【正文】 ensory) VR系統(tǒng)具有感知視、聽、觸嗅、味覺及運動等多種信息的能力。從這個意義上講，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種非常獨特的技術(shù)，很難有別的技術(shù)可以取而代之。虛擬現(xiàn)實技術(shù)潛力巨大，應(yīng)用前景十分廣闊，越來越多地被應(yīng)用于科學(xué)研究，已被認為是重要的科學(xué)探索工具。從本質(zhì)上講，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一種高級的多通道人機交互系統(tǒng)，它對沉浸式系統(tǒng)要求采用自然方式的交互操作，對于非沉浸式系統(tǒng)也可使用常規(guī)交互設(shè)備進行交互操作。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門由多學(xué)科交叉形成的一個全新的研究領(lǐng)域，匯集了計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、人工智能、人機接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、仿真、微電子、高度并行的實時計算技術(shù)和人的行為學(xué)研究等多項關(guān)鍵技術(shù)，是這些技術(shù)高層次的集成和滲透。虛擬設(shè)計是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，其技術(shù)基礎(chǔ)是“虛擬現(xiàn)實”[4]。它由實驗所依賴的模擬程序、實驗單元、工具和參考資料組成。目前，有關(guān)虛擬實驗室的定義主要有兩種[3]：——所謂虛擬實驗是指在計算機系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實驗項目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等值于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果。在使用虛擬實驗室的過程中，如果能把模擬的與真實的相比較，加強學(xué)習(xí)者之間的相互合作，并注重激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣、促使其進行探究，那必將會產(chǎn)生巨大的教育價值。自適應(yīng)實驗室系統(tǒng)原理框圖如圖12所示，假定系統(tǒng)的輸入r，經(jīng)過預(yù)處理單元處理后其輸出為yu，當(dāng)被控對象結(jié)構(gòu)變化或參數(shù)偏離時，自適應(yīng)機構(gòu)根據(jù)參考模型輸出與被控對象輸出之差及其變化，產(chǎn)生一個自適應(yīng)信號，調(diào)整前饋、反饋調(diào)節(jié)器，使其參數(shù)收斂，即e＝y(tǒng)uyd→0。自適應(yīng)虛擬實驗室[2]在日常語言中，“自適應(yīng)”是指生物變更自己的習(xí)性以適應(yīng)新的環(huán)境的一種特征。實驗結(jié)果表明：人們獨自工作時速度快，與他人協(xié)作時速度慢，但正確率比單獨組高。在協(xié)作式虛擬實驗室中，每個用戶都有一個特定的個人域并共享一個群域，通過這種方式，個人和小組工作既可以個別發(fā)生，又可以同時發(fā)生。原因一是CSCW（Computer Supported Cooperative Work）尚處未成熟階段；二是協(xié)作任務(wù)的不同，開發(fā)一套普遍適用的規(guī)則較難。協(xié)作式虛擬實驗室[2]協(xié)作技術(shù)分為兩個主要部分：信息共享技術(shù)和通信技術(shù)。 1984年，NASA ，將火星探測器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計算機，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境?；趶?0年代以來所取得的一系列成就，美國的VPL公司的創(chuàng)建者 Jaron Lamer在80年代初最后確定以虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）一詞作為這一領(lǐng)域的專用術(shù)語。在這以后，人們又提出了“虛擬現(xiàn)實”。1984年，Willia Gibson寫了一本名為 Neuromancer的書，書中幻想計算機用戶可以把自己的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接入計算機，這樣用戶便可以神游于由計算機模擬成的虛擬世界中。在這第一個HMD的樣機完成不久，研制者又把能模擬力量和觸覺的力反饋裝置加入到這個系統(tǒng)中。1965年，Ivan Sutherland在篇名為《The Ultimate Display》（終極的顯示）的論文中首次提出了包括具有交互圖形顯示、力反饋設(shè)備以及聲音提示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式開始了對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究探索歷程。有人認為，80年代是個人計算機時代，90年代是多媒體時代，21世紀初則是虛擬現(xiàn)實技術(shù)時代。而這些都為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。s powerful dataprocessing functions to do a BP neural network control experiment simulation and make GUI design。