基于LabVIEW的虚拟电力电子实验的

基于LabVIEW的虚拟电力电子实验的研究学生姓名：牛智博导师姓名：魏克新目录1.课题的研究目的和意义2.国内外研究现状分析3.目前国内外研究所存在的问题4.研究内容5.研究目标及拟解决的关键问题6.拟采取的研究方案及可行性分析7.课题的研究特色与创新之处8.预期研究成果9.预计研究过程中可能遇到的困难和问题以及解决的措施10.研究条件及计划安排课题的研究目的和意义目的：•虚拟实验通过软件将计算机硬件资源与软件资源有机的融合为一体，从而把计算机强大的数据处理能力和仪器的测量、控制能力结合在一起。•虚拟实验通过软件对数据进行显示、存储以及分析处理，其中软件成为整个系统的关键，硬件仅仅为了解决信号的输入、输出，任何一个使用者都可以通过修改软件，很方便地改变、增减系统的功能和规模。•虚拟实验技术引人实验教学中，既可降低实验设备成本又可改善教学实验条件，同时有助于学生对知识的理解。课题的研究目的和意义意义：•实验是教学环境中一个必不可少的过程，尤其是对于电力电子类等实践性很强的专业，实验教学环节更是至关重要。•虚拟实验代表了以传统硬件为主的仪器系统向以软件为主的系统的根本性转移。•虚拟实验能仿真整个测试系统并能实现数据的拾取、存储、处理、分析一条龙操作。国内外研究现状分析国外现状：•美国卡耐基－梅隆大学的虚拟实验，将计算机控制的示波器、函数发生器等设备连接到网络，实现了学生远程的控制与操作。•麻省理工学院同微软公司合作推出I－Lab项目，项目的内容是建设多学科的虚拟实验室，项目的目的是研究基于虚拟实验室的科学与工程学科的新型教育框架。•新加坡国立大学允许用户通过Internet进行远程实验，使得用户可以按照自己的安排在任何时间和任何地方进行实验，而需要很少的空间和人力来维护，也可以实现昂贵的实验设备的共享。国内外研究现状分析国内现状：•北京大学计算机系设计的基于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。•中国科学技术大学的大学物理虚拟实验室把虚拟实验用在教学演示与物理实验方面，是全国第一套真正意义上的虚拟实验教学软件。•南京大学建立的分析化学大型仪器虚拟实验室，可以在虚拟实验室中对实验仪器虚拟操作。目前国内外研究所存在的问题1.国内外在虚拟实验室方面的研究取得了一定的进展，但还没有大规模的应用案例。2.目前国内外在虚拟仿真实验室方面也取得了一定的成果，但其主要用于校园网内部使用，基于互联网的远程实验少。3.电力电子类的仿真实验不具有友好的用户界面，是本课题要解决的一个主要问题。4.大多数虚拟实验平台都是纯虚拟仿真平台，其实验结果都是基于对理想模型的返回结果，而不是一个真实的实验系统真实数据的返回结果，这样不利于学生去理解真实物理世界的实际实验结果。研究内容1.研究基于软件工程理论的网络虚拟实验室整个系统的面向组件的设计的需求分析。2.研究基于电力电子实验连线过程的所有连线方式，并根据形式语言自动机中的确定型有限状态自动机理论来研究学生连线的正误，使系统处于动态响应的状态下工作。3.研究数据采集卡采集真实的物理实验的方法，并研究计算机对采集信号的数字滤波的处理方法。4.研究网络虚拟实验室中网络结构：对B/S和C/S两种网络结构的特点进行研究和比较，然后研究TCP/IP、UDP或DATASOCKET等网络协议的利弊，选择适合的协议完成网络的客户端和服务器端之间数据传递。研究目标及拟解决的关键问题研究目标：1.系统分析部分：从系统层次上采用面向组件的设计分析系统中各个部分之间的关系，并为以后再次开发留下相应的接口和程序的重复使用。2.软件部分：操作虚拟仿真界面，模拟整个实验中学生需要连线操作的部分，并实现有限状态自动机的方法来进行数学描述。3.硬件部分：通过数据采集卡采集真实的实验数据，并将实验数据返回到虚拟实验主界面，用于学生进行仿真结果和真实的实验结果的比较。4.网络链接部分：基于TCP/IP或UDP协议，或DATASOCKET等协议进行研究，找出适合网络虚拟实验室的链接方案。