VR虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬設(shè)計(jì)

VR虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬設(shè)計(jì)摘要虛擬設(shè)計(jì)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，智能控制虛擬實(shí)驗(yàn)室則是智利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠很大程度上的節(jié)約成本，同時(shí)用戶(hù)在計(jì)算機(jī)前就能完成實(shí)驗(yàn)，查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也能提高效率，節(jié)省時(shí)間。本課題主要是建立可以進(jìn)行智能控制虛擬實(shí)驗(yàn)，其模擬的是天煌教儀生產(chǎn)的“THJ-2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。本設(shè)計(jì)由三個(gè)主要部分構(gòu)成：虛擬實(shí)驗(yàn)室的3D造型、智能控制實(shí)驗(yàn)仿真、圖形用戶(hù)界面（GUIVRML語(yǔ)言完成虛擬實(shí)驗(yàn)室3DMATLAB的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)的仿真和GUI的設(shè)計(jì)；最后利用MATLABGUIGUI驗(yàn)的效果。關(guān)鍵字：虛擬實(shí)驗(yàn)室、VRML、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、MATLABAbstractVirtualdesignisdevelopedinnewareaofresearchinrecentyears,VirtualIntelligentControlLaboratoryisagoodteachingtoolofIntelligentControlEducation.Inviewoftheneedfortraditionallaboratoryequipment,funds,spaceandotherissues,usingvirtuallaboratoryforexperimentalteachinginalargeextentthecostsavings,whilepeoplewillbeabletobepletedtheexperimenttoseeresults,butalsoimproveefficiency,savetimebyusingputer.Themainissueistheestablishmentofavirtualintelligentcontrolcanbesimulatedlaboratoryequipmentis“THJ-2advancedprocesscontrolsystemexperimental”madebyTianhuangpany.Thedesignisconsistsofthreemainparts:the3DVirtualLaboratorymodeling,thesimulationofintelligentcontrol,thegraphicaluserinterfaces(GUI).Therealizationofthespecificprocess,byusingofVRMLlanguagetopletethevirtual3Dmodellaboratory;throughMATLAB'spowerfuldata-processingfunctionstodoaBPneuralnetworkcontrolexperimentsimulationandmakeGUIdesign;thefinal,usingMATLABtoletthesystempackagetoformanindependentexecutableprogram.UserscanopentheGUIinterfacepackageinterface,theGUIinterfaceintheexperiment,setparameters,andbeabletoseethesimulationcurve,theeffectofvirtualexperiments.Keywords:VirtualLaboratory,VRML,BPneuralnetworkcontroller,MATLAB目錄第1章引言11.1課題的研究背景及研究目地11.2虛擬實(shí)驗(yàn)室的介紹31.2.1虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念31.2.2虛擬設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)31.2.3虛擬設(shè)計(jì)的特點(diǎn)41.2.4虛擬設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)51.3課題研究的主要內(nèi)容5第2章VRML虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)72.1VRML技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)72.1.1VRML技術(shù)概述82.1.2VRML文件組成82.1.3VRML節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)介82.2實(shí)驗(yàn)裝備簡(jiǎn)介112.3虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)112.3.1部分元件設(shè)計(jì)及程序.112.3.2由零件組成控制面板的小單元142.3.3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173.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論概述173.2BP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(jì)及其實(shí)驗(yàn)仿真204.1基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)204.2BP-PID控制實(shí)驗(yàn)仿真234.2.1MATLAB簡(jiǎn)介.234.2.2BP-PID控制實(shí)驗(yàn)仿真244.3圖形用戶(hù)界面(GUI)的設(shè)計(jì)324.3.1MATLAB圖形用戶(hù)界面簡(jiǎn)介.324.3.2圖形用戶(hù)界面實(shí)現(xiàn)的功能344.3.3圖形用戶(hù)界面的實(shí)現(xiàn)過(guò)程344.4系統(tǒng)封裝374.4.1封裝目地.374.4.2MATLAB封裝具體過(guò)程38第5章結(jié)論39參考文獻(xiàn)40致謝41附錄一VRML設(shè)計(jì)部分程序42附錄二MATLAB設(shè)計(jì)GUI程序46第一章引言建筑、醫(yī)療、工業(yè)等各個(gè)方面。1.1課題的研究背景及發(fā)展方向有人認(rèn)為，809021世紀(jì)初則是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)時(shí)代。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的誕生可以追溯到上個(gè)世紀(jì)的六十年代。1965年，IvanSutherland在篇名為《TheUltimateDisplay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(shí)系統(tǒng)的基本思想，從此，人們正式開(kāi)始了對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究探索歷程。1966MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室正式開(kāi)始了頭盔式顯示器HMD個(gè)HMD1970年，出現(xiàn)了第一個(gè)功能較齊全的HMD系統(tǒng)。1984年，WilliaGibson寫(xiě)了一本名為Neuro-mancer他把這個(gè)世界稱(chēng)為“控制空間（CyberSpace。“人工現(xiàn)實(shí)基于從60年代以來(lái)所取得的一系列成就，美國(guó)的VPL公司的創(chuàng)建者JaronLamer在80年代初最后確定以虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality）一詞作為這一領(lǐng)域的專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)。80NASA并取得了令人矚目的研究成果。1984年，NASAAmes研究中心虛擬行星探測(cè)實(shí)驗(yàn)室的M.McGreevy和J.Humphries博士組織開(kāi)發(fā)了用于火星探測(cè)的虛擬環(huán)境視覺(jué)顯示器，將火星探測(cè)器發(fā)回的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，為地面研究人員構(gòu)造了火星表面的三維虛擬環(huán)境。1990年在美國(guó)Dallas召開(kāi)的SiggraphVRVR技術(shù)，為VR技術(shù)的發(fā)展確定了研究方向[1]。1、協(xié)作式虛擬實(shí)驗(yàn)室[2]一方面，它還沒(méi)有較好的群件。原因一是CSCW（puterSupportedCooperativeWork）尚處未成熟階段；二是協(xié)作任務(wù)的不同，開(kāi)發(fā)一套普遍適用的規(guī)則較難。發(fā)生。