实验7 Spark初级编程实践 一、实验目的 1. 掌握使用Spark访问本地文件和HDFS文件的方法 2. 掌握Spark应用程序的编写、编译和运行方法 二、实验平台 1. 操作系统：Ubuntu18.04（或Ubuntu16.04）； 2. Spark版本：2.4.0； 3. Hadoop版本：3.1.3。 三、实验步骤（每个步骤下均需有运行截图） 实验前期准备： Spark是Apache软件基金会下的一个大数据处理框架，以其高效、易用和灵活性著称。在"大数据技术原理及应用课实验7：Spark初级编程实践"中，我们主要关注Spark的两个核心知识点：数据读取和Spark应用程序的开发流程。 Spark提供了一种简单的方式去访问不同的数据源，包括本地文件系统和Hadoop Distributed File System (HDFS)。在Spark Shell中，可以通过`textFile()`函数读取文件，例如读取本地文件"/home/hadoop/test.txt"，只需一行命令`sc.textFile("/home/hadoop/test.txt")`。若要读取HDFS上的文件，需要指定HDFS的URL，如`sc.textFile("hdfs://namenode:port/user/hadoop/test.txt")`。在这里，`sc`是SparkContext的实例，是Spark与集群交互的入口。 Spark应用程序的编写通常使用Scala、Java、Python或R语言。在实验中，推荐使用Scala编写独立的应用程序，这需要对Spark的API有一定的了解。比如，统计文件行数可以使用`count()`方法，而创建Spark应用并打包成JAR文件则涉及到构建工具如sbt或Maven的使用。一旦应用编写完成，可以通过`spark-submit`命令提交到Spark集群执行。 接下来，实验中还涉及到了两个具体的编程任务： 1. 数据去重：这个任务要求合并两个文件A和B，并去除其中重复的内容。在Spark中，可以使用`reduceByKey`或`distinct`操作来实现。将两个文件的内容合并为一个DataFrame或RDD，然后通过`reduceByKey(_ + _)`对键值对进行合并，最后用`distinct()`去除重复项。 2. 求平均值：这个任务需要计算多个文件中所有学生的平均成绩。将所有包含成绩的文件加载到Spark，然后将数据转换为键值对形式，键是学生名字，值是成绩。接着，可以使用`groupByKey`和`mapValues`操作，`groupByKey`将相同名字的学生聚合在一起，`mapValues`用于计算这些学生的平均分，最后将结果写入新文件。 Spark在处理大数据时，其核心是弹性分布式数据集(RDD)，RDD提供了容错性和并行计算的能力。此外，Spark还提供了DataFrame和Dataset API，它们提供了更高级别的抽象，便于数据处理和SQL查询。 在实验总结中提到，Spark的应用程序优化涉及数据分区、缓存和序列化等策略。数据分区可以提高并行度，缓存可以减少数据读取的开销，而选择合适的序列化方式能优化内存使用和传输效率。 优化和改进方面，可以考虑使用更高效的Join策略，如Broadcast Join来处理大型数据集，或者使用DataFrames和Datasets API来利用其编译时检查和优化。另外，还可以研究Spark的动态资源调度，以适应数据量的变化和集群资源的波动。 Spark作为大数据处理的重要工具，其编程实践涵盖了数据读取、分布式计算、数据操作和应用程序优化等多个方面，对理解和掌握大数据处理流程具有重要的实际意义。通过这样的实验，可以提升对Spark的理解和应用能力。

控制系统的滞后校正设计是自动控制领域中的一项重要课题，其主要目的是通过在系统中引入特定的校正装置，以改善系统的动态性能和稳定性，满足特定的设计指标。在本次课程设计中，我们以MATLAB为工具，针对一给定的单位反馈系统，通过引入串联滞后校正网络，优化系统性能。 课程设计的初始条件为已知系统的开环传递函数为KG(s)/(s(1+0.1s)(1+0.2s))，并规定系统的静态速度误差系数Kv不低于100，幅值裕量和相位裕量也已被指定。在这一设计过程中，首先需要使用MATLAB绘制系统的伯德图，并计算系统的幅值裕量和相位裕量，以便于了解系统在未校正状态下的性能。 接下来，设计任务是系统前向通路中插入一相位滞后校正网络。这一步骤的核心在于确定校正网络的传递函数，使系统满足设计指标。在实际操作中，通常需要对系统进行调整以达到期望的相位和幅度特性，这一过程可能需要反复迭代和调整。 在设计好校正网络之后，需要使用MATLAB绘制未校正和已校正系统的根轨迹。根轨迹分析是理解系统稳定性和性能的重要工具，通过它可以直观地看到系统极点随系统参数变化的轨迹。对根轨迹的绘制和分析有助于我们深入理解系统的行为。 设计过程中，清晰的计算分析过程、MATLAB程序及其输出是不可或缺的部分。因此，课程设计报告中必须详细记录每一步的计算过程和MATLAB的使用情况。报告的格式要符合教务处的相关原则。 在整个课程设计中，参考文献也起着不可忽视的作用。通过查阅相关文献，学生可以获得更多的理论知识和设计经验，以便更好地完成设计任务。 设计总结部分要求学生对整个设计过程进行反思，总结所学知识，并描述在设计过程中遇到的问题以及如何解决这些问题。同时，收获与体会部分应包含对所学知识的应用和对控制系统设计的理解。 整个课程设计不仅锻炼了学生使用MATLAB进行系统分析和设计的能力，而且加深了对控制系统滞后校正理论与实践的认识。通过这一过程，学生可以更好地掌握自动控制理论，并将其应用于实际问题的解决中。

