基于LabVIEW的虚拟实验室的研究

毕业设计基于LabVIEW的虚拟实验室的研究姓名：学号：班级：专业：所在系：二扌旨导老师：基于LabVIEW的电力电子技术虚拟实验室的设计与实现摘要实验在普通高等教育中占有非常重要的地位，是对学生进行素质教育的一个重要环节。随着计算机技术、网络技术、多媒体技术、以及虚拟仪器技术的发展，虚拟实验室应运而生。访问者只需拥有一台可连接到Internet的电脑就可以不受时间地域的限制完成实验，同时虚拟实验可减少实验设备的开销，节省人力物力。虚拟实验作为传统实验的一个必要的有益补充，既能节约大量的教育经费，也使实验在时间和空间上得到有效的延伸。它在教育、科研等领域中具有广阔的应用前景，是实验教学的一个新的发展方向，是当前研究的热点课题之一。因此，虚拟实验室的构建具有重要的现实意义。论文分别从基础理论、技术方法和应用开发三个层面对虚拟实验室的构建做了比较全面的研究，着重研究了虚拟实验室的理论架构、建模方法以及关键技术，并在此基础上构建了“电力电子虚拟实验室”。本文着重于适应教学需求这一角度，利用LabVIEW和MATLAB软件从基础理论、技术方法和应用开发三个层面对虚拟实验室的构建做了比较全面的研究，着重研究了虚拟实验室的理论架构、建模方法以及关键技术，并在此基础上构建了“电力电子虚拟实验室”。并以三相桥式可控整流电路实验为例，通过实验增加了学生做实验的兴趣，同时也提高了教学质量。关键词：虚拟实验室；LabVIEW；电力电子PowerelectronictechnologybasedonLabVIEWdesignand

implementationofVirtualLaboratoryAbstractExperimentteachinghasbeenplayinganincreasinglyimportantroleinhigheducation.It'sakeymeasuretoimprovethestudents'ability.VirtualLaboratoryappearswiththedevelopmentofcomputertechnique,Networktechnology,multimediatechnologyandVirtualInstrumenttechnique.VisitorsneedonlyhaveaconnectiontotheInternetcomputercannotsubjecttogeographicallimitationsoftimetofinishtheexperiment,atthesametime,thevirtualexperimentexperimentalequipmentcanreducecosts,savemanpowerandmaterialresources.Asanessentialandbeneficialsupplementtothetraditionalexperiment,virtualexperimentsnotonlysavealotofeducationfunds,butalsoextendtheexperimentsintimeandspaceeffectively.Ithasthevastappliedforegroundintheeducationandresearchrealm.VirtualLaboratoryisanewdevelopmentdirectionoftheexperimentteachingaswellasanactiveresearchtopicrecently.Therefore,thedevelopmentofthevirtuallaboratoryofnetworkisverynecessary.Thisthesisdiscussesontheconstructionofvirtuallaboratoryfromtheoreticalresearch,technologicalrouteandapplicationdevelopment.Ithas,emphatically,discussedrelevanttheories,modelingmethodsandkeytechnologiesofvirtuallaboratory,Accordingtotheoryframework,modelingmethodsandtechnologicalschemementionedabove,anintelligent"theVirtualLaboratoryforPowerElectricExperiment",isconstructed.Thispaperfocusesontheteachingdemandofthispointofview,theuseofLabVIEWandMATLABsoftwarefromthebasictheory,technologyandapplicationdevelopmentthreeaspectsoftheconstructionofavirtuallaboratorytodoamorecomprehensivestudy,focusesonthestudyofVirtualLaboratoryofthetheoreticalframework,modelingmethodsandkeytechnologies,andonthebasisofconstructingthe"powerelectronicvirtuallaboratory".Andtothethree-phasebridgecontrolledrectifiercircuitexperimentasanexample,throughtheexperimentalincreasestudentsinterest,andalsoimprovethequalityofteaching.Keywords:VirtualLaboratory；LabVIEW；PowerElectric目录第一章绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1虚拟实验和虚拟实验室„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1国内外虚拟实验室的发展与现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1国外虚拟实验室的发展与现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1国内虚拟实验室的发展与现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1国内外研究现状存在的问题„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2电力电子虚拟实验室开发与研究的背景和意义„„„„„„„„„„„„„2本文主要研究内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3第二章虚拟实验室的开发环境介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„5概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5虚拟仪器技术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5虚拟仪器的定义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„52.2.2虚拟仪器的硬件平台„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„62.2.3虚拟仪器的应用软件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7虚拟仪器的功能及特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„72.3.1虚拟仪器的功能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7虚拟仪器的特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8开发平台介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„92.4.1LabVIEW简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„92.4.2LabVIEW应用程序的构成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„102.4.3LabVIEW的操作模板„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„112.4.4LabVIEW的主要特性„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13第三章虚拟实验室的系统结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15硬件结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15网络虚拟实验室结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15本地实验室系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15软件结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16混合编程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16三层结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