關(guān)鍵字：虛擬實驗室、VRML、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、MATLAB AbstractVirtual design is developed in new area of research in recent years, Virtual Intelligent Control Laboratory is a good teaching tool of Intelligent Control Education. In view of the need for traditional laboratory equipment, funds, space and other issues, using virtual laboratory for experimental teaching in a large extent the cost savings, while people will be able to be pleted the experiment to see results, but also improve efficiency, save time by using puter.The main issue is the establishment of a virtual intelligent control can be simulated laboratory equipment is “THJ2 advanced process control system experimental” made by Tianhuang pany .The design is consists of three main parts: the 3D Virtual Laboratory modeling, the simulation of intelligent control, the graphical user interfaces (GUI). The realization of the specific process, by using of VRML language to plete the virtual 3D model laboratory。在具體的實現(xiàn)過程中，利用VRML語言完成虛擬實驗室3D模型的建立；通過MATLAB的強大數(shù)據(jù)處理功能實現(xiàn)了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實驗的仿真和GUI的設(shè)計；最后利用MATLAB對系統(tǒng)進行封裝，形成獨立的可執(zhí)行程序。本課題主要是建立可以進行智能控制虛擬實驗，其模擬的是天煌教儀生產(chǎn)的“THJ2型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置”。摘要虛擬設(shè)計是近年來發(fā)展起來的一個新的研究領(lǐng)域，智能控制虛擬實驗室則是智能控制教學(xué)上的一個很好的工具。鑒于傳統(tǒng)實驗室需要的設(shè)備，資金，場地等問題，利用虛擬實驗室進行實驗教學(xué)能夠很大程度上的節(jié)約成本，同時用戶在計算機前就能完成實驗，查看實驗結(jié)果，也能提高效率，節(jié)省時間。本設(shè)計由三個主要部分構(gòu)成：虛擬實驗室的3D造型、智能控制實驗仿真、圖形用戶界面（GUI）。用戶可通過封裝程序界面打開GUI界面，在GUI界面中進行實驗，設(shè)置參數(shù)，并能夠察看系統(tǒng)的仿真曲線，實現(xiàn)虛擬實驗的效果。 through MATLAB39。 the final, using MATLAB to let the system package to form an independent executable program. Users can open the GUI interface package interface, the GUI interface in the experiment, set parameters, and be able to see the simulation curve, the effect of virtual experiments.Keywords: Virtual Laboratory, VRML, BP neural network controller, MATLAB目 錄第1章 引言 1 1 3 虛擬實驗室的概念 3 虛擬設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ) 3 虛擬設(shè)計的特點 4 5 5第2章 VRML虛擬實驗設(shè)備設(shè)計 7 VRML技術(shù)基礎(chǔ)知識 7 VRML技術(shù)概述 8 VRML文件組成 8 VRML節(jié)點簡介 8 11 11 部分元件設(shè)計及程序. 11 由零件組成控制面板的小單元 14 各控制單元組成完整的控制面板 16第3章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論 17 17 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 18第4章 基于MATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計及其實驗仿真 20 20 BPPID控制實驗仿真 23 MATLAB 簡介. 23 BPPID控制實驗仿真 24(GUI)的設(shè)計 32. 32 34 34 37 封裝目地. 37 MATLAB封裝具體過程 38第5章 結(jié)論 39參考文獻 40致謝 41附錄一 VRML設(shè)計部分程序 42附錄二 MATLAB設(shè)計GUI程序 4654 / 57第一章 引 言近些年來，迅速發(fā)展的計算機硬件技術(shù)與不斷改進的計算機軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能；人機交互系統(tǒng)的設(shè)計不斷創(chuàng)新，新穎、實用的輸入輸出設(shè)備不斷地進入市場。同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也逐漸從飛行仿真、戰(zhàn)爭應(yīng)用到教育、科研、娛樂、建筑、醫(yī)療、工業(yè)等各個方面。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的誕生可以追溯到上個世紀的六十年代。1966年，美國MIT的林肯實驗室正式開始了頭盔式顯示器HMD的研制工作。1970年，出現(xiàn)了第一個功能較齊全的HMD系統(tǒng)。他把這個世界稱為“控制空間”（Cyber Space）。