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Web程序设计课程是一门与互联网密切相关的计算机专业课程，旨在教授学生如何设计和实现动态交互式的Web应用程序。这类课程通常包含理论知识学习与实践操作相结合的教学方式，让学生能够全面掌握Web开发的基本原理和技术要点。沈士根版的课后习题答案文档，作为学习参考资料，能够帮助学习者巩固课堂所学知识，通过具体实例加深对Web开发流程的理解。 在Web程序设计中，涉及到的技术和知识点包括但不限于：Web服务器的概念与配置、HTTP协议、HTML和CSS的基础知识、JavaScript及客户端脚本编写、服务器端编程语言（如PHP、Python、Java等）的应用、数据库知识（特别是SQL的使用）以及Web安全知识。这些知识是构建一个功能完备、用户友好的网站所必需的。沈士根版的课后习题答案往往涵盖了上述各个方面的内容，帮助学生在完成作业的过程中对知识点进行实战演练。 在具体实施Web程序设计时，通常会经历以下步骤：需求分析、设计阶段（包括网页布局设计、数据库设计等）、编码实现、测试和部署等。需求分析阶段需要确定网站的目标用户、功能需求、性能需求等。设计阶段则根据需求分析的结果来绘制网站的布局草图、设计数据库模型等。编码实现阶段是将设计方案转化为具体的代码实现，这通常包括前端页面的制作和后端逻辑的编写。测试阶段则需要对网站进行全面的测试，确保其在不同的环境和条件下都能正常工作。部署阶段则是将网站部署到服务器上，让其开始对外提供服务。 除此之外，一个完整的Web程序设计课程还包括对Web开发工具和辅助软件的使用培训，如文本编辑器、集成开发环境（IDE）、版本控制工具（如Git）等。学习这些工具的使用能够大大提高开发效率和代码质量。 面对互联网技术的快速发展和日新月异的Web开发技术，Web程序设计课程还注重培养学生的自学能力和适应新技术的能力。学生不仅需要掌握当前流行的技术，还需要学会如何快速学习和适应未来可能出现的新技术。 Web程序设计是一门综合性很强的课程，它要求学生在掌握基础知识的同时，具备良好的分析问题和解决问题的能力。通过系统的课程学习和大量的实践操作，学生可以逐步成长为能够独立设计和实现复杂Web应用的专业人才。

学生选课系统是教育机构中非常关键的信息系统，它能够帮助学生和教育管理者高效地管理课程选择。本文介绍了一个学生选课系统，该系统通过连接Mysql数据库来实现信息的存储和检索。为了实现这一功能，该系统使用了JDBC技术来与MySQL数据库进行交互。 通过JDBC连接数据库是实现选课系统的基础。JDBC（Java Database Connectivity）是Java语言提供的用于数据库连接的一组API。在这个选课系统中，JDBC技术被封装在名为JDBC的类中。该类负责加载MySQL JDBC驱动，并使用指定的URL、用户名以及密码来建立与数据库的连接。建立连接后，系统能够使用这个连接来执行SQL语句，进行数据的增删改查操作。 接下来，登录界面的设计是系统访问控制的第一步。在此系统中，登录界面允许用户输入其用户ID和密码。界面使用了Java Swing库来构建一个图形用户界面（GUI）。这个界面包含了用户ID和密码输入框以及一个登录按钮。当用户点击登录按钮后，系统会通过一个事件监听器来响应此动作，收集用户输入的信息，并将其传递给后端处理。后端的逻辑代码会负责验证用户身份。如果用户验证成功，系统将允许用户访问主界面；反之，则会给出相应的错误提示。 主界面是学生选课系统用户交互的核心部分，用户可以在主界面中查看课程信息、选课、退课以及查看选课结果。在本文件中，主界面的具体代码并未完整给出，但可以推断其涉及了课程信息展示、交互逻辑处理以及与数据库的数据交互等功能。 此外，该系统中还可能包含了对学生信息、课程信息等数据的管理功能。这些功能通常会通过数据库中的相应表格来实现，比如学生表、课程表以及选课表等。系统会通过执行SQL语句来对这些表格中的数据进行操作，实现如添加新学生、更新学生信息、删除课程等管理任务。 该系统在设计和实现过程中，需要考虑到用户界面的友好性、系统的稳定性、数据安全性以及高效的数据处理能力。特别是在多用户同时访问时，系统的并发处理能力以及数据库的性能优化显得尤为重要。 这个学生选课系统通过对Mysql数据库的连接和操作，提供了一个友好的用户界面以及强大的数据管理能力，使得学生能够方便快捷地选课，并且让教育管理者能够高效地管理课程资源。