20网络结构及网页发布„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21网络结构采用B/S结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21网页发布„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22系统管理与操作流程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23第四章电力电子虚拟实验室系统的设计与实现„„„„„„„„„„„„25虚拟实验室的实现方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25虚拟实验室各模块实现„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25用户界面模块的实现„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26仿真计算模块的实现„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28通信管理模块的实现„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29规则审查模块的实现„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29数据库管理模块„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29电力电子虚拟实验室的网络发布„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30虚拟实验室应用实例„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30三相桥式可控整流电路的实验原理„„„„„„„„„„„„„„„31实验过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31第五章总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„36致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37#第三章虚拟实验室的系统结构硬件结构网络虚拟实验室结构系统采用BSDA(browser/server/database/application)结构，即客户端/服务器/数据库/应用程序结构，如图3.1所示。其中，网页服务器主要用于提供Web接入服务、用户认证管理、开放式交互实验环境的生成以及动态网页的生成；应用服务器主要用于控制和管理实验装置、采集和处理实验数据；数据库主要用于配合用户账户的管理、动态网页的生成以及实验数据的存储和管理。客户端只需安装浏览器与LabVIEW运行引擎即可通过Internet访问电力电子虚拟实验系统，选择实验，进行相应的操作，并且能实时观测实验过程，获取实验结果[10][11。]数据库WAN客户端客户端客户端实验装置实验装置实验装置实验装置网页服务器应用服务器客户端D数据库WAN客户端客户端客户端实验装置实验装置实验装置实验装置网页服务器应用服务器客户端D图3.1网络虚拟实验室结构Fig.3.1Thestructureofwebbasedvirtuallaboratory本地实验室系统本地实验室系统由应用服务器、数据采集卡、DSP开发系统、信号调理与保护电路、IGBT驱动板、IGBT整流桥及负载等组成，主要进行三相整流、逆变等实验。本地实验系统结构框图如图3.2所示。图3.2本地实验室系统结构框图Fig.3.2Locallaboratorysystem应用服务器配有数据采集卡，可采集和上传底层实验装置的实验数据，同时可以在相应界面上调整各个变量及参数，实时显示实验过程与结果，实现了对变量、参数与结果的可视化管理。实验装置采用基于DSP的数字控制，能方便地实现通信和控制功能。本地实验系统实现了模型仿真与实际电路的结合。用户可先在计算机上利用Simulink的函数库进行建模与仿真，仿真结果达到预期要求后，利用开发平台CCS将控制器算法转变为代码，下载到DSP开发系统，与实际的整流逆变装置连接，进行相应试验，检验算法的实际控制效果。此系统能够满足研究生与本科生中学有余力者进行综合性、研究性与设计性实验。软件结构混合编程目前,仿真软件的种类很多,各自具有其优点和不足之处，使用单一软件很难满足电力电子学这类复杂学科构建虚拟实验系统的要求。鉴于此，本文采用多软件混合编程技术，将各软件有机地结合起来,利用其各自的长处进行虚拟实验系统的构建。MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称，是是MathWorks公司为科学和工程计算而开发的高级交互式软件包，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。