1、基于LabVIEW的虛擬電力電子實(shí)驗(yàn)的研究,學(xué)生姓名： 牛智博 導(dǎo)師姓名： 魏克新,目錄,課題的研究目的和意義 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 目前國內(nèi)外研究所存在的問題 研究內(nèi)容 研究目標(biāo)及擬解決的關(guān)鍵問題 擬采取的研究方案及可行性分析 課題的研究特色與創(chuàng)新之處 預(yù)期研究成果 預(yù)計(jì)研究過程中可能遇到的困難和問題以及解決的措施 研究條件及計(jì)劃安排,課題的研究目的和意義,目的： 虛擬實(shí)驗(yàn)通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與軟件資源有機(jī)的融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和儀器的測量、控制能力結(jié)合在一起。 虛擬實(shí)驗(yàn)通過軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)以及分析處理，其中軟件成為整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，硬件僅僅為了解決信號(hào)的輸入、

2、輸出，任何一個(gè)使用者都可以通過修改軟件，很方便地改變、增減系統(tǒng)的功能和規(guī)模。 虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)引人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，既可降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本又可改善教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)有助于學(xué)生對知識(shí)的理解。,課題的研究目的和意義,意義： 實(shí)驗(yàn)是教學(xué)環(huán)境中一個(gè)必不可少的過程，尤其是對于電力電子類等實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)更是至關(guān)重要。 虛擬實(shí)驗(yàn)代表了以傳統(tǒng)硬件為主的儀器系統(tǒng)向以軟件為主的系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)移。 虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芊抡嬲麄€(gè)測試系統(tǒng)并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的拾取、存儲(chǔ)、處理、分析一條龍操作。,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析,國外現(xiàn)狀： 美國卡耐基梅隆大學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)，將計(jì)算機(jī)控制的示波器、函數(shù)發(fā)生器等設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生遠(yuǎn)程的控制與操作。

3、 麻省理工學(xué)院 同微軟公司合作推出ILab項(xiàng)目，項(xiàng)目的內(nèi)容是建設(shè)多學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)室，項(xiàng)目的目的是研究基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)與工程學(xué)科的新型教育框架。 新加坡國立大學(xué)允許用戶通過Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，使得用戶可以按照自己的安排在任何時(shí)間和任何地方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而需要很少的空間和人力來維護(hù)，也可以實(shí)現(xiàn)昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的共享。,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析,國內(nèi)現(xiàn)狀： 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)系設(shè)計(jì)的基于www的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室3WNVLAB就是一種支持大計(jì)算量和交互式的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的通用基本框架。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室把虛擬實(shí)驗(yàn)用在教學(xué)演示與物理實(shí)驗(yàn)方面，是全國第一套真正意義上的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。 南

4、京大學(xué)建立的分析化學(xué)大型儀器虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中對實(shí)驗(yàn)儀器虛擬操作。,目前國內(nèi)外研究所存在的問題,國內(nèi)外在虛擬實(shí)驗(yàn)室方面的研究取得了一定的進(jìn)展，但還沒有大規(guī)模的應(yīng)用案例。 目前國內(nèi)外在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室方面也取得了一定的成果，但其主要用于校園網(wǎng)內(nèi)部使用，基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)少。 電力電子類的仿真實(shí)驗(yàn)不具有友好的用戶界面，是本課題要解決的一個(gè)主要問題。 大多數(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)都是純虛擬仿真平臺(tái)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是基于對理想模型的返回結(jié)果，而不是一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)真實(shí)數(shù)據(jù)的返回結(jié)果，這樣不利于學(xué)生去理解真實(shí)物理世界的實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果。,研究內(nèi)容,研究基于軟件工程理論的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室整個(gè)系統(tǒng)的面向組件的設(shè)

5、計(jì)的需求分析。 研究基于電力電子實(shí)驗(yàn)連線過程的所有連線方式，并根據(jù)形式語言自動(dòng)機(jī)中的確定型有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)理論來研究學(xué)生連線的正誤，使系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)響應(yīng)的狀態(tài)下工作。 研究數(shù)據(jù)采集卡采集真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)的方法，并研究計(jì)算機(jī)對采集信號(hào)的數(shù)字濾波的處理方法。 研究網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)： 對B/S和C/S兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行研究和比較，然后研究TCP/IP、 UDP或DATASOCKET等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的利弊，選擇適合的協(xié)議完成網(wǎng)絡(luò)的客戶端和服務(wù)器端之間數(shù)據(jù)傳遞。,研究目標(biāo)及擬解決的關(guān)鍵問題,研究目標(biāo)： 系統(tǒng)分析部分：從系統(tǒng)層次上采用面向組件的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)中各個(gè)部分之間的關(guān)系，并為以后再次開發(fā)留下相應(yīng)的接

