位论文 像的方式来建立三维模型，对图像的分辨率、质量、复杂度、真实性的要求 都不是很高，不需要特殊的专用设备，在普通微机上即可体验虚拟实验环境， 操纵虚拟的物体。 基于静态图像的虚拟系统主要有以下两部分组成： 2 2 1 图像采集设备 q t v r 主要通过静态的图像来构建三维空间与三维模型，因此，必须要有 相应的图像采集设备。q t v r 图像的拍摄可以用普通的照相机或者摄像机，如 果是用照相机拍摄图片，那就还需要一个扫描仪将照片数字化，形成图像文 件；如果是用摄像机拍摄，那就还需要一个图像采集卡，将连续动态的视频 离散成一幅幅图像文件。因为q t v r 要求的是拍摄3 6 0 度范围内的全景图像， 直接拍摄全景的相机过于昂贵，所以一般是用普通的相机辅以专用的三角架 设备，在空间环绕3 6 0 度拍摄，然后利用软件将拍摄到的一幅幅图像拼合成 一幅全景图像。普通三角架可以用于拍摄，但难以保证轴心一致，故制作出 的全景有跳跃感，真实性不强；而用专用的三角架，可以拍摄出轴心非常一 致、真实感很强的全景，而且拍摄过程非常简单。目前美国的k a i d a n 公司专 门生产用于拍摄全景的三角架。 2 2 2 软件组成 q t v r 软件包括两大组成部分：创作软件与播放软件。 创作软件：创作软件主要功能是将离散的图像拼合成全景图像，再将全 景图像制作成q t v r 格式的文件。美国的a p p l e 公司已经发行了q t v r 的创作软 件：q t v ra u t h o rs t u d i o1 0 ，它只能运行在a p p l e 公司的m a c i n t o s h 系统上。由 于a p p l e 公司的m a c i n t o s h 系统比较昂贵，在我国的普及面较小，因此，限制 了它的进一步的应用。目i j i ，我国正在研究基于普通p c 机和w i n d o w s 平台的 创作系统( s p i nv f 系统) ，目前己取得阶段性成果，它的研制成功，将大大 拓宽q t v r 的应用面。 播放软件：q t v r 制作成功后，我们就可以利用一个q t v r 播放软件来体验 它所提供的虚拟环境，进入虚拟的空i 日j ，操纵虚拟的物体。 山东大学硕士学位论文 2 3 实验环境与虚拟实验平台集成技术 实验环境和虚拟实验平台集成模式是一种真实与虚拟结合的模式，运用 计算机技术、控制技术、数据库技术与网络技术等，架构支持真实实验环境 的虚拟实验平台。虚拟实验平台提供操作、控制、分析、观察和实验( 设置 和选择) 的虚拟环境，并对真实的实验环境实施控制1 1 4 1 。例如，电路试验可 以在虚拟环境中构建各种电路，并用虚拟的仪表如电流表、电压表，示波器 等来测量各个结点上的信号，或动态地测试电路的性能。 利用这种技术构建电工电子虚拟实验平台非常普遍，其系统通常有三部 分组成：前台模拟实验场景、前后台数据通信以及后台电路仿真。三个部分 常用的方法是： ( 1 ) 前台模拟实验场景 采用f l a s h 来搭建虚拟实验场景，将f l a s h 的s w f 文件嵌入到网页中 去，模拟逼真的实验环境。用户通过登录w e b 进入实验场景，进行实验； 用户进行电路实验时，将电路实验的数据封装成x m l 格式的文件，通过 x m ls o c k e t 传输给后台；也能将后台的x m l 数据解析成前台的实验结果数据 进行显示。 ( 2 ) 后台电路仿真 在l i n u x 环境下，通过电路仿真软件将c i r 文件进行电路仿真，得出仿真 结果，生成o u t 文件。 ( 3 ) 前后台数据通信 数据之间的通信通过数据处理服务器实现。前后台通讯遵循统一的通讯 协议。f l a s h 通过其x m ls o c k e t 将数据封装成x m l 格式的文件，通过网络传输 给数据处理服务器，数据处理服务器将其x m l 文件通过统一的通信协议解 析，转换成c i r 文件，送给后台仿真服务器。服务器仿真后将其生成的o u t 文件，传输给数据处理服务器，数据处理服务器按照通信协议转换成x m l 文 件，通过前台的x m ls o c k e t 传输给前台。 2 4 基于网络的虚拟技术 基于网络的虚拟实验模式依托网络来构建虚拟实验环境，即分布式虚拟 现实环境。