圖1-1協(xié)作式虛擬實(shí)驗(yàn)室原理圖麻省理工學(xué)院針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室中的協(xié)作效果進(jìn)行了對(duì)比性研究，將21個(gè)使用過(guò)WebLab的MIT本科生分成三組：?jiǎn)为?dú)組、協(xié)作組和指導(dǎo)組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：人們獨(dú)自工終得出正確的解決方案。2、自適應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)室[2]在日常語(yǔ)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。直觀(guān)地說(shuō)，“自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)”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)習(xí)環(huán)境。自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)原理框圖如圖1-2r后其輸出為yu斂，即e＝y(tǒng)u-yd→0。圖1-2自適應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)室原理圖進(jìn)行探究，那必將會(huì)產(chǎn)生巨大的教育價(jià)值。1.2虛擬實(shí)驗(yàn)室的介紹1.2.1虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念作，可以接觸最新的儀器。目前，有關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)室的定義主要有兩種[3]：——所謂虛擬實(shí)驗(yàn)是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)效果等值于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果?！碌膶?shí)驗(yàn)并把它們轉(zhuǎn)化成超文本文件來(lái)擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)室。1.2.2虛擬設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)[4]現(xiàn)實(shí)(VirtualRealityVR)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(Virtua1Environment)高級(jí)的人機(jī)交互系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門(mén)由多學(xué)科交叉形成的一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，的集成和滲透。用自然方式的交互操作，對(duì)于非沉浸式系統(tǒng)也可使用常規(guī)交互設(shè)備進(jìn)行交互操作。虛擬現(xiàn)實(shí)的概念模型如圖1-3所示：圖1-3虛擬現(xiàn)實(shí)的概念模型映出人在虛擬世界(環(huán)境)多地被應(yīng)用于科學(xué)研究，已被認(rèn)為是重要的科學(xué)探索工具。利用這項(xiàng)技術(shù)，在新產(chǎn)品、而代之。虛擬設(shè)計(jì)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的一個(gè)應(yīng)用。1.2.3虛擬設(shè)計(jì)的特點(diǎn)一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)包含一個(gè)逼真的三維虛擬環(huán)境和符合人們自然交互習(xí)慣的人機(jī)交互界面，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)多感知性(MultiSensory)VR系統(tǒng)具有感知視、聽(tīng)、觸嗅、味覺(jué)及運(yùn)動(dòng)等多種信息的能力。(2)沉浸感(Immersion)指用戶(hù)感到作為主角存在于虛擬環(huán)境并與其“融合的真實(shí)程度。(3)交互性(Interaction)指用戶(hù)通過(guò)交互設(shè)備對(duì)虛擬環(huán)境中對(duì)象的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度。(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(yùn)動(dòng)，物體會(huì)向力的方向移動(dòng)，或翻倒、或從桌面落到地面等。(5)多信息通道性虛擬設(shè)計(jì)時(shí)，用戶(hù)除了通過(guò)視覺(jué)感受虛擬原型的信息外，還可以等其它交互設(shè)備和手段，支持更多的設(shè)計(jì)行為(建模、仿真、修改、評(píng)估、預(yù)測(cè)等)。(6)實(shí)時(shí)性虛擬設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者作為虛擬環(huán)境的參與者，與虛擬環(huán)境融為一體，可到相應(yīng)的響應(yīng)，具有所見(jiàn)即所得的實(shí)時(shí)性。(7)—樣機(jī)制作—實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)—產(chǎn)品設(shè)計(jì)”“設(shè)計(jì)—加工—裝配—評(píng)價(jià)成本低、效率高，風(fēng)險(xiǎn)小，可以迅速對(duì)市場(chǎng)的需要做出反應(yīng)。例如，波音777飛機(jī)的設(shè)94%93%的10縮短了近一半。1.2.4虛擬設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)虛擬設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)虛擬設(shè)計(jì)繼承了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的所有特點(diǎn)。(2)具備仿真技術(shù)的可視化特點(diǎn)，便于隨時(shí)改變輸入變量實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(4)支持Internet(5)便于利用和補(bǔ)充各種先進(jìn)技術(shù)，保持技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。1.3課題研究的主要內(nèi)容目標(biāo)是完成智能控制虛擬實(shí)驗(yàn)室的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)。建立起一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，用戶(hù)能夠通過(guò)該實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID控制實(shí)驗(yàn)。按照這種要求設(shè)計(jì)的智能控3D視覺(jué)效果、智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、各實(shí)驗(yàn)圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)(GUI)。圖1-4系統(tǒng)整體框架圖圖1-4中的虛擬設(shè)備由VRML進(jìn)行創(chuàng)建；控制系統(tǒng)和控制算法使用Matlab進(jìn)行設(shè)計(jì)；MATLAB制封裝整個(gè)系統(tǒng)，形成一個(gè)完整的模塊。第二章VRML虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)VRML要模擬的實(shí)驗(yàn)裝備，即學(xué)生做試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝備。本課題選用了“THJ-2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置VRML部分。2.1VRML技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)2.1.1VRML技術(shù)概述VRML是虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言(即VirtualRealityModelingLanguage)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是SGI公司開(kāi)發(fā)的一種3D造型和渲染的圖形描述性語(yǔ)言，1997年12月被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISOJYCI/SC24委員會(huì)認(rèn)定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(150/IEC1472—1:1997)[6]。它采用描述性的文本VRML的三維場(chǎng)景。VRML的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于openGL的顯示列表，用樹(shù)狀的場(chǎng)景圖來(lái)描述三維世界。場(chǎng)景圖內(nèi)部消息通道很方便地實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體的交互和動(dòng)畫(huà)等功能。