基于Matlab的网络虚拟实验系统设计

基于ＭＡＴＬＡＢ Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｅｒ的虚拟实验室实现

本文提出了MATLAB Web Server 远程服务设计方案，并在研究MATLAB

Web Server 技术、M函数文件的结构、功能和设计方法的基础上，设计了一个“信号与系统”课程虚拟实验室系统，为计算机实验辅助教学提供了一种可行的解决方案。

关键词：远程虚拟实验；MATLAB Web Server；信号与系统

1 引言

“信号与系统”课程的特点是概念抽象，数学知识含量大，繁杂的数学公式推导及数学结果都使学生较难于理解，这就更加需要通过实验来帮助学生理解这些抽象概念。建立虚拟实验室是解决这一难题的很好的途径。开发“信号与系统”课程相关的计算机虚拟实验室，能充分利用宝贵的计算机资源为基础课程服务。

MATLAB Web Server是MATLAB的一个可选组件，允许工程人员将MATLAB应用程序通过Internet进行发布，使用者不用学会MATLAB，只要通过点击鼠标就可以访问MATLAB应用程序，获得计算的结果或相应的图形结果，特别适合于网络虚拟实验平台的开发。

本文以Browser/Server(B/S)模式的分布式网络结构，将应用程序MATLAB部署在WEB服务器端，从而达到跨平台的作用。服务器端的应用程序使用WEB服务器端作为和客户端浏览器的接口，应用程序在WEB服务器上生成的HTML文档可以给所在平台上的用户浏览，从而实现远程虚拟实验室。

2 基于MATLAB Web Server的远程虚拟实验技术

2.1MATLAB Web Server基本配置

首先采用Windows XP中自带的组件IIS5.0对计算机进行WEB服务器配置；建立虚拟目录/cgi2/bin和/icons，并把它们和WEB服务器主目录一起指向/matlab/toolbox/webserver/wsdemos。

安装程序在/matlab/webserver目录下创建一个matlabserver.conf文件。首次打开时，该文件只有一行“-m 1”，该参数表示允许同时运行的MATLAB 进程数，可以根据需要改变其数目。调用MatlabWeb Server，要事先对应用程序的信息表

机械电子工程二班 朱瑞 631224030230

1 重 庆 交 通 大 学

学 生 实 验 报 告

实验课程名称 计算机控制实验

开课实验室 交通装备与制造工程实训中心

学院 机电与汽车工程学院 年级 2012专业班 二班

学 生 姓 名 朱 瑞 学 号 631224030230

开 课 时 间 2014 至 2015 学年第 二 学期

总 成 绩

教师签名

批改日期

2015年 6 月 机械电子工程二班 朱瑞

631224030230

2

实验项目

基于Matlab的计算机控制技术仿真实验

实验时间

2015年6月

实验地点

90304

实验性质

验证性 设计性 综合性

教师评价：

评价教师签名：

一：实验目的

1．熟悉Matlab的使用环境，学习Matlab软件的使用方法和编程方法。

2．学习使用Matlab进行各类数学变换运算的方法。

3．学习使用Matlab建立控制系统模型的方法。

二：实验主要内容及过程

第二章 习题 P37

1、求下列函数的Z变换

（1）atetf1)(

>> syms a n T

>> FZ=(ztrans(1-exp(-a*n*T)))

FZ =

z/(z - 1) - z/(z - exp(-T*a))

>> simple(FZ)

ans =

z/(z - 1) - z/(z - exp(-T*a))

>> pretty(FZ)

z z

----- - -------------

！　！　＝塑　ＣＮ１２—１３５２／Ｎ　实　验　室　科　学　ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ　ＳＣＩＥＮＣＥ　第ｌ３卷第４期２０１０年８月　Ｖｏ１．１３　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１０　

基于Ｗｅｂ和Ｍａｔｌａｂ自动控制原理　

虚拟实验平台的设计　

高　嵩，蝴色娜　

（青岛理工大学琴岛学院，山东青岛２６６１０６）　

摘　要：该文设计了基于Ｗｅｂ和Ｍａｔｌａｂ的自动控制原理虚拟实验平台，并以二阶系统时域分析为例详细介绍　了此虚拟实验平台的实现过程。　关键词：Ｗｅｂ；Ｍａｔｌａｂ；自动控制原理；虚拟实验平台　中图分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—４３０５．２０１０．０４．０２２　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　

ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｗｅｂ　ａｎｄ　Ｍａｔｌａｂ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ　

ＧＡＯ　Ｓｏｎｇ，ＹＡＯ　Ｎａ　

（Ｑｉｎｄａｏ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６１０６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｗｅｂ　ａｎｄ　Ｍａｔｌａｂ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　

ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ａ　ｓｅｃｏｎｄ　

－ｏｒｄｅｒ　ｔｉｍｅ—ｄｏｍａｉｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｗｅｂ；Ｍａｔｌａｂ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ；ｖｉｒｔｕａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　

“自动控制原理”是研究各类控制系统共性的　

信息技术与应用　Ｃｈｉｎａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　基于ＭＡＴＬＡＢ的虚拟实验室建设　

霍连利　（７５６６０部队，广西桂林５４１　００２）　【摘要】本文通过创设虚拟的实验环境，建设了信号处理虚拟实验室，结合教学实践，提出科学合理的虚拟实验室构建方案。首先介绍了虚拟实　验室的特点及功能，其次给出了利用ＭＡＴＩ＾Ｂ软件创设虚拟实验环境，构建信号处理虚拟实验室的方法，最后说明了虚拟实验室对实验室课程建设的重　要性，达到了良好的实验效果，值得进一步的研究。　【关键词】Ｍ＿Ａ＿ＴＬＡＢ信号处理虚拟实验室　虚拟仪器编程语言ＬａｂｗｉｎｄｏⅥ，Ｓ／ｃＶＩ将Ｃ语言平台数据采集、　分析和表达等测控专业工具有机结合起来。它的集成化开发平台、　交互式编程方法、丰富的的功能面板和库函数，为熟悉ｃ语言的开发　人员开发检测、数据采集、过程监控等提供了一个理想的软件开发　环境。ＭＡＴＬＡＢ是一种面向科学和工程的高度集成化的高级语言。　使用ＭＡＴＬＡＢ编程运算与人进行科学计算的表达方式和思路完全　一致，也能使学员把重点放在对概念和方法的理解上，而不是算法　的编程上，从而大大提高实验效率。　我们采用ＬａｂｗｉＩ１ｄｏ稍／ＣⅥ和ＭＡＴＬＡＢ语言混合编程，通过　创设虚拟的实验环境，建设了信号处理虚拟实验室。　１软件设计思路　１．１信号处理虚拟实验室特点　与传统硬件信号处理实验比较，虚拟实验具有以下优点：虚拟　环境下的实验具有较强的引导性；实验成本低且实验器材的选择余　地大，易于实现较为复杂的实验过程。实验所需的时间较少，实验效　率高，不必担心损坏实验设备，能轻松的进行边缘情况的实验，便于　记录和分析实验过程和实验结果。在实现过程中，该软件调用　ＭＡＴＬＡＢ的各信号处理函数、ＭＡＴＬＡＢ自带的专门完成信号处理　任务的ＳＰＴｏｏＬ、ＦＤＡＴｏｏＬ工具箱，同时利用ＭＡＴＬＡＢ和ＣⅥ语言的　混合编程实现整个虚拟实验室的所有功能。　１．２软件结构及模块功能　软件的具体结构如图ｌ所示。各模块所要实现的功能如下：　实验内容。识别学员所需要的实验，不仅包括通用教材上的，也　包括和ｌａ常生活联系较为密切的实验。　实验目的和要求。对学员选择实验目的和要求的规定，要尽可　能降低操作者实验的盲目性。　实验方法和注意事项。该模块主要实现对所选实验的方法的列　举和论述；并在其中选择最适合学员的一种作为最后的方法。同时，　在叙述过程中，会认真的提醒操作者所需要注意的事项。　