在分布式虚拟现实环境中，多个实验者可通过网络同时参加一个 9 山东大学硕士学位论文 虚拟空间，对同一虚拟实验进行观察和操作，以达到协同工作的目的，其中 每一个可视化的三维物体代表一种实验对象，可以通过鼠标的点击、拖曳等 操作，从不同的视角观察一个实验对象 1 5 l 。多媒体计算机技术、网络技术与 虚拟仪器技术的结合，使远程实验者可以操作虚拟仪器，完成有关课程的虚 拟实验，例如在计算机组成原理的实验中，可以将计算机中的各个部件用三 维方式表示出来，用户通过鼠标将他们组装成整机。将基于网络的虚拟实验 环境引入实验教学，能够使实验教学远程化，从而提高教学效果。 构建网络虚拟实验有很多种方法，目前常用的实验构建技术有：j a v a 、 a c t i v e x 、v r m l 、q t v r 、f l a s h 等，这几种技术各有特点，其对比见表1 。 表1 常用的网络实验构建技术对比 用这些技术构建虚拟实验的基本思想是一致的，即用软件方法模拟硬件 设备的功能和实验的物理化学特性。它们具有下面的一些共同的特性： 和现实中的实际仪器的物理化学特性相一致； 很强的交互和实时反馈的能力； 能够多人合作实验的功能。 从表1 的对比可以清楚地看到，三维的虚拟实验采用v r m l 技术开发综合 性能较好，二维的虚拟实验采用f l a s h 技术开发综合性能较好。 本文所建立的远程虚拟实验室，根据自动控制原理实验的内容和特点， 采用的技术包括利用f l a s h 搭建虚拟实验场景、m a t l a bw e bs e r v e r 进行数据 通信以及利用dr e a m w e a v e rm x 建立输入输出页而。 1 0 山东大学硕士学位论文 2 4 1f l a s h 技术 f l a s h 是为创作网络交互式动画所开发的，其矢量图形技术，使所生成的 动画文件很小，可直接在网络上运行，而且其脚本语言通过编程可开发出具 有很强功能的交互式网络动画，这种特性特别适合交互式虚拟实验的建立。 该技术用于网络虚拟实验的开发具有开发速度快，界面美观视觉冲击效果强， 不需要安装，可直接在浏览器中进行操作，图形可无级放大不失真等特点。 这些特点都比较适合虚拟实验的开发和网上使用。 本虚拟实验室利用f l a s h 搭建虚拟实验场景，将实际应用中的电阻、电 容及运算放大器等用f l a s h 逼真地模拟出来，将f l a s h 生成的s w f 文件嵌入 到网页中，模拟逼真的实验环境。用户通过登陆网页，进入虚拟实验环境， 进行实验。 2 4 2m a t l a bw e bs e r v e r m a t l a b 是目前最流行的科学计算语言之一。它是一种高性能的科学计 算语言，它集计算、数据可视化和程序设计于一体，并能将问题和解决方案 以用户熟悉的数学符号表示出来。m a t l a bw e bs e r v e r 是m a t l a b 的具有网 络计算功能的核心工具包之一，通过它可以为远程用户提供m a t l a b 的计算 服务，即用m a t l a bw e bs e r v e r 实现客户一服务器的运算模式，极大地提高 编程效率和编程质量，缩短开发周期。在教学上，利用它建立远程虚拟实验 系统，避免了安装m a t l a b 软件和烦琐的程序输入与调试的局限性，能随时 随地的利用i n t e r n e t 方便快捷的进行远程交互的仿真实验，给教学、实验和 学习带来了很大的方便。 基于m a t l a bw e bs e r v e r 的远程虚拟实验室，用户通过浏览器向服务 器发送数据，服务器经过分析、计算，把结果( 数据或图片) 返回到客户端 的浏览器显示。其工作原理是：m a t l a bw e bs e r v e r 通过调用m a t w e b m 来处 理网页中隐含字段m l m f i l e 所指定的m 文件，在w e b 文件、m a t l a b 和m 文件 之间建立联系1 1 9 l 。利用m a t l a bw e bs e r v e r 开发远程虚拟实验室，要对 m a t l a bw e bs e r v e r 进行配置，其中包括m a t l a bw e b 服务代理的设置和 m a t l a bw e b 服务器的设置。 