圖2-1VRML文件實(shí)現(xiàn)過(guò)程VRML用于互聯(lián)網(wǎng)，是以虛擬現(xiàn)實(shí)為特征的3DWeb技術(shù)的核心。VRML為稱(chēng)為繼HTML之后的第二代Web可以構(gòu)建虛擬境界，也可以集成文本、圖像、音響、影像等多種媒體類(lèi)型。2.1.2VRML文件組成VRML文件是一個(gè)后綴名為.wrl[7]的各部分進(jìn)行注釋說(shuō)明。(1)文件頭文件頭是VRML文件的標(biāo)志，所有2.0版本的VRML文件都以這行文字打頭。“#VRMLv2.0utf8”。其中#VRML告訴打開(kāi)該文件的瀏覽器該文件是一個(gè)VRML文件；V2.0表示該VRML文件的版本號(hào)是2.0；utf8表示該文件采用的是國(guó)際UTF—8編碼方案。UTF—8是一個(gè)廣泛支持多種語(yǔ)言的字符集，由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織150/IEC1472—1:1997標(biāo)準(zhǔn)所定義。(2)我們可以使用VRML提供的結(jié)點(diǎn)描述語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)三維對(duì)象的各種屬性。(3)原型節(jié)點(diǎn)的原型是節(jié)點(diǎn)對(duì)其中的域(field)、入事件(eventIn)和出事件(eventOut)的聲明。通過(guò)自定義原型(PROTO)可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合，提供新的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。(4)事件指按照定義的路由，由一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)往另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的消息。事件標(biāo)志著外部改變，出事件是節(jié)點(diǎn)向外界報(bào)告自身狀態(tài)的出口。事件由一個(gè)時(shí)間戳和一個(gè)域值組成。(5)路由指產(chǎn)生該事件和接收該事件的節(jié)點(diǎn)之間的連接。路由的作用在于將各個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)綁定在一起以使虛擬空間具有動(dòng)感和交互性。(6)注釋在VRML文件中允許編寫(xiě)者在文件的任何部分進(jìn)行注釋說(shuō)明，以增強(qiáng)該文件VRML“#”(換行或Carriagereturn字符)VRHL文件的時(shí)候?qū)⑻^(guò)#號(hào)之后本行的所有內(nèi)容VRML文件的時(shí)候?qū)⒆詣?dòng)地忽略VRML文件中的所有的空格和空行。2.1.3VRML節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)介節(jié)點(diǎn)(Node)VRML文件的基本單元[8]有五個(gè)方面的特征：類(lèi)型、域、事件、實(shí)現(xiàn)、名字。節(jié)點(diǎn)可以命名(DEF語(yǔ)句)，節(jié)點(diǎn)命名后可以通過(guò)USE節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型很豐富，除了自定義的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型(PROTO)以外，一共有74種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型按功能可分為組節(jié)點(diǎn)(GroupingNodes)、特殊組節(jié)點(diǎn)(Specia1GroupsNodes)、通用節(jié)點(diǎn)(monNodes)、傳感器節(jié)點(diǎn)(SensorsNodes)、幾何體節(jié)點(diǎn)(GeometryNodes)、幾何體屬性節(jié)點(diǎn)(GeometricPropertiesNodes)、外觀(guān)節(jié)點(diǎn)(AppearanceNodes)、約束節(jié)點(diǎn)(BindableNodes)、插值節(jié)點(diǎn)(InterpolatorsNodes)等九大類(lèi)。通過(guò)節(jié)點(diǎn)的層層嵌套以及節(jié)點(diǎn)的定義和使用，形成整個(gè)場(chǎng)景圖。下面對(duì)將要用到的主要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：1)外形節(jié)點(diǎn)Shape在創(chuàng)建一個(gè)造型時(shí)，都必須使用Shape節(jié)點(diǎn)。Shape節(jié)點(diǎn)的語(yǔ)法為[9]：Shape{exposedFieldSFNodeappearanceNULLexPosedFieldSFNodegeometryNULL}2)變換節(jié)點(diǎn)Transform一個(gè)Transform節(jié)點(diǎn)是一個(gè)組節(jié)點(diǎn)。Transform節(jié)點(diǎn)可以是shapeGroup節(jié)點(diǎn)或TransformTransform節(jié)點(diǎn)中的所有子節(jié)點(diǎn)將在Transform節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系原點(diǎn)處創(chuàng)建。如果該坐標(biāo)系的位置發(fā)生變化，則Transform節(jié)點(diǎn)內(nèi)的所有子節(jié)點(diǎn)將一同變化。Transform節(jié)點(diǎn)，也可以是一個(gè)父節(jié)點(diǎn)Group或Transform節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。父節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系是TransformTransform節(jié)點(diǎn)是VRML它的父坐標(biāo)系就是VRML文件的世界坐標(biāo)系。Transform節(jié)點(diǎn)的語(yǔ)法為：Transform{eventlnMFNodeaddChildreneventlnMFNoderemoveChildrenexPosedFieldSFVec3fcenter000exposedFieldHFNodechildren[]exPosedFieldSFRotationrotation0010exPosedFieldSFVec3fscalelllexposedFie1dSFRotationsca1e0rientation00l0exPosedFieldSFyec3ftrans1ation000fieldSFVec3fbboxCenter000fieldSFVec3fbboxsize-1-1-1}3)造型節(jié)點(diǎn)在VRML文件中存在很多的造型節(jié)點(diǎn)?；驹煨凸?jié)點(diǎn)有長(zhǎng)方體節(jié)點(diǎn)Box、回柱體節(jié)點(diǎn)Cylinder、圓錐體節(jié)點(diǎn)Cone、球體節(jié)點(diǎn)Sphere。還有高級(jí)造型節(jié)點(diǎn)，如擠出造型節(jié)點(diǎn)Extrusion、標(biāo)高網(wǎng)格造型節(jié)點(diǎn)ElevationGrid、點(diǎn)造型節(jié)點(diǎn)Pointset、線(xiàn)造型節(jié)點(diǎn)IndexedLineset、面造型節(jié)點(diǎn)IndexedFaceset等等.通過(guò)對(duì)這些造型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、組合、縮放等運(yùn)用，可以構(gòu)造出非常復(fù)雜的對(duì)象。下面是基本造型節(jié)點(diǎn)和Extrusion、IndexedFaceset節(jié)點(diǎn)的作用和語(yǔ)法介紹。IndexedFaceset節(jié)點(diǎn):通過(guò)對(duì)面的描述來(lái)構(gòu)造幾何體。由于一個(gè)任意形狀的幾何體節(jié)點(diǎn)語(yǔ)法為：IndexedFaceset{eventlnMFInt32set_colorlndexeventlnMFInt32set_coordlndexeventlnMFInt32set_normallndexeventlnMFInt32set_texCoordlndexexPosedFieldSFNodecolorNULLexPosedField5FNodecoordNULLexPosedFieldSFNodenorma1NULLexPosedFieldSFNodetexCoordNULLfieldSFBoolccwTRUEfieldMFInt32colorlndex[]fieldSFBoo1ColorPerVertexTRUEfieldSFBoolconvexTRUEfieldMFInt32coordlndex[]fieldSFFloatcreaseAngle0fieldMFInt32normallndex[]fieldSFBoolnorma1PeryertexTRUEfieldSFB001solidTRUEfieldMFInt32texCoordlndex[]}4）父節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)VRMLchildrenchildren域的域值為這個(gè)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，而該節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為children域中的節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。