基于Internet的远程实验室研究与实现

论文摘要

远程实验室建设在解决目前高校在校学生数量大幅增加而实验经费紧张的矛盾、新实验教学模式探索、贵重实验设备共享、以及不同大学或者研究单位之间跨城市或者跨国家合作等方面都具有重大意义,尤其是当前计算机的普及和Internet的广泛应用,已经为远程实验室的建设奠定了很好的基础。因此,国内外许多大学和研究机构都在研究远程实验室的工作机制、关键技术,并且建立了一些示范性的实验室,有些实验室已经投入使用,实际应用表明效果良好。目前的远程实验室研究仍然处于研究和探索阶段,对远程实验室应该具有的功能、远程实验的交互方法、管理和维护方法、体系结构、设备和网络安全等方面的需求有待深入研究和实践,鉴于远程实验室具有的重要意义,本文首先综述了目前国内外有关远程实验室的研究现状;然后在将远程实验室与传统的真实实验室、虚拟实验室进行比较后,阐述了远程实验室的优缺点,分析了远程实验室应该具备的功能,给出了远程实验室的系统结构以及远程实验的一般步骤;在此基础上,设计并实现了以过程控制实验装置为对象的基于Internet的远程过程控制实验室系统,该系统使用LabWindows/CVI开发了远程实验服务器(RLab Server)端软件,可为远程实验提供常规PID控制、模糊控制、模糊自适应整定PID控制、基于BP神经网络整定PID控制、串级控制等五种控制方法,具有运行平稳、易于扩展新的实验的特点;使用Java Applet开发了客户端软件,可实现远程液位单闭环实验、压力单闭环实验、温度单闭环实验、双容液位单闭环实验、上下水箱组成的串级控制实验,可在线进行实验结果分析与评价,也可支持离线数据分析,具有人机交互良好、实验操作简单、实验过程显示直观等特点;使用JMF开发了视频服务器(Video Server)端软件,实现了视频图像的远程实时传输,增强了实验室环境的临场感。远程过程控制实验室系统经测试表明它能够满足过程控制实验的需要,系统具有易扩展、交互性好、操作简单、实验过程显示直观等特点。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 远程实验室的应用背景
• 1.3 远程实验室的研究现状
• 1.4 本文的主要工作和研究内容
• 第二章 远程控制实验室的总体分析
• 2.1 引言
• 2.2 远程实验室的优缺点
• 2.3 远程实验室的功能需求
• 2.4 远程控制实验室系统体系结构
• 2.5 远程控制实验步骤
• 2.6 本章小结
• 第三章 远程过程控制实验室系统的总体设计
• 3.1 引言
• 3.2 远程过程控制实验室系统的硬件平台
• 3.3 远程过程控制实验室系统的软件设计
• 3.3.1 服务器端
• 3.3.2 客户端
• 3.4 远程过程控制回路形式
• 3.5 本章小结
• 第四章 远程实验代理服务器的开发
• 4.1 引言
• 4.2 LabWindows/CVI 简介
• 4.3 RLab Server 与7000 系列智能模块的通信
• 4.4 远程实验结果在线评价
• 4.4.1 性能指标
• 4.4.2 性能指标分析流程图
• 4.5 远程实验PID 控制算法的实现
• 4.5.1 PID 控制算法介绍
• 4.5.2 PID 控制算法的实现
• 4.5.3 RLab Server 端PID 控制算法测试结果
• 4.6 远程实验模糊控制算法的实现
• 4.6.1 模糊控制器的结构设计
• 4.6.2 精确量的模糊化过程
• 4.6.3 模糊规则的确定
• 4.6.4 清晰化
• 4.6.5 RLab Server 端的测试结果
• 4.7 远程实验模糊自适应整定PID 控制算法的实现
• 4.7.1 模糊自适应整定PID 控制器的结构设计
• 4.7.2 精确量的模糊化过程
• 4.7.4 模糊自适应整定PID 控制算法的编程实现
• 4.7.5 RLab Server 端的测试结果
• 4.8 远程实验基于BP 神经网络整定PID 控制算法的实现
• 4.8.1 BP 神经网络概述
• 4.8.2 基于BP 神经网络的单闭环液位PID 控制器的实现
• 4.8.3 RLab Server 端的测试结果
• 4.9 远程实验串级控制方法的实现
• 4.9.1 串级控制算法介绍
• 4.9.2 上下水箱液位组成串级控制系统的实现
• 4.10 本章小结
• 第五章 远程实验操作界面的开发
• 5.1 引言
• 5.2 Java 及Java Applet 简介
• 5.3 客户端远程实验操作界面的设计
• 5.4 客户端与RLab Server 的通信
• 5.5 网络视频图像的实现
• 5.5.1 Java 媒体框架（JMF）
• 5.5.2 视频服务器端（Video Server）功能实现
• 5.5.3 客户端视频功能实现
• 5.6 远程过程控制实验系统的测试结果
• 5.6.1 远程液位单闭环控制实验
• 5.6.2 远程压力单闭环控制实验
• 5.6.3 远程温度单闭环控制实验
• 5.6.4 远程双容液位单闭环控制实验
• 5.6.5 远程上下水箱液位组成的串级控制实验
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与后续工作
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 后续工作
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士期间发表的文章