具有强大的计算、仿真、绘图等功能，以及丰富的工具箱，是控制领域仿真计算最通用的软件工具，而Simulink工具包提供了框图式的系统函数和电路元器件的模型，易于完成电力电子实验仿真。美国国家仪器公司NI开发的LabVIEW是一种图形化的编程语言，用于快速创建灵活的、可升级的测试、测量和控制应用程序。LabVIEW在界面开发、仪器连接控制及网络通信等方面具有很强的优势［12］。由于电力电子技术课程涉及的实验模型较为复杂，因此本系统结合上述两种技术的长处，采用LabVIEW和MATLAB混合编程构建了网络虚拟实验系统。基本功能MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematics、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以使用。基本应用MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作：（1）数值分析（2）数值和符号计算（3）工程与科学绘图（4）控制系统的设计与仿真（5）数字图像处理技术（6）数字信号处理技术（7）通讯系统设计与仿真（8）财务与金融工程（9）管理与调度优化计算MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。系统结构MATLAB系统由MATAB开发环境、MATLAB数学函数库、MATLAB语言、MATLAB图形处理系统和MATLAB应用程序接口(API)五大部分构成。MATLAB开发环境是一套方便用户使用的MATLAB函数和文件工具集，其中许多工具是图形化用户接口。它是一个集成的用户工作空间，允许用户输入输出数据，并提供了M文件的集成编译和调试环境，包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件编辑调试器、MATLAB工作空间和在线帮助文档。MATLAB数学函数库包括了大量的计算算法。从基本算法如加法、正弦，到复杂算法如矩阵求逆、快速傅里叶变换等。MATLAB语言是一种高级的基于矩阵/数组的语言，它有程序流控制、函数、数据结构、输入/输出和面向对象编程等特色。MATLAB图形处理系统使得MATLAB能方便的图形化显示向量和矩阵，而且能对图形添加标注和打印。它包括强大的二维三维图形函数、图像处理和动画显示等函数。MATLAB应用程序接口(API)是一个使MATLAB语言能与C、Fortran等其它高级编程语言进行交互的函数库。该函数库的函数通过调用动态链接库(DLL)实现与MATLAB文件的数据交换，其主要功能包括在MATLAB中调用C和Fortran程序，以及在MATLAB与其它应用程序间建立客户、服务器关系。特点高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等),为用户提供了大量方便实用的处理工具。优势(1)友好的工作平台编程环境。MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。(2)简单易用的程序语言。Matlab是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单,更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。（3）强大的科学计算机数据处理能力。MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。（4）出色的图形处理功能。MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。（5）应用广泛的模块集合工具箱。MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）实用的程序接口和发布平台。新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。（7）应用软件开发（包括用户界面）。在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。3.2.2三层结构[13][14]本虚拟实验系统在软件结构上可以分为三层，即仿真控制层、传输层与用户交互层，如图3.3所示。用户交互层仿真控制层图3.3三层结构