1 1 山东大学硕士学位论文 2 4 3d r e a m w e a v e rm x d r e a m w e a v e rm x 是创建专业网站的最佳途径，同时也是构建强大 i n t e r n e t 应用程序的最简便的途径。开发人员能在一个环境内快速创建和管 理网站及i n t e r n e t 应用程序。d r e a m w e a v e rm x 是一个完整、集成的解决方 案，可为用户提供可视化的布局工具、快速的w e b 应用程序开发以及广泛的 代码编辑支持。 使用d r e a m w e a v e r 制作网页时，分为三种方式：代码、拆分和设计，用 户可以根据自己的特点选择其中的方式。制作网页时，首先设置网页的框架， 对插入的图形和显示的文字进行布置，同时通过属性对图形和文字进行修改， 这时的网页已经图文并茂了，具有一定的效果了，对于虚拟实验室还要添加 表单，设定一隐藏区域， ，同时插入文本区域和按钮，此表单是实现交互式实验 的关键。 为了将虚拟实验室中各个网页构成一个有机的整体，必须将各个网页通 过超链接方式联系起来，这样才能够让浏览者在不同的页面之间跳转。实现 方法就是用鼠标选中需要变成链接的图片或者文字，然后在属性面板的 “l i n k ”输入框中输入需要跳转的目标页面地址，或者按下输入框旁边的文 件夹图标来选择需要跳转的文件。这样用户就可以在各个实验之间自由的跳 转了。 本章总结： 本章主要介绍了几种虚拟实验技术，用户可以根据不同的实验内容，选 择不同的虚拟实验技术，最后详细介绍了本远程虚拟实验室采用的虚拟技术。 山东大学硕士学位论文 3 基于m a t l a bw e bs e r v e r 的虚拟实验的研究 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司8 0 年代推出的科学计算软件，经过公司不断 完善和发展目前m a t l a b 成为涉及多科学、多领域的软件平台，其主要功能 包括数学计算及符号计算、数据分析与可视化等，m a t l a b 有丰富的工具箱， 许多领域的专家为m a t l a b 编写了各种工具箱，这些工具箱提供了用户在专 门领域所需的专业函数，这使得用户不必花大量时间编程，就可达到事半功 倍的效果。m a t l a b 还提供了一个图形化的用户仿真工具s i m u l i n k 更是为各 学科的科学研究提供强大的支持，真正实现不用编写代码就可以完成数学建 模、系统仿真等复杂工作。那么m a t l a b 是否能为w e b 服务器的计算提供 支持呢? 回答是肯定的。m a t h w o r k s 公司从m a t l a b6 0 开始提供网络服务， 使得使用者可利用网络传送数据给m a t l a bw e bs e r v e r ，借助m a t l a b 进 行计算，并在网页中获取计算结果或相应的图形结果，在此基础上可以进行 特定目的的应用程序开发。 本文的自动控制原理虚拟实验室正是利用了m a t l a bw e bs e r v e r 的原 理，借助m a t l a b 的强大的计算和图形功能来实现的。 3 1m a t l a bw e bs e r v e r 的工作原理 3 1 1 基于m a t l a bw e bs e r v e r 的虚拟实验系统工作模式 应用程序的开发由最初的单机应用，发展到后来的以c l i e n t s e r v e r ( c s ) 模式为主的分布式模式应用。之后，随着w e b 的普及，采用b r o w s e r s e f v e r ( b s ) 模式的应用便开始涌现。b s 模式的最大优点是它将应用程序部署在w e b 服 务器端，从而能够创建跨平台的应用。服务器端的应用程序使用w e b 服务器 作为和客户端浏览器的接口，应用程序在w e b n a 务器上生成的h t m l 文档可 以被所有平台上的用户浏览。因此，b s 模式越来越得到重视，应用越来越广 泛，是i n t e r n e t 上开发应用程序基础工作模式。