例如，Transform節(jié)點(diǎn)中的childrenTransformTransform節(jié)點(diǎn)是它們的父節(jié)點(diǎn)。2.2實(shí)驗(yàn)裝備簡(jiǎn)介智能控制虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬的是天煌教儀生產(chǎn)的“THJ-2型高級(jí)過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”380V220V成。2.3實(shí)驗(yàn)裝備部分元件的設(shè)計(jì)Vrml.pad再運(yùn)行得到所需的3D圖像。用VRML語(yǔ)言編寫(xiě)程序，然后調(diào)試，得到所需圖像。2.3.1部分元件設(shè)計(jì)及程序（1）插孔的設(shè)計(jì)及程序的編寫(xiě)程序如下：#VRMLV2.0utf8Group{children[Transform{children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor000}}geometryCylinder{radius1.5height5.01}}Transform{childrenShape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor001}}geometryCylinder{radius2height5}}}Transform{childrenShape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor001}}geometryCylinder{radius1.2height5.02}}}Transform{childrenShape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor000}}geometryCylinder{radius1.0height5.03}}}]}]}圖2-2插孔的最終形成圖像（2）旋鈕開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)及程序旋鈕開(kāi)關(guān)是由一個(gè)圓柱、一個(gè)長(zhǎng)方體疊加而成，具體的編寫(xiě)程序如下：#VRMLV2.0utf8Group{children[Transform{translation04-20rotation1000.262scale10.51children[Shape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor100}}geometryCylinder{radius2height1.5}},Transform{scale0.20.31translation010childrenShape{appearanceAppearance{materialMaterial{diffuseColor011}}geometryBox{size555}}}]}]}圖2-3旋鈕開(kāi)關(guān)形成圖像2.3.2由零件組成控制面板的小單元整個(gè)控制面板由電源控制器、變頻器面板、智能位式調(diào)節(jié)儀面板、比值器/前饋—合過(guò)程。變頻器面板由變頻器，3個(gè)顏色各異的大插孔，7個(gè)顏色各異的小插孔以及一個(gè)電源作過(guò)程不做贅述。各部件的組合過(guò)程是通過(guò)控制3D造型進(jìn)行平移，旋轉(zhuǎn)以及比例縮放。這些功能都是通過(guò)TransformTransform節(jié)點(diǎn)都創(chuàng)建一個(gè)相對(duì)己有坐的VRML虛擬場(chǎng)景。Transform節(jié)點(diǎn)同Group節(jié)點(diǎn)一樣是編組節(jié)點(diǎn)，其語(yǔ)法定義如下：Transform{#exposedFieldMFNodechildren[]#exposedFieldSFVec3ftranslation0.00.00.0#exposedFieldSFRotationrotation0.00.00.0#exposedFieldSFVec3fscale1.01.01.0#exposedFieldSFRotationscaleOrientation0.00.01.00.0#fieldSFVec3fbboxCenter0.00.00.0#fieldSFVec3fbboxSize-1.0-1.0-1.0#exposedFieldSFVec3fcenter0.00.00.0#eventInMFNodeaddChildren#eventInMFNoderemoveChildrentranslation域的域值指定了在父坐標(biāo)系的原點(diǎn)和新坐標(biāo)系的原點(diǎn)之間XYZ方向XY為Z方向上的距離。該域值既可正，也可為負(fù)，只是方向相反而已。該域值的缺省值為0.00.00.0，表示個(gè)方向的距離為0，新坐標(biāo)系和父坐標(biāo)系重合。rotation個(gè)該域值所設(shè)定的旋轉(zhuǎn)角度。該域的前三個(gè)值為一個(gè)三維梭鏢的X，Y，Z分量，該三維度為計(jì)量單位的旋轉(zhuǎn)角度。該域值的缺省值為0.00.01.00.0，表示以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，但不發(fā)生旋轉(zhuǎn)[9]。scale域的域值指定了新坐標(biāo)系在XYZ為X，Y，Z方向的縮放系數(shù)。該域值的缺省值為1.01.01.0，表示在X，Y，Z方向上沒(méi)有縮放。利用Transform節(jié)點(diǎn)的這些域進(jìn)行調(diào)整，最終可以將各零部件組成完整的單元。組合好的變頻器面板如圖2-5所示：圖2-5變頻器面板的3D造型2.3.3各控制單元組成完整的控制面板VRML來(lái)實(shí)現(xiàn)這些文字或照片貼在做好的單元主體上，再把之前做好的各零部件通過(guò)Transform節(jié)點(diǎn)放置在照片而且零部件的定位也更加容易和準(zhǔn)確，這是預(yù)期結(jié)果圖。圖2-6控制面板的造型第三章神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論BP(BackPropagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中使用最廣泛的一種。由于BP下BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。3.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論概述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ArtificialNeuralNetworks簡(jiǎn)稱(chēng)ANN)是也簡(jiǎn)稱(chēng)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NNs）或稱(chēng)作連接模型（ConnectionistModel是對(duì)人腦或自然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NaturalNeuralNetwork）若干基本特性的抽象和模擬[10]。它由大量的、同時(shí)也是很絡(luò)研究專(zhuān)家，第一家神經(jīng)計(jì)算機(jī)公司的創(chuàng)立者與領(lǐng)導(dǎo)人HechtNielsen給人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由人工建立的以有向圖為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它通人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，可以追溯到1957年Rosenblatt提出的感知器模型（Perceptron—AI（ArtificialIntelligence30余年來(lái)卻并未取得人工智能那樣巨大的成功，中間經(jīng)歷了一段長(zhǎng)時(shí)間的蕭條。直到80年代，獲得了關(guān)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)切實(shí)可行的算法，以及以VonNeumann體系為依托的傳BP算法，Hopfield網(wǎng)絡(luò)模型，自適應(yīng)共振理論，自組織特征映射理論等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)上提出來(lái)的[11]。它雖然反映了人擬。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究可以分為理論研究和應(yīng)用研究?jī)纱蠓矫妗＠碚撗芯靠煞譃橐韵聝深?lèi)：1)．利用神經(jīng)生理與認(rèn)知科學(xué)研究人類(lèi)思維以及智能機(jī)理。2)開(kāi)發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)數(shù)理理論，如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)、非線(xiàn)性神經(jīng)場(chǎng)等。應(yīng)用研究可分為以下兩類(lèi)：12網(wǎng)絡(luò)理論本身以及相關(guān)理論、相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用定將更加深入。