Fig.3.3Three-layerstructure1.仿真控制层本虚拟实验系统中，仿真控制层是中心环节，采用MATLAB/Simulink进行各实验模型的构建、仿真和计算，以确保模型运动的科学性和精确性。数字仿真实验需构建电力电子学仿真模型库，其中包括全部演示性实验的仿真电路。同时，通过传输层与LabVIEW环境中各相应变量建立关联。对于半实物仿真，试验者首先利用Simulink的函数库构建模型，进行系统仿真，再将控制器算法转变为代码，下载到DSP开发系统，与实物连接进行试验。2.用户交互层用户交互层的设计主要是采用NI公司的LabVIEW语言来完成的，为了能更好地显示控制效果，引入Flash软件完成各种动画嵌入到LabVIEW程序中。虚拟实验系统提供了元器件选择、电路搭建、参数设置、实时仿真和波形显示等功能，其界面友好、美观、使用方便。以“三相桥式可控整流电路”实验为例，实验者根据自己设计的方案在虚拟实验环境中选择所需的实验模块，用鼠标连线，搭建好电路，并设定参数，如图5所示。服务器解析客户端传送来的实验数据文件，根据规则库中的规则判断实验操作是否正确。如果所有的操作都正确，进入仿真计算模块，得出实验结果并将结果以虚拟示波器、动画等形式反馈给用户，否则，告知用户其操作有误。3.传输层[14]系统采用NI公司与MathWorks公司合作推出的工具包SIT（SimulationInterfaceToolkit来实现LabVIEW和MATLAB/Simulink之间的通信。在完成上述仿真模块与用户界面的创建后，通过该工具包提供的SITConnectionManager进行适当的设置建立通讯，同时建立LabVIEW环境中各相应变量与MATLAB/Simulink模型中输入输出变量的关联。运行时，两软件便可通过该通道进行通信。有了这一工具包，设计工程师们可以建立自定义的用户界面，以便交互式地验证Simulink模型，并轻松地将这些模型配置到实时硬件进行控制原型设计和硬件在环（hardware-in-the-loop）测试，最终节省产品上市时间。但如其名，它仅用于和Simulink通信，且为附加软件需额外购买。用户还可以在相应的界面上交互式地验证MATLAB/Simulink模型，并将这些模型配置到实时硬件系统进行控制原型的设计和硬件在环测试。网络结构及网页发布3.3.1网络结构采用B/S结构。B/S结构（Browser/Server，浏览器/服务器模式），是WEB兴起后的一种网络结构模式，WEB浏览器是客户端最主要的应用软件。这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。客户机上只要安装一个浏览器（Browser），如NetscapeNavigator或InternetExplorer，服务器安装Oracle、Sybase、Informix或SQLServer等数据库。浏览器通过WebServer同数据库进行数据交互。B/S结构的作用B/S最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，只要有一台能上网的电脑就能使用，客户端零维护。系统的扩展非常容易。B/S结构的使用越来越多，特别是由需求推动了AJAX技术的发展，它的程序也能在客户端电脑上进行部分处理，从而大大的减轻了服务器的负担；并增加了交互性，能进行局部实时刷新。B/S架构软件的优势与劣势（1）维护和升级方式简单。目前，软件系统的改进和升级越来越频繁，B/S架构的产品明显体现着更为方便的特性。对一个稍微大一点单位来说，系统管理人员如果需要在几百甚至上千部电脑之间来回奔跑，效率和工作量是可想而知的，但B/S架构的软件只需要管理服务器就行了，所有的客户端只是浏览器，根本不需要做任何的维护。无论用户的规模有多大，有多少分支机构都不会增加任何维护升级的工作量，所有的操作只需要针对服务器进行；如果是异地，只需要把服务器连接专网即可，实现远程维护、升级和共享。所以客户机越来越“瘦”，而服务器越来越“胖”是将来信息化发展的主流方向。今后，软件升级和维护会越来越容易，而使用起来会越来越简单，这对用户人力、物力时间、费用的节省是显而易见的，惊人的。因此，维护和升级革命的方式是“瘦”客户机，“胖”服务器。（2）成本降低，选择更多。大家都知道windows在桌面电脑上几乎一统天下，浏览器成为了标准配置，但在服务器操作系统上windows并不是处于绝对的统治地位。现在的趋势是凡使用B/S架构的应用管理软件，只需安装在Linux服务器上即可，而且安全性高。所以服务器操作系统的选择是很多的，不管选用那种操作系统都可以让大部分人使用windows作为桌面操作系统电脑不受影响，这就使得最流行免费的Linux操作系统快速发展起来，Linux除了操作系统是免费的以外，连数据库也是免费的，这种选择非常盛行。比如说很多人每天上“新浪”网，只要安装了浏览器就可以了，并不需要了解“新浪”的服务器用的是什么操作系统，而事实上大部分网站确实没有使用windows操作系统，但用户的电脑本身安装的大部分是windows操作系统。（3）应用服务器运行数据负荷较重。由于B/S架构管理软件只安装在服务器端（Server）上,网络管理人员只需要管理服务器就行了，用户界面主要事务逻辑在服务器（Server）端完全通过WWW浏览器实现，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现，所有的客户端只有浏览器，网络管理人员只需要做硬件维护。但是，应用服务器运行数据负荷较重，一旦发生服务器“崩溃”等问题，后果不堪设想。因此，许多单位都备有数据库存储服务器，以防万一。