### 上变频器的设计知识点详解 #### 一、变频器概述及应用意义 变频器是一种用于改变信号频率的电子设备，在通信、雷达、广播等众多领域有着广泛的应用。根据设计目标，本次课程设计主要关注的是上变频器的设计与实现。 1. **应用意义**：变频器在多种电子系统中扮演着重要的角色。例如，在超外差接收机中，变频器用于将接收到的高频信号转换为易于处理的中频信号；在频率合成器中，变频器用于产生所需的载波频率；在多路微波通信中，变频器则用于实现不同站点之间的信号转换，确保信号能够在正确的频率上传输。 2. **设计要求和技术指标**：根据课程设计要求，需要设计一个上变频器，并能够观察输入输出波形。此外，还需比较载波频率的关系。具体参数包括：输入信号的调制信号频率为1000Hz，载波频率为10000Hz；变频器本地载波频率为15000Hz。 #### 二、总体设计方案 1. **设计方案论证**：为了满足上述要求，设计了一个基于WEB仿真的上变频器。该变频器的主要功能是将输入信号的载波频率从10000Hz提升到25000Hz，实现这一频率转换的同时保持调制规律不变。 2. **设计方案框图**：总体设计包括信号输入部分、混频器部分以及信号输出部分。其中，混频器部分是核心，它通过将输入信号与本地载波信号混合来实现频率的变换。下图为设计方案框图的大致结构： ``` 输入信号 --> 混频器 --> 输出信号 ``` - **输入信号**：频率1000Hz的调制信号，以及频率10000Hz的载波信号。 - **混频器**：通过与本地载波信号(15000Hz)混合，实现频率变换。 - **输出信号**：频率25000Hz的调幅波。 #### 三、混频器电路设计 1. **混频器电路设计**：混频器是实现频率变换的关键部件，本次设计采用了晶体管混频器。晶体管混频器可以实现较高的变频增益，原理电路图如下所示。其中，信号电压Vs和本振电压Vo均加在晶体管的基极与发射极之间。 2. **电路参数计算**：考虑到信号电压Vs较小，可以假设其工作特性曲线为线性。而本振信号Vo较大，在混频过程中会导致混频管的跨导随振荡电压作周期性变化。因此，可以通过数学模型来计算输出电流ic与输入电压vBE之间的函数关系，进而实现变频目的。 3. **电路仿真实现**：利用WEB仿真工具，可以构建出具体的电路模型，并通过调整参数来观察输入输出波形的变化情况。这一步骤对于验证设计的正确性和优化电路性能至关重要。 #### 四、设计总结 通过对上变频器的设计与实现，不仅加深了对变频器工作原理的理解，还掌握了利用WEB仿真工具进行电路设计的方法。在实际操作过程中，需要注意电路参数的选择、信号的匹配以及噪声等因素对性能的影响。未来还可以进一步探索更多高级技术和方法，以提高变频器的性能和稳定性。 通过本次课程设计的学习，不仅可以掌握上变频器的设计与实现方法，还能提升解决实际问题的能力。