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)[12]：（1）可以充分逼近任意復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系；（2）所有定量或定性的信息都等勢(shì)分布貯存于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各神經(jīng)元，故有很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性；（3）采用并行分布處理方法，使得快速進(jìn)行大量運(yùn)算成為可能；（4）可學(xué)習(xí)和自適應(yīng)不知道或不確定的系統(tǒng)；（5）能夠同時(shí)處理定量、定性知識(shí)。3.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于誤差反向傳播(ErrorBackPropagation)算法的多層前饋網(wǎng)絡(luò)(MultipleLayerFeedforwardNetwork)(簡(jiǎn)稱(chēng)BP網(wǎng)絡(luò))，可以以任意精度逼近任意的連續(xù)函數(shù)，所以廣泛應(yīng)用于非線(xiàn)性建模、函數(shù)逼近、模式分類(lèi)等方面[13]。雖然BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完整的理論。的網(wǎng)絡(luò)必須是具有隱層的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP間層各神經(jīng)元；中間層是內(nèi)部信息處理層，負(fù)責(zé)信息變換，根據(jù)信息變化能力的需求，BPXi通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)（隱層點(diǎn)）作用于輸出節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)非線(xiàn)形變換，產(chǎn)生輸出信號(hào)Yk，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的每個(gè)樣本包括輸入向量X和期望輸出量T，網(wǎng)絡(luò)輸出值Y與期望輸出值T之間的偏差，通過(guò)調(diào)整輸入節(jié)點(diǎn)與隱層節(jié)點(diǎn)的聯(lián)接強(qiáng)度取值Wij和隱層節(jié)點(diǎn)與輸出節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)接強(qiáng)度Tjk以及閾值，使誤差沿梯度方小的經(jīng)過(guò)非線(xiàn)形轉(zhuǎn)換的信息。BP[14]。第四章基于MATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)及其實(shí)驗(yàn)仿真此為本次設(shè)計(jì)的核心部分，這次虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)控制器采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器可以得到學(xué)習(xí)的效果。4.1基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)PID控制要取得較好的控制效果，就必須通過(guò)調(diào)整好比例、積分和微分三種控制作，力，可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)性能的學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)具有最佳組合的PID控制。采用BP網(wǎng)絡(luò)，可以建立參數(shù)Kp，Ki，Kd自學(xué)習(xí)的PID控制器[15]?；贐P(Backpropagation)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-1所示，控制器由兩部分構(gòu)成：圖4-1BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（1）經(jīng)典的PID控制器，直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制，并且三個(gè)參數(shù)Kp，Ki，Kd為在線(xiàn)調(diào)整方式；（2PIDPID控制器的三個(gè)KpKiKd通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)調(diào)整，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制律下的PID控制器參數(shù)。經(jīng)典增量式數(shù)字PID的控制算法如下（4.1）為：(4.1)式中，Kp，Ki，Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)。網(wǎng)絡(luò)輸入層的輸入為：j=1,2,…M(4.2)式中，輸入變量的個(gè)數(shù)M取決于被控系統(tǒng)的復(fù)雜程度。網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸入、輸出為：(4.3)(i=1,…Q)—隱含層加權(quán)系數(shù)；上角標(biāo)(1)、(2)、(3)分別代表輸入層、隱層和輸出層。隱層神經(jīng)元的活化函數(shù)取正負(fù)對(duì)稱(chēng)的Sigmoid函數(shù)：(4.4)網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸入輸出為：(l=1,2,3)(4.5)輸山層輸出節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)三個(gè)可調(diào)參數(shù)KpKiKdKpKiKd不以輸出層神經(jīng)元的活化函數(shù)取非負(fù)的Sigmoid函數(shù)。(4.6)取性能指標(biāo)函數(shù)為：(4.7)E（k并附加使搜索快速收斂全局極小的慣性項(xiàng)。(4.8)式中，η為學(xué)習(xí)速率；α為慣性系數(shù)。（4.9）(4.10)習(xí)速率η來(lái)補(bǔ)償。(4.11)由式(4.1)和式(4.5)，可求得：(4.12)(4.13)上述分析可得網(wǎng)絡(luò)輸出層權(quán)的學(xué)習(xí)算法為：(4.14)(l=1,2,3)(4.15)同理可得隱含層加權(quán)系數(shù)的學(xué)習(xí)算法：(4.16)(4.17)式中，(4.18)基于BP網(wǎng)絡(luò)的PID控制器結(jié)構(gòu)如圖4-2所示，該控制器控制算法歸納如下[15]：(1)確定BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，即確定輸入層點(diǎn)數(shù)M和隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)Q，并給出各層加權(quán)系數(shù)的初值和，選定學(xué)習(xí)速率η和慣性系數(shù)α，此時(shí)k＝1；(2)采樣得到rin（kyout（kerror(k)=rin（k-yout（k(3)計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNNN輸出層的輸出即為PID控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù)Kp，Ki，Kd；(4)根據(jù)式(4.12)計(jì)算PID控制器的輸出u(k)；(5)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，在線(xiàn)調(diào)整加權(quán)系數(shù)和，實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整；(6)置k=k+1，返回到（1圖4-2基于BP網(wǎng)絡(luò)的PID控制器結(jié)構(gòu)模型4.2BP-PID控制實(shí)驗(yàn)仿真BP-PID控制實(shí)驗(yàn)仿真是在MATLAB中完成的，主要借助于MATLAB中M文件的實(shí)現(xiàn)，編寫(xiě)M文件程序，調(diào)試并運(yùn)行得出仿真曲線(xiàn)。4.2.1MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的用于教育、工程與科學(xué)計(jì)算的軟件產(chǎn)品，它向MATLAB已經(jīng)擁有了控制、信號(hào)處理、圖像處理、聲音處理、系統(tǒng)建模等諸多領(lǐng)域的計(jì)算和圖形顯示功能，點(diǎn)[16]。MATLAB提供了一種用于編程的高級(jí)語(yǔ)言——M語(yǔ)言[17]。M語(yǔ)言是一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言，其最大的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單和直接。它允許用數(shù)學(xué)形式的語(yǔ)言編寫(xiě)程序，且比BASIC、FORTRAN和C等語(yǔ)言更加接近我們書(shū)寫(xiě)計(jì)算公式的思維方式，用其編程猶如MATLAB的程序文件和腳本文件通常保存為后綴為“.m”M文件。M文件實(shí)際上是一個(gè)命令集，其語(yǔ)法規(guī)則與C語(yǔ)言幾乎完全一樣。M文件以ASCHMATLAB的M文件編輯器創(chuàng)建和編輯，也可以用其它的文本編輯器。MATLAB主要由MATLAB主程序、Simulink動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)和功能各異的MATLAB工具箱(Toolbox)三大部分組成。