6、口和程序的重復(fù)使用。 軟件部分：操作虛擬仿真界面，模擬整個(gè)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生需要連線操作的部分，并實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的方法來進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。 硬件部分：通過數(shù)據(jù)采集卡采集真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)返回到虛擬實(shí)驗(yàn)主界面，用于學(xué)生進(jìn)行仿真結(jié)果和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。 網(wǎng)絡(luò)鏈接部分：基于TCP/IP或UDP協(xié)議，或DATASOCKET等協(xié)議進(jìn)行研究，找出適合網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的鏈接方案。,研究目標(biāo)及擬解決的關(guān)鍵問題,擬解決的關(guān)鍵問題： 用有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的方法來動(dòng)態(tài)判斷實(shí)驗(yàn)連線的正誤。 用圖論的最大匹配生成算法（匈牙利算法）建立數(shù)學(xué)模型以表示存在的連線情況。 數(shù)據(jù)采集卡對目標(biāo)對象的采集以及采集過程中整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳

7、遞的實(shí)時(shí)性題。 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)服務(wù)器的設(shè)計(jì)開發(fā),服務(wù)器和客戶端的通訊協(xié)議的問題。,擬采取的研究方案及可行性分析,研究方案： 虛擬電力電子實(shí)驗(yàn)：建立系統(tǒng)的原型和設(shè)計(jì)用戶界面，根據(jù)需求分析決定用戶界面的基本動(dòng)作，然后在后臺(tái)采用形式語言自動(dòng)機(jī)的理論計(jì)算用戶操作的結(jié)果。 后臺(tái)儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室：服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集卡鏈接，接受客戶端的實(shí)驗(yàn)請求后，用數(shù)據(jù)采集卡采集對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)字濾波的處理，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)真實(shí)意義上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察。 遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室：研究網(wǎng)絡(luò)TCP/IP或UDP協(xié)議，或DATASOCKET協(xié)議，并結(jié)合這3種協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序，比較程序的執(zhí)行效率和速度傳遞時(shí)間。 系統(tǒng)

8、的開發(fā)采用面向組件的開發(fā)方法，達(dá)到系統(tǒng)的高內(nèi)聚性、松散耦合性和數(shù)據(jù)隱藏性。,擬采取的研究方案及可行性分析,網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室使用B/S/結(jié)構(gòu)原理圖 可行性分析：實(shí)驗(yàn)室提供了良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并可提供開發(fā)所需要的軟硬件條件等。國內(nèi)許多大學(xué)已開發(fā)了各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以讓我們借鑒。,課題的研究特色與創(chuàng)新之處,課題的研究特色： 不受時(shí)間和空間的約束。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以使用戶在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此更有利于學(xué)生合理地安排自己的學(xué)習(xí)計(jì)劃。 充分利用實(shí)驗(yàn)室資源。由于遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生靈活地安排學(xué)習(xí)計(jì)劃，因此可以充分發(fā)揮已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的效用。 基于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布，實(shí)驗(yàn)共享支持多個(gè)學(xué)生同時(shí)在線做實(shí)

9、驗(yàn)。 基于對電力電子實(shí)驗(yàn)的真實(shí)操作過程的分析，虛擬到計(jì)算機(jī)來仿真連線的過程，使學(xué)生更能感覺是在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。,課題的研究特色與創(chuàng)新之處,創(chuàng)新之處： 全程模擬交流技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)學(xué)生連線操作的所有過程，結(jié)合形式語言自動(dòng)機(jī)的理論和圖論的相關(guān)理論來計(jì)算操作過程的正確性，并根據(jù)所對應(yīng)的操作過程給出具體的操作歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的顯示，來重現(xiàn)操作過程，達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)的目的。 在計(jì)算機(jī)編程考慮所有的連線連接結(jié)果，根據(jù)學(xué)生連線實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算后的得出相應(yīng)評(píng)判，達(dá)到老師指導(dǎo)的目的。 通過連接實(shí)際的硬件電路，得出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而使學(xué)生更好地理解和掌握所學(xué)的理論知識(shí)。,預(yù)期研究成果,在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下建立基

10、本的虛擬實(shí)驗(yàn)室。 連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生不限制空間和時(shí)間的訪問本實(shí)驗(yàn)室。 研究出一種算法，反映系統(tǒng)的具體狀態(tài)和系統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，符合面向組件開發(fā)方法，并為再次開發(fā)留下接口。 使用數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，真實(shí)反映實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。,預(yù)計(jì)研究過程中可能遇到的困難和問題以及解決的措施,基于軟件工程理論對系統(tǒng)的分析的不深入，應(yīng)該多與老師和同學(xué)溝通。 算法研究的理論性強(qiáng)，不易理解，以至于所花的研究時(shí)間過長或調(diào)試過程中的不可預(yù)期的錯(cuò)誤。 軟件應(yīng)用不熟悉，特別是一些關(guān)鍵處理手段。 基于多用戶客戶端網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,研究條件及計(jì)劃安排,1、為完成課題已具備和所需的條件及經(jīng)費(fèi) 計(jì)算機(jī)一臺(tái) LabVIEW軟件授權(quán)一套 PCI6221數(shù)據(jù)采集卡一塊 LabVIEW相關(guān)技術(shù)文檔,2、時(shí)間計(jì)劃及進(jìn)度安排,2007年11月2008年1月:調(diào)研和收集資料 2008年1月2008年2月:進(jìn)行可行性探索,并針對系統(tǒng)進(jìn)行相 對應(yīng)的知識(shí)學(xué)習(xí) 2008年2月2008年3月:系統(tǒng)的模型的面向組件化分析，寫出需求報(bào)告，并根據(jù)需求分析報(bào)告進(jìn)行具體部分的細(xì)