网页发布网页发布利用LabVIEW自带的网页发布功能，直接在Web服务器端生成嵌入实验平台的WWW网页，在网页服务器端生成嵌入实验平台的网页，客户端只需要安装LabVIEW运行引擎就可以通过浏览器远程访问网络虚拟实验室，服务器端接受客户端发送的实验请求，分析和处理实验参数，经过仿真、计算后将结果返回给客户端。LabVIEW为用户提供了一种简单的，通过网络来访问远程VI的方法，实现客户端远程访问本机VI，即使客户端没有安装LabVIEW，或是没有硬件资源，也可以运行本机上的VI。本机上的VI的前面板对于客户端来说，就像是Web页上嵌入的图像。1.Web发布工具单击VI前面板，选择Web发布工具，该对话框类似于向导程序，指导用户创建HTML文件和嵌入式VI前面板图像。在VI名称中选择要发布的VI,通过点击下拉框＞＞浏览选择，当需要发布VI已经打开时，则可以直接选择该VI。在查看模式中选择客户端远程访问VI前面板的不同效果，有以下几个选项。嵌入：嵌入VI的前面板，客户端可通过浏览器远程查看和控制前面板快照：客户端可以在浏览器中的查看前面板的静态图像，但不能控制前面板。显示器：客户端可以在浏览器中查看前面板连续更新的动画快照，但不能控制前面板。在预览框中预览将要生成的Web页。如果点击了在浏览器中预览，则可以在本地默认浏览器上浏览Web页。如果LabVIEW服务器未运行，则该选项会被禁用。另外，本机必须启动Web服务器后，客户端才可以查看和控制VI。以上三部分在Web发布工具对话框的每个页面上都出现。在选择HTML输出中，可以对客户端访问的Web页内容作进一步的设置。文档标题：设置作为Web页标题的文本。页眉：设置在前面板图像上方显示的文本。页脚：设置在前面板图像下方显示的文本。在保存新Web页中，对Web页的保存进行设置。Web页的保存目录：创建HTML文件的文件夹，通常为Windows的LabVIEW\www目录。文件名：HTML文件的文件名。URL：文档的网络地址。2•使用浏览器访问Web页在网页浏览器里键入Web页的地址，即可打开页面。注：VI必须在服务器计算机的内存中，也就是必须在本机上打开VI，同时，在Web发布工具对话框的查看方式中选择嵌入，客户端才能查看和控制前面板。3.4系统管理与操作流程系统共有三种用户身份：系统管理员、教师和学生。各用户在系统中的作用和所具有的权限不同。管理员负责用户管理、实验管理、资源和数据的管理、论坛管理及页面的更新与维护等。用户管理包括对学生和教师的管理。实验管理可以保证学生与教师用户对虚拟实验室的正常访问，同时也保证了虚拟实验室的安全性。资源和数据管理包含教学资源和实验报告的管理。教师具有添加、修改、删除实验；编辑用户指南(包括虚拟实验系统操作方法，实验内容、实验设备、实验步骤等)；查看学生的实验结果，批改实验报告，发布成绩等权限。

教师还可以通过论坛和学生交流，对其进行在线指导。学生登录后，可以进行多种操作，包括进入用户指南，学习系统的操作方法和相关的理论、实验指导；进行虚拟实验；进入论坛，与教师和其他同学讨论实验或学习过程中遇到的问题；查看教师对自己已做实验的评价等。系统操作流程如图3.4所示。开始注册登录Y身份验证N结束实验项目管理用户指南历史记录评价论坛退出教师图3.4虚拟实验系统操作流程Fig.3.4Operationprocessofvirtuallaboratory开始注册登录Y身份验证N结束实验项目管理用户指南历史记录评价论坛退出教师图3.4虚拟实验系统操作流程Fig.3.4Operationprocessofvirtuallaboratory虚拟实验操作提交实验报告成绩查询学生第四章电力电子虚拟实验室的设计与实现虚拟实验室实现方法本虚拟实验室的开发主要是在虚拟仪器软件LabVIEW的开发环境下，结合不同的专业仿真软件，采用面向对象的模块化、可重用建模方法，对它们进行图像建模和数学建模，完成对真实实验的仿真，模拟实验的全过程。在上述方法的基础上，完成了电力电子典型实验的开发，利用虚拟仪器开发软件LabVIEW和仿真软件Matlab分别完成仿真虚拟实验室系统中各模块的设计，包括用户界面模块、通信管理模块、规则审查模块、仿真计算模块以及数据库管理模块。下面对开发工具的选择进行简要介绍：选用LabVIEW作为数据通信、图形化用户操作界面开发的工具，因为：作为一种图形化语言，可以提供一个友好的用户图形界面；具有丰富的接口，可以对Matlab进行集成；具有较好的网络通信功能，易于实现网络化。选用Matlab/Simulink作为数学和计算引擎，因为：Matlab具有十分完善而强大的科学计算能力，而且简单易用，是控制领域仿真计算最通用的软件工具；Simulink工具包提供了框图式的系统函数和电路元器件的模型，易于完成电力电子实验仿真；Matlab可以运行于各种操作系统，并具有丰富的接口，可以方便地集成到其他编程语言中［15］。虚拟实验室系统各模块的实现虚拟实验室系统可以划分为用户界面模块、通信管理模块、规则审查模块、仿真计算模块和数据库管理模块，如图4.1。下面详细叙述各个模块的实现过程。