其中主程序包括了MATLAB語(yǔ)言、開(kāi)發(fā)環(huán)境、圖形句柄、數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)和應(yīng)用程序接口五個(gè)部分。MATLAB(例如，C和FORTRAN語(yǔ)言)個(gè)簡(jiǎn)單、易用的開(kāi)發(fā)環(huán)境中，為用戶(hù)工作平臺(tái)的管理和數(shù)據(jù)的輸入/輸出提供了便利的方法，同時(shí)還提供了M文件的擴(kuò)展和管理工具。這次本人的設(shè)計(jì)用的是MATLABR2007a這個(gè)版本，這個(gè)版本是美國(guó)MathWorks公司2007年出的軟件。MATLABMATLAB的圖形用戶(hù)界面的設(shè)計(jì)、M文件的編寫(xiě)和MATLAB的LCC封裝部分。4.2.2BP-PID控制實(shí)驗(yàn)仿真利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以解決很多有關(guān)非線(xiàn)性系統(tǒng)的問(wèn)題，如函數(shù)逼近、系統(tǒng)辨識(shí)等。設(shè)被控對(duì)象的近似數(shù)學(xué)模型為：式中，系數(shù)是慢時(shí)變的，。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)選如圖4-5-3，學(xué)習(xí)速率η＝0.25和慣性系數(shù)α＝0.05，加權(quán)系數(shù)初估值取區(qū)間[0.5,0.5]上的隨機(jī)數(shù)。輸入指令信號(hào)分為兩種：(1)rin（k）＝1.0(2)rin（k）＝sin(2πt)取S＝1時(shí)為階躍跟蹤，S＝2權(quán)值代替隨機(jī)值。但是由于可調(diào)參數(shù)KpKiKd均取非負(fù)的Sigmoid01算法的應(yīng)用具有局限性。跟蹤結(jié)果和相應(yīng)的曲線(xiàn)如圖4-3至圖4-8所示。圖4-3階躍響應(yīng)曲線(xiàn)（S=1）圖4-4參數(shù)自適應(yīng)是整定曲線(xiàn)圖4-5跟蹤誤差曲線(xiàn)圖4-6正弦跟蹤曲線(xiàn)（S=2）圖4-7參數(shù)自適應(yīng)整定曲線(xiàn)圖4-8跟蹤誤差曲線(xiàn)仿真程序如下：shiyan.m%BPbasedPIDControlclearall;closeall;xite=0.25;alfa=0.05;S=1;%SignaltypeIN=4;H=5;Out=3;%NNStructureifS==1%StepSignalwi=[-0.6394-0.2696-0.3756-0.7023;-0.8603-0.2013-0.5024-0.2596;-1.07490.5543-1.6820-0.5437;-0.3625-0.0724-0.6463-0.2859;0.14250.0279-0.5406-0.7660];%wi=0.50*rands(H,IN);wi_1=wi;wi_2=wi;wi_3=wi;wo=[0.75760.26160.5820-0.1416-0.1325;-0.11460.29490.83520.22050.4508;0.72010.45660.76720.49620.3632];%wo=0.50*rands(Out,H);wo_1=wo;wo_2=wo;wo_3=wo;endifS==2%SineSignalwi=[-0.28460.2193-0.5097-1.0668;-0.7484-0.1210-0.47080.0988;-0.71760.8297-1.60000.2049;-0.08580.1925-0.63460.0347;0.43580.2369-0.4564-0.1324];%wi=0.50*rands(H,IN);wi_1=wi;wi_2=wi;wi_3=wi;wo=[1.04380.54780.86820.14460.1537;0.17160.58111.12140.50670.7370;1.00630.74281.05340.78240.6494];%wo=0.50*rands(Out,H);wo_1=wo;wo_2=wo;wo_3=wo;endx=[0,0,0];u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;Oh=zeros(H,1);%OutputfromNNmiddlelayerI=Oh;%InputtoNNmiddlelayererror_2=0;error_1=0;ts=0.001;fork=1:1:6000time(k)=k*ts;ifS==1rin(k)=1.0;elseifS==2rin(k)=sin(1*2*pi*k*ts);end%Unlinearmodela(k)=1.2*(1-0.8*exp(-0.1*k));yout(k)=a(k)*y_1/(1+y_1^2)+u_1;error(k)=rin(k)-yout(k);xi=[rin(k),yout(k),error(k),1];x(1)=error(k)-error_1;x(2)=error(k);x(3)=error(k)-2*error_1+error_2;epid=[x(1);x(2);x(3)];I=xi*wi';forj=1:1:HOh(j)=(exp(I(j))-exp(-I(j)))/(exp(I(j))+exp(-I(j)));%MiddleLayerendK=wo*Oh;%OutputLayerforl=1:1:OutK(l)=exp(K(l))/(exp(K(l))+exp(-K(l)));%Gettingkp,ki,kdendkp(k)=K(1);ki(k)=K(2);kd(k)=K(3);Kpid=[kp(k),ki(k),kd(k)];du(k)=Kpid*epid;u(k)=u_1+du(k);ifu(k)>=10%Restrictingtheoutputofcontrolleru(k)=10;endifu(k)<=-10u(k)=-10;enddyu(k)=sign((yout(k)-y_1)/(u(k)-u_1+0.0000001));%Outputlayerforj=1:1:OutdK(j)=2/(exp(K(j))+exp(-K(j)))^2;endforl=1:1:Outdelta3(l)=error(k)*dyu(k)*epid(l)*dK(l);endforl=1:1:Outfori=1:1:Hd_wo=xite*delta3(l)*Oh(i)+alfa*(wo_1-wo_2);endendwo=wo_1+d_wo+alfa*(wo_1-wo_2);%Hiddenlayerfori=1:1:HdO(i)=4/(exp(I(i))+exp(-I(i)))^2;endsegma=delta3*wo;fori=1:1:Hdelta2(i)=dO(i)*segma(i);endd_wi=xite*delta2'*xi;wi=wi_1+d_wi+alfa*(wi_1-wi_2);%ParametersUpdateu_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);y_2=y_1;y_1=yout(k);wo_3=wo_2;wo_2=wo_1;wo_1=wo;wi_3=wi_2;wi_2=wi_1;wi_1=wi;error_2=error_1;error_1=error(k);endfigure(1);plot(time,rin,'r',time,yout,'b');xlabel('time(s)');ylabel('rin,yout');figure(2);plot(time,error,'r');xlabel('time(s)');ylabel('error');figure(3);plot(time,u,'r');xlabel('time(s)');ylabel('u');figure(4);subplot(311);plot(time,kp,'r');xlabel('time(s)');ylabel('kp');subplot(312);plot(time,ki,'g');xlabel('time(s)');ylabel('ki');subplot(313);plot(time,kd,'b');xlabel('time(s)');ylabel('kd');4.3圖形用戶(hù)界面(GUI)的設(shè)計(jì)圖形用戶(hù)界面（GUI）是在MATLAB中建立的，為的是可以用戶(hù)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)程序的接觸點(diǎn)或交互方式交換信息。圖形用戶(hù)界面或GUI是包含圖形對(duì)象，在智能控制虛擬實(shí)驗(yàn)室中，MATLAB的圖形用戶(hù)界面（GUI）的主要功能是建立一個(gè)友好快捷的用戶(hù)界面，整合實(shí)驗(yàn)的相關(guān)部分，方便用戶(hù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作和控制。所以GUI的設(shè)計(jì)也是本次課題十分重要的組成部分。4.3.1MATLAB圖形用戶(hù)界面簡(jiǎn)介MATLAT一向注重?cái)?shù)據(jù)的圖形表示，并不斷地采用新技術(shù)改進(jìn)和完備其可視化功能.作為一個(gè)優(yōu)秀的科技應(yīng)用型軟件，MATLAB在數(shù)據(jù)可視化方面有著很強(qiáng)的功能[17]MATLAB編寫(xiě)圖形生成文件[18]。界面功能的有效性來(lái)選擇計(jì)算機(jī)或程序。MATLAB提供了圖形用戶(hù)界面(GraphicalUserInterfaces，GUI)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)功能.個(gè)用戶(hù)界面，利用這些界面，用戶(hù)可以和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行信息交流。MATLAB中的基本圖形用戶(hù)界面對(duì)象分為三類(lèi)：用戶(hù)界面控件對(duì)象(uicontrol)、下拉式菜單對(duì)象(uimenu)和內(nèi)容式菜單對(duì)象(uicontextmenu)uicontrol對(duì)象能建uimenu能建立下拉式菜單和子菜單等圖形用戶(hù)界面對(duì)象，uicontextmenu能建立內(nèi)容式菜單用戶(hù)界面對(duì)象(類(lèi)似Visua1C++等程序設(shè)計(jì)軟件中的彈出式菜單)。