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软件工程作为一门学科，其核心在于指导计算机软件的开发与维护。它涵盖了一系列的概念、原理、技术和方法，目的是经济高效地开发高质量的软件产品，并确保其在后续使用过程中的有效维护。 软件工程强调软件不仅仅是程序，它还包括了数据和相关文档，构成一个完整的集合。这一概念的明晰有助于理解软件开发不仅仅是编程，编程只是开发过程中的一个阶段。软件的设计相当于建筑设计，设计成果则相当于设计图纸，是整个开发过程中的蓝图。 软件危机是软件工程领域早期面临的一个重大挑战，它表现为成本和进度估计不准确、用户不满意、产品质量不稳定、软件难以维护、缺乏适当文档、成本占比上升以及开发生产率落后于硬件及应用普及的趋势。软件危机的出现，很大程度上归因于软件开发过程的不规范、缺乏经验、用户交流障碍、管理不科学以及评测手段的不足。 软件工程的实施，需要采用工程化的管理理念和技术方法。软件生存周期包括多个阶段：问题定义与可行性研究、需求分析、软件设计、程序编码与单元测试、集成测试与系统测试以及运行维护。每个阶段都有其特定的任务和目标，它们共同构成了软件工程的基本框架。 在软件生存周期的每一个阶段，都有对应的管理技术和方法。例如，在问题定义与可行性研究阶段，需要明确问题定义和可行性；需求分析阶段要准确描述目标系统必须实现的功能；软件设计阶段需要制定设计方案并进行概要设计和详细设计；程序编码与单元测试阶段则要实现设计并进行模块测试；集成测试与系统测试阶段要检查模块组装的正确性和软件对用户需求的满足程度；而运行维护阶段则涉及对软件进行持续的维护工作。 软件生存期模型是指在软件开发过程中采用的一系列步骤和方法，常见的模型包括瀑布模型、快速原型模型、增量模型、螺旋模型、喷泉模型和统一过程。这些模型各有优缺点，适用于不同类型的开发场景。例如，瀑布模型的优点在于规范化的开发流程和质量控制，但其缺点在于对书面规格说明的过度依赖和适应需求变更的能力较弱；快速原型模型则能够更好地满足用户需求，但需要开发人员快速反应。 软件工程是一门涉及广泛领域的学科，它要求我们不仅要有扎实的技术能力，还需具备系统的管理思维。在不断变化的技术和市场环境中，软件工程的原则和技术方法为软件开发与维护提供了可持续发展的路径。

函数发生器是一种常用的电子测试设备，能够产生多种波形的信号，通常用于电子电路的设计和调试过程中。本次课设项目以函数发生器的设计为主题，结合了Multisim仿真软件和嘉立创仿真平台，并实际制作了PCB（印刷电路板）实物。这不仅涉及到电路设计的理论知识，还包括了电路仿真、PCB设计、电路板制备与焊接等实践操作技能。 Multisim是一款由National Instruments开发的电子仿真软件，它提供了一个直观的、易于使用的电路设计与仿真环境。Multisim的界面设计接近真实的实验操作台，用户可以在此软件中完成电路的搭建、测试和仿真，而无需实际接触电路元件。该软件广泛应用于电子工程教育和科研领域，是帮助工程师和学生验证电路设计的有效工具。 嘉立创仿真平台可能是某一特定的电路设计与仿真工具，或是国内某一公司的电路仿真服务。由于缺乏详细信息，具体功能和特点难以描述，但通常这类平台都致力于提供易于操作的仿真环境，以及与实物电路高度吻合的仿真结果，帮助用户更直观地理解电路工作原理。 PCB实物的制作是电子工程项目中重要的一步，涉及到原理图到PCB布线图的转换、布线设计、焊盘设置、元件布局等。在制作过程中，还需要考虑电路的电磁兼容性、散热问题、信号完整性、电源管理等因素。最终的PCB实物需要经过精细的手工焊接或自动化焊接设备进行元件的装配，然后进行实物测试，确保电路板的功能符合设计要求。 整个课设项目的目标是让学生通过实际的设计、仿真和制作过程，深入理解函数发生器的工作原理和设计方法。学生需要掌握以下知识点： 1. 函数发生器的基本工作原理，包括正弦波、方波、三角波等基本波形的产生方式。 2. Multisim仿真软件的基本操作，包括元件的选取、电路的搭建、功能模块的仿真测试等。 3. PCB设计的基本流程，包括原理图绘制、元件布局、布线设计、设计规则检查(DRC)等。 4. 电路实物制作的流程，包括PCB制作、元件焊接、电路调试等。 5. 电路故障排查和性能分析，如何根据测试结果进行电路的优化和故障排除。 通过本课程设计项目，学生可以将理论知识与实践相结合，提升自己解决实际工程问题的能力，为将来从事电子工程设计和研究工作打下坚实的基础。

1.1课程设计的题目 加热炉温度控制系统设计 加热炉通过对流传热与辐射传热将一定流量的物料加热至工艺要求的温度，加热介质为燃料油，燃料油管道内径DN=70mm，管道上安装调节阀，设计加热炉温度控制系统，工艺要求物料出口温度保持在300℃±2℃。 建模相关参数： 进行对象测试实验时，采用阶跃响应实验方法，阀门开度变化幅值及物料出口温度变化见加热炉温度数据Excel表。 计算调节阀口径相关参数： 最大流量： 15 m3/h，正常流量：12 m3/h，最小流量：10m3/h 调节阀前、后压力差：12KPa 工况密度：870 kg/m3 工况粘度：2.45CP 工作温度：50 ℃ 1.2课程设计的内容和要求 （1）建立对象数学模型； （2）根据控制要求，确定系统被控变量和控制变量，确定控制方案； （3）绘制带控制点的工艺控制流程图和方框图，仪表位号自定； （4）硬件设备选型和设计，包括测量变送器选型、控制器选型、执行器选型，确定测量变送器量程、精度等级，执行器的形式、流量特性和口径计算