“人工現(xiàn)實”、“遠程現(xiàn)場控制”等設(shè)想，統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實技術(shù)。80年代，美國宇航局（NASA）及美國國防部組織了一系列有關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究，并取得了令人矚目的研究成果。1990年在美國Dallas召開的Siggraph的會議上，對VR技術(shù)進行了討論，明確提出了VR技術(shù)的主要內(nèi)容是：實時三維圖形生成技木、多傳感器交互技術(shù)，以及高分辨率顯示技術(shù)，為VR技術(shù)的發(fā)展確定了研究方向[1]。通信技術(shù)現(xiàn)階段已比較成熟，而信息共享技術(shù)則比較難以實現(xiàn)，因為它一方面要求實現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換；另一方面，它還沒有較好的群件。因此，協(xié)作式虛擬實驗室的目標設(shè)計很重要，其目標就是要減少地域障礙，使學(xué)生能在網(wǎng)上一起進行科學(xué)實驗和討論。圖11 協(xié)作式虛擬實驗室原理圖麻省理工學(xué)院針對虛擬實驗室中的協(xié)作效果進行了對比性研究，將21個使用過WebLab的MIT本科生分成三組：單獨組、協(xié)作組和指導(dǎo)組。因為在與他人協(xié)作時，實驗是以討論的方式展開的，提出自己的解決方法，通過交流、討論和驗證各自的觀點，最終得出正確的解決方案。直觀地說，“自適應(yīng)實驗”即指能修正自己的特征以響應(yīng)規(guī)則原理的變化，并根據(jù)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程生成一個反饋回路，為學(xué)習(xí)者提供一個自適應(yīng)的獲取知識和技能的實驗學(xué)習(xí)環(huán)境。圖12 自適應(yīng)虛擬實驗室原理圖虛擬實驗室增強并擴展了實驗教學(xué)的功能，以前所未有的方式將學(xué)生和實驗儀器聯(lián)系起來，為學(xué)生提供了一種嶄新的實驗方式。虛擬實驗室可以說是教育領(lǐng)域應(yīng)用信息技術(shù)的一種創(chuàng)新：允許人們訪問和使用自己沒有的設(shè)備資源，使得處于不同地理位置的學(xué)習(xí)者可以同時對一個實驗項目進行實驗工作，可以接觸最新的儀器?！摂M實驗室是一個創(chuàng)造和引導(dǎo)模擬實驗的交互環(huán)境：即實驗場所。用戶可以通過增加新的物體、建立新的實驗并把它們轉(zhuǎn)化成超文本文件來擴充實驗室。虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality，簡稱VR)是指綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種顯示、控制等接口設(shè)備生成的給人多種感官刺激和交互性操作的虛擬環(huán)境(Virtua1 Environment)，是一種高級的人機交互系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實的功能有：給用戶制造一個三維現(xiàn)實世界的感覺；使用戶能夠與界面中的環(huán)境交互，并能在其中動作，使用戶能直接和界面中的圖形實時地交互，用戶作為界面中的主人在虛擬世界中遨游；用戶能從任意的觀察點來觀察他所想看到的物體，改變物體的位置和方向，控制物體的行為和外形，對界面中的物體進行評價而不需要預(yù)先編程。虛擬現(xiàn)實的概念模型如圖13所示：圖13 虛擬現(xiàn)實的概念模型因此，人機交互是虛擬現(xiàn)實的核心，它強調(diào)的是人、機兩者之間的交互操作，即反映出人在虛擬世界(環(huán)境)的體驗。利用這項技術(shù)，在新產(chǎn)品、新計劃或新概念還遠沒有成為現(xiàn)實之前，人們就能夠以較為現(xiàn)實的方式對其進行觀察和探索。虛擬設(shè)計是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械產(chǎn)品設(shè)計方面的一個應(yīng)用。(2) 沉浸感(Immersion) 指用戶感到作為主角存在于虛擬環(huán)境并與其“融合”的真實程度。(4) 自主性(Autonomy) 指虛擬環(huán)境中物體可按各自的模型、屬性和規(guī)則自主運動，即虛擬環(huán)境中的物體應(yīng)具有與在現(xiàn)實世界中相同的物理屬性。(5) 多信息通道性 虛擬設(shè)計時，用戶除了通過視覺感受虛擬原型的信息外，還可以通過聽覺、觸覺、嗅覺等其它信息通道來接受信息。(6) 實時性 虛擬設(shè)計時，設(shè)計者作為虛擬環(huán)境的參與者，與虛擬環(huán)境融為一體，可以隨意觀察想觀察的對象，改變物體的位置和方向，控制物體的行為和外形，并立即得到相應(yīng)的響應(yīng)，具有所見即所得的實時性。采用虛擬設(shè)計后，它的“設(shè)計—加工—裝配—評價”等階段都可以在虛擬環(huán)境下進行，時間短、成本低、效率高，風(fēng)險小，可以迅速對市場的需要做出反應(yīng)。虛擬設(shè)計具有以下優(yōu)點：(1)虛擬設(shè)計繼承了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的所有特點。(4)支持Internet互聯(lián)，利于資源共享和優(yōu)勢互補，隨時隨地更改參數(shù)并進行實驗。智能控制虛擬實驗室的功能是讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行智能控制實驗。建立起一個虛擬實驗室，用戶能夠通過該實驗室進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID控制實驗。圖14 系統(tǒng)整體框架圖圖14中的虛擬設(shè)備由VRML進行創(chuàng)建；控制系統(tǒng)和控制算法使用Matlab進行設(shè)計；設(shè)計各實驗的圖形用戶界面將虛擬實驗設(shè)備和智能控制系統(tǒng)聯(lián)系在一起；最后用MATLAB制封裝整個系統(tǒng)，形成一個完整的模塊。VRML虛擬實驗設(shè)備，是這次課題的所要模擬的實驗裝