MATLAB中的GUI對(duì)象層次結(jié)構(gòu)如圖4-9所示：圖4-9GUI對(duì)象層結(jié)構(gòu)個(gè)Uimenu對(duì)象、uicontextmenu對(duì)象、Uicontrol對(duì)象或坐標(biāo)軸(Axes)對(duì)象，每個(gè)Uimenu、Uicontextmenu對(duì)象可包含一個(gè)或多個(gè)Uimenu、Uicontextmenu子對(duì)象，Uicontrol對(duì)象雖無(wú)子對(duì)象結(jié)點(diǎn)，但它也有多種類(lèi)型，如按鈕框、檢驗(yàn)框、文本框、編輯框等，所有其他對(duì)象都是坐標(biāo)軸的子對(duì)象，并且在坐標(biāo)軸上顯示。通過(guò)利用從ATLAB能強(qiáng)大的圖形用戶(hù)界面。4.3.2圖形用戶(hù)界面實(shí)現(xiàn)的功能在智能控制虛擬實(shí)驗(yàn)室中，MATLAB的圖形用戶(hù)界面（GUI）的主要功能是建立一個(gè)GUI界面的設(shè)計(jì)為例，其實(shí)現(xiàn)的主要功能如下[18]：1.“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)Word文檔，查看實(shí)驗(yàn)的目的和具體的操作步驟或源程序。2.建立與VRML“瀏覽實(shí)驗(yàn)裝置置瀏覽觀(guān)看。3.建立BP按鈕用戶(hù)可以對(duì)仿真圖進(jìn)行查看及對(duì)比。4.點(diǎn)擊“清空曲線(xiàn)”按鈕可將曲線(xiàn)清除。4.3.3圖形用戶(hù)界面的實(shí)現(xiàn)過(guò)程GUI實(shí)現(xiàn)的功能及實(shí)現(xiàn)過(guò)程：1．打開(kāi)Word文檔改成查看源程序及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)與word文檔的交互，制作按鈕，單擊可以直接打開(kāi)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。通過(guò)GUI的按鈕設(shè)計(jì)達(dá)到此要求。在GUI界面中，加入實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)按鈕，通過(guò)對(duì)其單擊，打開(kāi)一個(gè)Word文檔對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驟，方便用戶(hù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)M文件與Word文檔進(jìn)行交互，首先需要建立一個(gè)word文檔對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明，文件命名為1.docwordMATLAB中的winopen語(yǔ)句打開(kāi)word過(guò)以下語(yǔ)句可以創(chuàng)建一個(gè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)按鈕打開(kāi)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)：functionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)winopen('F:\學(xué)習(xí)\畢業(yè)設(shè)計(jì)\李慧慧\論文\1.doc')2．建立與VRML的交互虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱(Virtua1Rea1ityToolbox)為能在一個(gè)三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行可視化操作和與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行交互提供了一種有效的解決方案[19]VRML技術(shù)，就可以通過(guò)MATLAB生成三維場(chǎng)景，在MATLAB的命令窗口中直接輸入命令或使用M文件來(lái)控制虛擬世界。本次我選用M文件來(lái)設(shè)計(jì)控制VR，這樣實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單。也可構(gòu)成總體性。虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱中的對(duì)象分為vrworld對(duì)象、vrnode對(duì)象和vrfigure對(duì)象三種。vrworld對(duì)象是虛擬場(chǎng)景的句柄。表4-1為vrworld對(duì)象的方法。通過(guò)這些方法，可以與場(chǎng)景交互并控制場(chǎng)景。vrnode對(duì)象是VRML節(jié)點(diǎn)的句柄。vrnode對(duì)象是vrworld對(duì)象的子對(duì)象。vrfigure的屬性。方法描述vrworld創(chuàng)建一個(gè)虛擬世界相關(guān)的vrworld新對(duì)象vrworld/close關(guān)閉虛擬對(duì)象vrworld/delete從內(nèi)存中刪除虛擬世界vrworld/open打開(kāi)虛擬世界vrworld/save從虛擬世界寫(xiě)到VRML文件vrworld/view查看虛擬世界vrworld/get讀取vrworld對(duì)象的屬性值vrworld/set改變vrworld對(duì)象的屬性值vrworld/reloand從相關(guān)vrml文件中重新載入虛擬世界表4-1vrworld對(duì)象的方法安裝虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱時(shí)，將虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱提供的VRML查看器設(shè)置為默認(rèn)查看器。法和渲染方式等。通過(guò)MvrworldVRMLbiaoti.wrl以創(chuàng)建一個(gè)vrworld對(duì)象。其完整的創(chuàng)建語(yǔ)句為：shiyan=vrworld('biaoti.wrl');創(chuàng)建完vrworld對(duì)象以后，需要打開(kāi)虛擬世界，其目的是為了可以在VRML查看器中MATLAB世界biaoti.wrl連接的vrworld對(duì)象的語(yǔ)句為：open(vrml);在完成了vrworld對(duì)象的創(chuàng)建和打開(kāi)虛擬世界以后，就可以通過(guò)view(vrml)語(yǔ)句，用默認(rèn)的查看器打開(kāi)和顯示虛擬世界biaoti.wrl“瀏覽實(shí)驗(yàn)裝置按鈕中的callback屬性中，即實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)擊按鈕彈出3D實(shí)驗(yàn)裝備的效果：functionpushbutton10_Callback(hObject,eventdata,handles)vrml=vrworld('biaoti.wrl');open(vrml);view(vrml)%hObjecthandletopushbutton10(seeGCBO)%eventdatareserved-tobedefinedinafutureversionofMATLAB%handlesstructurewithhandlesanduserdata(seeGUIDATA)3．查看曲線(xiàn)用M文件回調(diào)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真曲線(xiàn)可以通過(guò)GUI中的Axes組件直接在GUI果：實(shí)驗(yàn)者可以同時(shí)看到不同輸入函數(shù)的控制的曲線(xiàn)，我在GUI界面上放置了兩組Axes組件。調(diào)出曲線(xiàn)的方法仍是通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的兩個(gè)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)。達(dá)到預(yù)期效果的重點(diǎn)在于按鈕回調(diào)函數(shù)的編寫(xiě)，我編寫(xiě)這兩個(gè)回調(diào)函數(shù)的思想是：這樣能夠避免在不同組件中調(diào)用全局變量的麻煩。選擇坐標(biāo)軸的語(yǔ)句為：axes(handles.axes)其中handles.axesGUIDE輔助設(shè)計(jì)GUI的一個(gè)好處，所有的交互組件都有一個(gè)統(tǒng)一格式的句柄—handles.tag。tag為該交互組件的標(biāo)簽名。利用全命令行的M文件編程則沒(méi)有這么方便，在調(diào)用任何一個(gè)交互組件時(shí)都需要預(yù)先設(shè)定其句柄，容易造成混亂。4．清空曲線(xiàn)是清除所有曲線(xiàn)和輸入數(shù)據(jù)單擊“清空曲線(xiàn)”后，輸出的波形和輸入數(shù)據(jù)都在GUI上清除，程序如下：functionpushbutton3_Callback(hObject,eventdata,handles)axes(handles.axes1);cla;axes(handles.axes2);cla;axes(handles.axes3);cla;axes(handles.axes4);cla;axes(handles.axes5);cla;axes(handles.axes6);cla;axes(handles.axes7);cla;axes(handles.axes8);cla;set(handles.edit1,'string','');set(handles.edit2,'string','');5GUI等。