实验过程指导。该模块是整个软件的核心和关键，它不仅要完　成实验过程指导，而且要对实验出现的各种现象进行描述和分析，　在此模块中，还包括参数处理、信号分析、信号抽样仿真、系统分析、　系统特性仿真五大模块。各个模块的主要功能如下：　参数处理。完成学员对自己要做实验参数的自行设定，即使学　员不设定，每一个参数都能有默认的参数。　信号分析。由于数字信号处理的实验主要是完成对输入信号的　滤波等操作，所以对学员所输入信号特性的分析是不可少的，如信　号的频谱、功率谱等。　信号抽样仿真。数字信号的处理方式要求将连续信号进行离散　化。　滤波器设计及系统分析。包括模拟滤波器设计和数字滤波器设　计两个部分。对于某个实验系统的分析也是不可少的，这是一般科　学实验过程不可或缺的一个重要环节，如系统的线性、稳定性以及　图形的绘制。　系统特性仿真。主要是在系统分析的基础上进一步完成各种特　性的可视化。　实验结果分析。主要是在图形上对输入输出信号进行对比，明　确该系统的功能。　实验报告输出。该模块是整个软件的智能核心，它是模拟正常实　验后的实验报告，将整个实验过程作记录，并完成最后的汇总输出。　２构建实验环境　在整个软件的设计过程中，由ｃⅥ设计出友好的界面，创设出虚　拟实验环境，具有引导和交互功能，并能根据要求调用ＭＡＴＬＡＢ。用　户可以很方便地在适当的窗Ｉ：３选取和修改数据，从而验证系统参数　的选取对整个系统的影响，进一步加深对信号处理原理的理解和各　知识点的对比。除了要完成使用的各个部分的功能外，还可以调用　￣ＰＴｏｏＬ和ＦＤＡＴ（）０Ｌ两个工具箱作为对某　特定的信号和滤波器分　析和设计，更好的发挥作用。　ＳＰＴｏ０Ｌ是ＭＡＴＬＡＢ的信号处理工具箱中一个具有交互式图形　用户界面的信号处理工具，专门用于完成常用的数字信号处理任　务。这个工具包含了工具箱中许多重要函数功能，可以实现对数据、　滤波器与功率谱的分析、处理和操作。它由信号浏览器、滤波器设计　程序、滤波器查看程序和功率谱查看程序四个模块组成。ＦＤＡＴ（）ｏＬ　是ＭＡＴＬＡＢ的另一个专门用于滤波器的设计和分析的工具，它专属　于ＭＡＴＬＡＢ的ＦＤＡＴｏｏＬ中，它可以较好的实现滤波器的设计及对　滤波器的幅频、相频、零极点分析及其阶跃响应等。　３系统使用效果　理解原理更加形象准确。由于信号处理算法中采用了大量的数　学推导，学员对算法的理解大多局限在数学层面上，比较抽象。而实　验的结果是，处理前后的信号或系统都是以图形的形状出现的，这　就加深了学员对信号处理算法和原理的理解。　利于调动学习积极性。现在实验室课的内容大多是验证和理解　课堂教学内容，但是，如此单一层次的实验内容结构对能接触到大　量现代化信息和媒体的学员来说已经不能满足其学习的需要，然而　虚拟实验正好可以弥补到实验室做实验的不足，可以较好的调动学　员的学习积极性。　使用方便、价格低廉。学员拷贝该虚拟实验系统后，就不需要和　教员预约实验室，不受时间和地点的限制，很方便地在自己的计算　机上做实验。另外，硬件实验需要仪器表价格比较昂贵，计算机虚拟　实验则具有投资小，且达到相同甚至更好实验效果的优越性。　４结语　建设信号处理虚拟实验室的关键在于它突破了原先的只用计　算机完成实验的一部分，而不能处理实验的整个过程的不足，可全　程跟踪实验，并对其中的每一个步骤进行引导和提醒，直至将实验　报告完整生成。此外，虚拟实验室为学员提供了大量的实例，为学员　留下动手实践的空间，同时学员也可以从中学习到数字信号处理的　一些基本原理。　参考文献：　［１］邹鲲．等．ＭＡＴＬＡＢ信号处理［Ｍ］．北京：清华大学出版社．２００２．　［２］丁玉美，等．数字信号处理［Ｈ］．西安：西安电子科技大学出版社，　２００３．　［３］刘君华，等．虚拟仪器编程语言ＬａｂＷｉｎｄｏｗ￣／ＣＶｌ教程［Ｈ］．北京：北京　工业出版社。２００１．　［４］黄国庆，李家良，等。仿真控制系统设计［Ｊ］．电子测量技术，２００５（３）：　８５－８６．