本文的基于m a t l a bw e b s e r v e r 的自动控制原理虚拟实验就是采用b s 的工作模式。 3 。1 2m a t l a bw e bs e r v e r 的工作原理 m a t l a bw e bs e r v e r 是m a t l a b 的一个可选组件，可以在m a t l a b 系统 1 3 山东大学硕士学位论文 本身安装的时候一起安装，也可以使用m a t l a bi n s t a l l e r 单独安装。m a t l a b w e bs e r v e r 主要有两部分组成，一部分是m a t l a bw e b 服务器，它实际上 是一个可执行的应用程序m a t l a b s e r v e r e x e ，是m a t l a b 应用程序运行的环 境；另一部分是w e b 服务代理，一个可执行程序m a t w e b e x e ，它将所有对 m a t l a b 的请求重定向到m a t l a b s e r v e r e x e 进行处理【22 1 。其原理结构图如图 3 1 所示。 图3 1m a t l a bw e b 应用原理结构图 由图3 1 可知，m a t l a bw e b 应用必须基于某一标准的w e b 服务环境，客 户端浏览器通过t c p i p 协议请求w e b 服务器中的文档，而m a t l a bw e b 服务 代理筛选所有的请求，如果是m a t l a bw e b 请求，则将其交由m a t l a bw e b 服务程序处理，否则由标准的w e b 服务器进行处理。在设置m a t l a bw e b 应用环境时，其中m a t l a bw e b 服务代理必须与系统的w e b 服务器安装在 同一台机器上，而m a t l a bw e b 服务程序可以和m a t l a bw e b 服务代理在 同一台机器中，也可以不在同一台机器中1 2 3 1 。 m a t l a bw e bs e r v e r 工作原理是：m a t l a bw e bs e r v e r 通过调用 m a t w e b m 来处理网页中隐含字段m l m f i l e 所指定的m 文件，在w e b 文件、 m a t l a b 和m 文件之间建立联系。其工作原理图如图3 2 所示。 1 4 山东大学硕士学位论文 图3 2m a t l a bw e bs e r v e r 的工作原理图 3 2 基于m a t l a bw e bs e r v e r 的虚拟实验开发的特点 利用m a t l a bw e bs e r v e r 开发虚拟实验的优点如下： 利用m a t l a bw e bs e r v e r 开发虚拟实验的最重要的好处是在客户端 无需安装m a t l a b 软件，用户便可以使用m a t l a b 的应用。任何一种 h t t p d 都可以运行m a t l a bw e bs e r v e r 的应用。 要进行所选择的实验或仿真，用户无须了解m a t l a b 和掌握m a t l a b 编程。许多公司就是利用了m a t l a bw e bs e r v e r 的这一特点，通过基于网络 的仿真和建模来推销他们的软件产品。 从教与学的角度看，m a t l a bw e bs e r v e r 节省了教师的时间、提高 了学生学习的积极性。学生可以利用课下的时问进行实验，巩固所学知识。 从技术的角度看，有价值的是，m a t l a bw e bs e r v e r 的应用是独立于 服务器端的操作系统的。客户不必维护这些应用，只需在服务器端进行维护 和升级即可。也无须任何插件。 可以通过标准的h t t p 协议使用m a t l a b 应用。这样，不仅可以通过 山东大学硕士学位论文 w e b 浏览器，而且也可以通过其它的使用这一协议的软件建立与m a t l a b 的 联系。因此，有可能将j a v a a p p l e t 和a c t i v e x 嵌入h t m l 文件中作为独立 的应用。 使用m a t l a bw e bs e r v e r 的不足如下： 使用m a t l a bw e bs e r