虚拟实验室用户界面模块通信管理模块规则审查模块仿真计算模块藪据库管理模块用户界面模块通信管理模块规则审查模块仿真计算模块藪据库管理模块图4.1虚拟实验室系统的组成模块Fig.4.1Virtuallaboratorysystemcompositionmodules4.2.1用户界面模块的实现。一个完善的网络虚拟实验室系统应具有完备的安全验证体系，使实验系统资源的维护和管理更加安全。进入实验室系统之前，学生初始用户名和密码分别是姓名和学号，试用者可以使用1和1登陆，用户登陆后可以修改密码。用户认证系统流程图如图4.2所示。图4.2用户认证系统流程图Fig.4.2Userauthenticationsystemflowchart用户登录界面的实现是利用LabVIEW形象的用户控件设置的，其实现框图如图4.3所示。

图4.3用户登录框图Fig.4.3Userslogondiagram在登录模块中验证用户是否合法是关键，通过一个不断循环的While结构来对比用户输入的与数据库中的用户名和密码是否匹配。若不匹配，则提醒用户重新输入；如果匹配，则用户可以进入实验系统进行实验。当用户登录成功后，若想对其密码进行修改，只需点击密码修改按钮，便可进入密码修改界面。连续两次输入，若相同，则显示修改成功并将其作为新的密码；若不同，则要求用户重新输入。也可以放弃本次修改。修改完毕后可以直接进入仿真平台，也可以退出该系统。框图程序如图4.4所示。图4.4修改密码框图程序Fig.4.4Cipheramendingblockdiagram仿真计算模块的实现一个实验项目仿真计算模块的实现包括仿真模型的搭建，模型参数、仿真参数的设置及仿真结果的显示三个步骤，最后以.mdl文件的格式保存[16][17]。下面对其进行具体介绍。1.在Simulink环境下进行仿真模型的搭建，如图4.5所示。图4.5三相桥式全控整流电路仿真模型Fig.4.5Three-phasebridgetypeallcontrolsimulationmodelrectifiercircuit.首先建立一个仿真模型的新文件。在Matlab的菜单栏上点击File，选择New，再在弹出菜单中选择Model，这时出现一个空白的仿真平台，在这平台上可以绘制电路的仿真模型。提取电路元器件模块。在仿真模型窗口的菜单栏上点击图标调出模型库浏览器，在模型库中提取适合的模块放到仿真平台上。组成三相桥式整流电路的主要元器件有交流电源、晶闸管、RLC负载等。将电路元器件模块按电路原理图连接起来组成仿真电路。将元器件移动到合适的位置，将光标箭头指向需移动的元器件，按住鼠标左键将元器件移动到指定位置。连接模块只需要以光标移向模块的输出端，以左键点住并移动鼠标即可拖出一条连线，将连线拉到另一元器件的输入端，松开鼠标即完成一条接线。设置模型参数设置模型参数是保证仿真准确和顺利的重要一步，有些参数由仿真任务规定，如仿真中的电源电压、电阻值等，有些参数需要通过仿真来确定。设置模型参数可以双击模块图标弹出参数设置对话框，然后按框中提示输入。模型仿真在模型开始仿真前必须先设置仿真参数。在菜单中选择Simulation，在下拉菜单中选择Simulationparameters，在弹出的对话框中可设置的项目很多，主要有开始时间、终止时间、仿真类型，以及相对误差、绝对误差等。步长、解法和误差的选择对仿真运行的速度影响很大，步长太大计算容易分散，步长太小运算时间太长，在难于确定时一般可选可变步长，仿真数值计算方法可选ode15、ode23、ode45等，误差选择1/1000对于电力电子电路的仿真精度来说是足够了。在参数设置完毕后开始仿真。在菜单Simulation下选择Start,在屏幕下方的状态栏上可以看到仿真的进程。在仿真计算完成后即可以通过示波器来观察仿真的结果。通信管理模块的实现系统采用NI公司与MathWorks公司合作推出的工具包SIT(SimulationInterfaceToolkit来实现LabVIEW和MATLAB/Simulink之间的通信。如3.3.2所述。规则审查模块的实现用户开始实验后，客户端将实验数据传给服务器。服务器规则审查模块对数据文件进行解析，根据规则库中的规则判断实验操作是否正确。若所有操作都正确，进入仿真计算模块得出实验结果；否则，向用户返回错误信息。定制型实验是按照教学要求，根据已设计好的电路和指定的芯片，由用户根据实验指导教师提供的操作步骤进行实验。这类实验的元器件、电路、实验过程是固定的，用户只需要连接指定元器件，然后输入器件参数，开始实验。对于这类实验而言，实验元器件、操作步骤和实验结果都是可预知的。因此，可以将规定实验中的每个实验进行编号，将该实验中使用的元器件、个数、连接方法以及操作步骤都以规则的形式进行描述，所有规定实验的规则组织在一起，形成规则库。用户进行规定实验时，服务器解析客户端传送来的实验数据文件，并将已知事实放入事实数据库。然后在规则库中搜索规则，进行匹配，如果匹配成功，说明操作正确；否则，可以提示用户哪些步骤有错误。数据库管理模块数据库的管理在虚拟电力电子实验室中主要就是指对实验报告的生成与管理。