研究目标及拟解决的关键问题拟解决的关键问题：1.用有限状态自动机的方法来动态判断实验连线的正误。2.用图论的最大匹配生成算法（匈牙利算法）建立数学模型以表示存在的连线情况。3.数据采集卡对目标对象的采集以及采集过程中整个系统数据传递的实时性题。4.远程虚拟实验服务器的设计开发,服务器和客户端的通讯协议的问题。拟采取的研究方案及可行性分析研究方案：1.虚拟电力电子实验：建立系统的原型和设计用户界面，根据需求分析决定用户界面的基本动作，然后在后台采用形式语言自动机的理论计算用户操作的结果。2.后台仪器共享网络虚拟实验室：服务器与数据采集卡链接，接受客户端的实验请求后，用数据采集卡采集对应的实验的数据，经过数字滤波的处理，将实验结果返回服务器端，实现真实意义上的实验结果观察。3.远程控制网络虚拟实验室：研究网络TCP/IP或UDP协议，或DATASOCKET协议，并结合这3种协议实现程序，比较程序的执行效率和速度传递时间。4.系统的开发采用面向组件的开发方法，达到系统的高内聚性、松散耦合性和数据隐藏性。拟采取的研究方案及可行性分析网络虚拟实验室使用B/S/结构原理图可行性分析：实验室提供了良好的网络环境，并可提供开发所需要的软硬件条件等。国内许多大学已开发了各种虚拟实验室，可以让我们借鉴。客户端客户端客户端客户端WAN客户端网页浏览器LAN应用服务器DAQ设备仪器设备仪器设备仪器设备仪器设备课题的研究特色与创新之处课题的研究特色：1.不受时间和空间的约束。网络虚拟实验室，可以使用户在任何时间，任何地点通过互联网进行实验，因此更有利于学生合理地安排自己的学习计划。2.充分利用实验室资源。由于远程控制实验允许学生灵活地安排学习计划，因此可以充分发挥已有的实验设备的效用。3.基于互联网发布，实验共享支持多个学生同时在线做实验。4.基于对电力电子实验的真实操作过程的分析，虚拟到计算机来仿真连线的过程，使学生更能感觉是在真实的实验台前进行实验。课题的研究特色与创新之处创新之处：•全程模拟交流技术实验台学生连线操作的所有过程，结合形式语言自动机的理论和图论的相关理论来计算操作过程的正确性，并根据所对应的操作过程给出具体的操作历史数据，根据历史数据的显示，来重现操作过程，达到真实实验的目的。•在计算机编程考虑所有的连线连接结果，根据学生连线实验结果计算后的得出相应评判，达到老师指导的目的。•通过连接实际的硬件电路，得出真实的实验结果，从而使学生更好地理解和掌握所学的理论知识。预期研究成果1.在现有的实验室环境下建立基本的虚拟实验室。2.连接到互联网，实现学生不限制空间和时间的访问本实验室。3.研究出一种算法，反映系统的具体状态和系统内状态的转换，符合面向组件开发方法，并为再次开发留下接口。4.使用数据采集卡采集数据，真实反映实验的结果。预计研究过程中可能遇到的困难和问题以及解决的措施•基于软件工程理论对系统的分析的不深入，应该多与老师和同学沟通。•算法研究的理论性强，不易理解，以至于所花的研究时间过长或调试过程中的不可预期的错误。•软件应用不熟悉，特别是一些关键处理手段。•基于多用户客户端网络协议研究条件及计划安排1、为完成课题已具备和所需的条件及经费•计算机一台•LabVIEW软件授权一套•PCI6221数据采集卡一块•LabVIEW相关技术文档2、时间计划及进度安排•2007年11月～2008年1月:调研和收集资料•2008年1月～2008年2月:进行可行性探索,并针对系统进行相对应的知识学习•2008年2月～2008年3月:系统的模型的面向组件化分析，写出需求报告，并根据需求分析报告进行具体部分的细化•2008年3月～2008年6月:搭建系统的实验平台,并研究软件部分的实验算法，同时应用数据采集卡采集数据和分析数字滤波的方法•2008年7月～2008年8月:系统网络部分的实现，主要是研究C/S和B/S，和网络的协议，并实现基于某一协议的网络链接•2008年9月～2008年11月编写论文感谢各位老师指导!请老师多提宝贵意见!