與對(duì)應(yīng)的部件相對(duì)應(yīng)起來(lái)，形成完整的可執(zhí)行GUI。最終形成的GUI主界面如圖4-10所示：圖4-10GUI界面4.4系統(tǒng)的封裝室所提供的虛擬實(shí)驗(yàn)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的各種功能。4.4.1封裝目的在進(jìn)行過(guò)3D模型的建立，具體實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，GUI的設(shè)計(jì)等工作之后，虛擬實(shí)驗(yàn)要打開(kāi)MATLAB達(dá)到預(yù)期的目的，還需要將之前已經(jīng)做好的MATLAB的GUI相關(guān)文件封裝成可執(zhí)行程序，用戶(hù)只需運(yùn)行這個(gè)程序，就能夠打開(kāi)MATLAB并調(diào)出相應(yīng)的GUI界面，直接開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。4.4.2MATLAB封裝具體過(guò)程生成exe文件，對(duì)gui.m和gui.fig進(jìn)行打包[20]。1)設(shè)置編譯器：在確定安裝好MatlabpilerpilerMatlab命令窗口輸入：Mbuild–setup，按提示選擇matlab自帶編譯器LCC。2)將腳本編譯為可執(zhí)行文件：如項(xiàng)目文件包含：gui.m，gui.gif在此路徑下命令行輸入：mcc–mgui.m，生成：mccExcludedFiles.log，readme.txtgui.ctfgui.prjgui_main.cgui_mcc_ponent_data.cgui.exegui_mcr。其中：gui.ctf，gui.exe為脫離matlab環(huán)境運(yùn)行必需的文件。3)在未安裝matlab的機(jī)器上運(yùn)行可執(zhí)行程序。將R22007b\toolbox\piler\deploy\win32中的MCRinstaller.exe安裝到該計(jì)算機(jī)上，將生成可執(zhí)行程序脫離matlab運(yùn)行所需的函數(shù)庫(kù)。將2)中生成的gui.ctf，gui.exe拷貝到該計(jì)算機(jī)同一路徑。運(yùn)行g(shù)ui.exe將生成gui_mcr文件夾，包含程序運(yùn)行所需的庫(kù)。4)去除獨(dú)立可執(zhí)行程序運(yùn)行時(shí)的“DOS黑窗口。以上生成的exe程序運(yùn)行時(shí)首先彈出一個(gè)DOS誤信息，可將其去除。matlab命令行輸入：cd(prefdir)editpopts.bat此時(shí)popts.bat打開(kāi)，在文件最后添加：setLINKFLAGS=%LINKFLAGS%-subsystemwindows即可。第五章結(jié)論樂(lè)趣，可快捷的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備、智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、各實(shí)驗(yàn)圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)(GUI)。虛擬設(shè)備由VRML進(jìn)行Matlab的M文件來(lái)設(shè)計(jì)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PIDM文件設(shè)計(jì)各實(shí)驗(yàn)的圖形用戶(hù)界面將虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和智能控制系統(tǒng)、win32最后MATLAB在虛擬環(huán)境下進(jìn)行智能控制實(shí)驗(yàn)的目的，并且可以通過(guò)GUI進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀(guān)察對(duì)比，通過(guò)改變?chǔ)?，η的值?lái)查看曲線(xiàn)，查看控制效果并進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)[1]張茂軍。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)［M］。北京：科學(xué)出版社，2001.9[2]蘇金明，黃國(guó)明，劉波。MATLAB與外部程序接口。［M］北京：電子工業(yè)出版社，2004.1[3]R.Bise，N.TakahashiandT.Nishi，“OntheDesignMethodofCellularNeuralNetworksforAssociateMemoriesBasedonGeneralizedEigenvalueProblem”IntelWorkshoponCellularNeuralNetworksandTheirApplications2002[4]張家祥，方凌江，毛全勝。基于MATLAB6.x的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)——虛擬現(xiàn)實(shí)［M電子科技大學(xué)出版社，2002.9[5]曾芬芳主編，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［M］。上海交通大學(xué)出版社，1999-6[6]Wen-huachen，DonaldJ.Balance，PeterJ.GawthopJohnO’Reily。ANonlinearDisturbanceObserverforRoboticManipulators。IEEETransactionsonIndustrialEletronics，2000，47(4)：932~938[7]賽博科技工作室編。VRML與Java編程技術(shù)。北京：人民郵電出版社，2002[8]WeiminGe，ZuoliangCao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;%Gettingkp,ki,kdendkp(k)=K(1);ki(k)=K(2);kd(k)=K(3);Kpid=[kp(k),ki(k),kd(k)];du(k)=Kpid*epid;u(k)=u_1+du(k);ifu(k)>=10%Restrictingtheoutputofcontrolleru(k)=10;endifu(k)<=-10u(k)=-10;enddyu(k)=sign((yout(k)-y_1)/(u(k)-u_1+0.0000001));%Outputlayerforj=1:1:OutdK(j)=2/(exp(K(j))+exp(-K(j)))^2;endforl=1:1:Outdelta3(l)=error(k)*dyu(k)*epid(l)*dK(l);endforl=1:1:Outfori=1:1:Hd_wo=xite*delta3(l)*Oh(i)+alfa*(wo_1-wo_2);endendwo=wo_1+d_wo+alfa*(wo_1-wo_2);%Hiddenlayerfori=1:1:HdO(i)=4/(exp(I(i))+exp(-I(i)))^2;endsegma=delta3*wo;fori=1:1:Hdelta2(i)=dO(i)*segma(i);endd_wi=xite*delta2'*xi;wi=wi_1+d_wi+alfa*(wi_1-wi_2);%ParametersUpdateu_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);y_2=y_1;y_1=yout(k);wo_3=wo_2;wo_2=wo_1;wo_1=wo;wi_3=wi_2;wi_2=wi_1;wi_1=wi;error_2=error_1;error_1=error(k);endaxes(handles.axes1);plot(time,rin,'b',time,yout,'r');xlabel('time(s)');ylabel('rin,yout');axes(handles.axes2);plot(time,kp,'r');xlabel('time(s)');ylabel('kp');axes(handles.axes3);plot(time,ki,'r');xlabel('time(s)');ylabel('ki');axes(handles.axes4);plot(time,kd,'r');xlabel('time(s)');ylabel('kd');%---Executesonbuttonpressinpushbutton2-正弦.functionpushbutton2_Callback(hObject,eventdata,handles)xite1=str2num(get(handles.edit1,'string'));alfa1=str2num(get(handles.edit2,'string'));xite=xite1;alfa=alfa1;IN=4;H=5;Out=3;%NNStructurewi=[-0.28460.2193-0.5097-1.0668;-0.7484-0.1210-0.47080.0988;-0.71760.8297-1.60000.2049;-0.08580.1925-0.63460.0347;0.43580.2369-0.4564-0.1324];%wi=0.50*rands(H,IN);wi_1=wi;wi_2=wi;wi_3=wi;wo=[1.04380.54780.86820.14460.1537;0.17160.58111.12140.50670.7370;1.00630.74281.05340.78240.6494];%wo=0.50*rands(Out,H);wo_1=wo;wo_2=wo;wo_3=wo;x=[0,0,0];u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0;y_1=0;y_2=0;y_3