实验报告是非常重要的一个实验教学环节，它不仅要简要说明实验内容、原理、使用元件仪器、实验电路，还要记录实验中测试的数据、观测的信号波形等信息，同时还要对实验结果等进行相应的计算、判断和分析。1.实验报告的生成在实验过程中，用户可随时调出实验数据记录界面，根据实验的情况填写有关数值，同时代替人工记录有关仪器的指示数值和信号波形等。由于每个虚拟实验都有一个预先设计好的实验报告模板，用户完成实验后，系统会把这个模板发送给客户端，系统根据在实验过程记录的数据、波形等信息，并进行必要地分析计算，按照模板要求自动产生规范化的实验报告。为了方便可能的编辑、修改和打印，实验报告输出保存为标准的Word文件格式。最后，用户将实验报告提交后,系统会根据用户在实验中的操作情况将实验报告发送给相应的任课老师进行批阅。实验报告生成流程如图4.6所示。Fig.4.6Experimentreportgenerationflowchart2.实验报告的管理实验报告管理模块实际上是一个基于Web的数据库管理系统。实验报告的管理与使用分三级用户：管理员、教师、学生。这三级用户拥有不同等级的权限。管理员用户用于建立、修改或删除其他两级用户；对系统的管理，包括对教师用户和学生用户的账号的管理以及对系统的日常维护。教师用户用于设计实验课题、管理实验报告、学生名单以及批阅实验报告。学生用户只能用于查阅实验报告评语或提交实验报告。每一个学生都有自己不同的标识，教师可以通过网络调阅、批改学生的实验报告，甚至检查被记录下的实验电路状态等，为实验的管理提供先进的手段。电力电子虚拟实验室的网络发布如3.3.2所述，利用LabVIEW自带的网页发布功能。虚拟实验室应用实例本文以三相桥式可控整流电路实验为例，说明基于LabVIEW的电力电子虚拟实验室的实验流程。

三相桥式可控整流电路实验原理晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图4.7的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT］、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为vt4、vt6、vt8。编号如图所示，晶闸管的导通顺序为VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。图4.7三相桥式可控整流电路原理图Fig.4.7Threephasebridgecontrolledrectifiercircuitdiagram实验过程用户注册与登录可以点击“注册”，进行个人信息注册，系统自动将注册信息保存在服务器数据库中，如图4.8所示。Fig.4.8virtualelectricianlaboratorylandinginterface点击登陆按钮，即出现如图4.9所示的模式对话框，在该模式对话框下可选择进入系统平台、修改密码或者退出该系统。

图4.9选择窗口Fig.4.9selectionscreen电路仿真（1）进入simulink仿真界面，在编辑窗口显示如图4.10所示的三相桥式可控整流电路的模型。图4.10三相桥式可控整流电路的模型Fig.4.10Threephasebridgecontrolledrectifiercircuitmodel'■.'oHages图4.10三相桥式可控整流电路的模型Fig.4.10Threephasebridgecontrolledrectifiercircuitmodel'■.'oHages2）了解图4.10电路模型中各元件上需设定的参数：交流电源V峰值（peakamplitude,V）=141.4V（有效值为100V）,相位（phase，deg）=0频率（Frequency，Hz）=50交流电源Vb：峰值（peakamplitude,V）=141.4V（有效值为100V）,相位（phase，deg）=-120频率(Frequency,Hz)=50交流电源Vc：峰值(peakamplitude,V)=141.4V(有效值为100V),相位(phase，deg)=120频率(Frequency,Hz)=50同步6脉冲发生器：在输入端alpha_deg上给定控制角a(单位角度)：晶闸管变换器(ThyristorConverter)为三相全控整流桥形式，有同步6脉冲发生器提供触发脉冲。负载中的RLC串联支路load:电阻值(resistance,ohms)=10电感量(inductance,H)=0电容量(capacitance,F)=inf测试电阻负载时，整流电路的工作特性负载设定参数与(2)中设定相同。在a=0°、30°、90°时记录示波器pulse给出的触发脉冲波形和voltage给出的负载电压电流等波形，及显示单元上的Ud2(负载上电压平均值)上显示的值。将不同控制角时得到的Ud1与理论计算的结果相比较，并根据史册的数据画出电阻负载时移相控制特性曲线叮/1(a)。注意：a变化时只需改变同步6脉冲发生器输入端alpha_deg上给定的控制角a。测试阻感负载时，整流电路的工作特性。在负载参数中设定：电感量(inductance，H)=0.5。使之成为阻感负载。在a=0°、30